膨胀土地基改良剂及改良施工方法

摘要

本发明的发明提供一种膨胀土改良剂，它是由废橡胶粉末和磷石膏粉末与水搅拌形成的胶浆，废橡胶粉末和磷石膏粉末质量比为20：80～30：70，废橡胶粉末和磷石膏粉末两者共计占胶浆总质量6～7%。本发明的有益效果在于：本改良剂与常用石灰改良剂相比，联合物理、化学方法，改良效果更优，可使膨胀土水稳性大增，地基胀缩变形显著减小，保持持久稳定。

权利要求

1.膨胀土地基改良剂，其特征在于它是由废橡胶粉末和磷石膏粉末与水搅拌形成的胶浆，废橡胶粉末和磷石膏粉末质量比为20：80～30：70，废橡胶粉末和磷石膏粉末两者共计占胶浆总质量6～7%。

2.根据权利要求1所述的膨胀土地基改良剂，其特征在于：所述废橡胶粉末粒径0.83±

0.03mm，磷石膏粉末粒径0.15±0.05mm。

3.根据权利要求1所述的膨胀土地基改良剂，其特征在于：所述磷石膏粉末中二水硫酸钙含量70～90％；废橡胶粉末中纤维含量3±0.5%；水为pH 值大于或等于6的可饮用水。

4.膨胀土地基改良施工方法，其特征在于包括以下步骤：（1）配置改良剂，将废橡胶粉末和磷石膏粉末与水混合搅拌形成胶浆，废橡胶粉末和磷石膏粉末质量比为20：80～30：

70，废橡胶粉末和磷石膏粉末两者共计占胶浆总质量6～7%；（2）钻孔，钻取呈网状排布的若干注浆孔，孔径均值φ120～250mm；（3）注浆，将改良剂胶浆注入注浆孔中。

5.根据权利要求4所述的膨胀土地基改良施工方法，其特征在于步骤（1）中还包括步骤（1-1）：在搅拌完成后静置凝结，凝结时间为10～30min。

6.根据权利要求4所述的膨胀土地基改良施工方法，其特征在于：注浆孔深度为15～

20m，相邻注浆孔间距﹤2m，开孔直径110mm～250mm，终孔直径90～250mm，成孔偏斜率≤

1.5%。

7.根据权利要求4所述的膨胀土地基改良施工方法，其特征在于：注浆压力25MPa～

30MPa，流量65～120L/min。

8.根据权利要求4所述的膨胀土地基改良施工方法，其特征在于步骤（3）注浆顺序为：先将最外层一圈注浆孔依次或成组或同时注满，然后按照逐步向中心注浆孔靠拢的顺序注浆。

9.根据权利要求4所述的膨胀土地基改良施工方法，其特征在于步骤（3）通过高压泥浆泵完成，出浆口直径5±1mm，高压泥浆泵出浆口伸入注浆孔底部注浆并旋转停留1～3min后边上升边喷射注浆，注浆完成后通过水泥砂浆或细砂石将注浆口填塞密实。

说明书

膨胀土地基改良剂及改良施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑技术领域，具体涉及一种膨胀土地基改良剂及改良施工方法。

背景技术

[0002] 膨胀土是一种区域性特殊黏土，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定，常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏。膨胀土地基处理方法有换土、土性改良、预浸水，以及防止地基土含水量变化等工程措施。换土法需要大面积开挖，土石方调配成本较高，而石灰改良法等大多局限于道路路基或浅层地基中膨胀土改良处理。

[0003] 随着我国国民经济持续快速发展，生产、生活中产生了大量固体废弃物。例如，废旧轮胎是轮胎磨损、更换弃置的产物，目前随着汽车总量不断攀升而迅速增长；而磷石膏是磷铵生产过程中产生的工业废料，我国是世界第三的磷石膏排出大国（年排量800～1200万吨）。这些废弃物不仅占用大量空间，而且污染环境、破坏生态，制约社会可持续发展。随着天然资源的日渐短缺和固体废弃物的激增，许多国家将固体废弃物作为“再生资源”加以综合开发、利用。例如，再生利用废弃轮胎生产橡胶粉，联合磷石膏废料改良膨胀土地基，则可实现废物处治和工程应用的有机结合，同时满足环境保护和可持续发展的现实要求。

发明内容

[0004] 本发明的发明目的之一在于针对现有技术中存在的不足处，提供一种膨胀土改良剂。

[0005] 本发明采用的技术方案为：

[0006] 膨胀土地基改良剂，其特征在于它是由废橡胶粉末和磷石膏粉末与水搅拌形成的胶浆，废橡胶粉末和磷石膏粉末质量比为20：80～30：70，废橡胶粉末和磷石膏粉末两者共计占胶浆总质量6～7%。

[0007] 进一步地，胶浆稠度范围18～24s，泌水率1.8～2%。

[0008] 进一步地，所述废橡胶粉末粒径0.83±0.03mm，磷石膏粉末粒径0.15±0.05mm。

[0009] 进一步地，所述磷石膏粉末中二水硫酸钙含量70～90％；废橡胶粉末中纤维含量3±0.5%；水为pH 值大于或等于6的可饮用水。

[0010] 本发明的另一发明目的在于提供一种膨胀土地基改良施工方法，实现本发明目的的技术方案是：膨胀土地基改良施工方法，包括以下步骤：（1）配置改良剂，将废橡胶粉末和磷石膏粉末与水混合搅拌形成胶浆，废橡胶粉末和磷石膏粉末质量比为20：80～30：70，废橡胶粉末和磷石膏粉末两者共计占胶浆总质量6～7%；（2）钻孔，钻取呈网状排布的若干注浆孔，孔径均值φ120～250mm；（3）注浆，将改良剂胶浆注入注浆孔中。

[0011] 进一步地，步骤（1）中还包括步骤（1-1）：在搅拌完成后静置凝结，凝结时间为10～30min。

[0012] 进一步地，注浆孔深度为15～20m，相邻注浆孔间距﹤2m，开孔直径110mm～250mm，终孔直径90～250mm，成孔偏斜率≤1.5%。

[0013] 进一步地，注浆压力25MPa～30MPa，流量65～120L/min。

[0014] 进一步地，步骤（3）注浆顺序为：先将最外层一圈注浆孔依次或成组或同时注满，然后按照逐步向中心注浆孔靠拢的顺序注浆。

[0015] 进一步地，步骤（3）通过高压泥浆泵完成，出浆口直径5±1mm，高压泥浆泵出浆口伸入注浆孔底部注浆并旋转停留1～3min后边上升边喷射注浆，注浆完成后通过水泥砂浆或细砂石将注浆口填塞密实。

[0016] 本发明的有益效果主要表现在：（1）技术先进，相较于传统换土法，无需进行大面积开挖。与常用石灰改良法相比，该工艺联合物理、化学方法，改良效果更优，可使膨胀土水稳性大增，地基胀缩变形显著减小，保持持久稳定；（2）有利环保，无需大量借土、换土，可使大面积植被免遭毁坏，从而保护生态环境。实现废物循环利用，避免废弃物大面积堆积而造成的环境污染问题，产生了显著的社会和环保效益；（3） 效益显著，无需借土、换土，加快了施工进度，节约了运输成本。同时，采用废弃物代替石灰等材料，降低了原材料购置成本，并减少了废弃物土地占用，产生了显著的经济和社会效益。

具体实施方式

[0017] 以下具体实施例对本发明作进一步详细描述：

[0018] 膨胀土地基改良剂，其特征在于它是由废橡胶粉末和磷石膏粉末与水搅拌形成的胶浆，废橡胶粉末和磷石膏粉末质量比为20：80～30：70，废橡胶粉末和磷石膏粉末两者共计占胶浆总质量6～7%。

[0019] 本发明的改良剂同时对膨胀土地基同时具有物理改良和化学改良作用，物理改良：常温条件下橡胶粉理化性质稳定，而且具有高弹性、高韧性和抗冲击性等特点。通过钻孔压浆处理，废橡胶粉和膨胀土基团均匀混合。掺杂其中的废橡胶粉具有阻滞、抑制或缓解膨胀土胀缩变形作用，同时还可增强膨胀土的抗剪强度。

[0020] 废旧轮胎橡胶粉中还含有约3%的纤维，纤维具有约束膨胀土基团变形作用。基团吸水膨胀或失水收缩时，纤维与基团界面产生摩阻力，消耗部分膨胀或收缩内力，有效减小土体的膨胀势，从而缩减膨胀土的胀缩变形。

[0021] 从微观上讲，废橡胶粉比表面积越大，与基团接触面积越大，接触面上摩阻力越大。此外，纤维具有较大的表面粗糙度，增大了胶粉与基团的界面摩擦效应，从而能够有效抑制膨胀土地基的胀缩变形。

[0022] 化学改良：磷石膏的主要化学成分：二水硫酸钙(CaS04·2H20)，含量一般可达70～90％左右。在改良过程中，磷石膏与膨胀土发生以下作用：

[0023] (1)阳离子交换作用

[0024] 磷石膏中的Ca2+与土颗粒表面的阳离子（如：Na+，K+，H+）发生交换作用，使土颗粒表面双电层中的扩散层变薄，土的膨胀势减弱，颗粒相互吸引成团粒。膨胀土的分散性、坍塌性和亲水性降低，塑性指数下降。膨胀土易稳定成型，形成早期强度，工程性质发生改变。

[0025] (2)胶凝作用

[0026] 离子交换作用后，膨胀土中硅胶、铝胶与磷石膏进一步反应，形成含水硅酸钙、铝酸钙等水化产物。在水环境下发生硬化，凝胶在土颗粒外围形成粘结力较强的网状保护膜，促使改良膨胀土强度增长并保持长期稳定。同时，保护膜还可隔离水分使膨胀土获得水稳定性。

[0027] (3)碳酸化作用

[0028] 磷石膏渗入膨胀土中后，部分还会与空气中CO2发生化学反应生成碳酸钙（CaCO3）晶体。而碳酸钙具有较高的强度和水稳定性，而且是一种非膨胀矿物，对减小膨胀土土的胀缩性起主要作用。此外，碳酸钙的胶结作用使膨胀土形成石灰类稳定土，具有长期稳定的后期强度。

[0029] 进一步地，胶浆稠度范围18～24s，泌水率1.8～2%。

[0030] 进一步地，所述废橡胶粉末粒径0.83±0.03mm，磷石膏粉末粒径0.15±0.05mm。

[0031] 进一步地，所述磷石膏粉末中二水硫酸钙含量70～90％；废橡胶粉末中纤维含量3±0.5%；水为pH 值大于或等于6的可饮用水。

[0032] 本发明的另一发明目的在于提供一种膨胀土地基改良施工方法，实现本发明目的的技术方案是：膨胀土地基改良施工方法，包括以下步骤：（1）配置改良剂，将废橡胶粉末和磷石膏粉末与水混合搅拌形成胶浆，废橡胶粉末和磷石膏粉末质量比为20：80～30：70，废橡胶粉末和磷石膏粉末两者共计占胶浆总质量6～7%；（2）钻孔，钻取呈网状排布的若干注浆孔，孔径均值φ120～250mm；（3）注浆，将改良剂胶浆注入注浆孔中。

[0033] 混合浆液要能够完全均匀地充满膨胀土孔隙，因此灌注所用的混合浆液必须达到以下要求：①分散性：废橡胶粉与磷石膏颗粒均匀分散于水中形成乳浆。②悬浮性：废橡胶粉与磷石膏颗粒呈悬浮状态而且不因重力而下沉。③稳定性：废橡胶粉与磷石膏颗粒处于相对稳定状态而不发生分层离析现象。

[0034] 参照推荐配合比以及工程实际情况或要求，确定废橡胶粉和磷石膏等原材料的施工配合比。具体配制过程描述为：按照施工配合比要求，准确计算出废橡胶粉、磷石膏和水的用量；采用电子计量法准确控制配合比，以每台每次0.3m3为单位，按比例（质量比）称量原材料（废橡胶粉、磷石膏）；把废橡胶粉和磷石膏加入水中，搅拌5min左右，使磷石膏完全溶于水中，橡胶粉充分扩散于水中，形成混合均匀的胶浆。

[0035] 采用现场搅拌方法，可以调控材料凝结时间。混合物搅拌应均匀平稳，防止空气进入产生气泡，从而影响浆液使用性能。胶浆稠度要求控制在18～24s（泥浆稠度仪测定），以满足压力灌浆要求。拌和后泌水率控制在2%左右，泌水应于24h内重新全部被胶浆吸收。为进一步提高改良剂性能，步骤（1）中还包括步骤（1-1）：在搅拌完成后静置凝结，凝结时间为10～30min，以便充分渗入膨胀土。要求浆液在凝固过程中不收缩，及固化膨胀土后不收缩，早期强度（24h）可达到1.2MPa以上。

[0036] 为有效降低膨胀土胀缩系数，保证工程质量，注浆孔深度为15～20m，相邻注浆孔间距﹤2m，开孔直径110mm～250mm，终孔直径90～250mm，成孔偏斜率≤1.5%。

[0037] 为兼顾注浆效率及工作效率，注浆压力25MPa～30MPa，流量65～120L/min。

[0038] 步骤（3）注浆顺序为：先将最外层一圈注浆孔依次或成组或同时注满，然后按照逐步向中心注浆孔靠拢的顺序注浆。使需要加固范围内的土体形成一道帷幕，以防止后续注浆孔的浆液向外围扩散。

[0039] 为提交施工效率，步骤（3）通过高压泥浆泵完成，出浆口直径5±1mm，高压泥浆泵出浆口伸入注浆孔底部注浆并旋转停留1～3min后边上升边喷射注浆，注浆完成后通过水泥砂浆或细砂石将注浆口填塞密实。

[0040] 以下通过各项试验验证上述改良剂及改良施工方法中各参数设置对工程质量的影响：

[0041] 1）黏粒分析试验

[0042] 对拌和后的改良膨胀土进行颗粒分析测试，结果如表5.2.4-1。由表可知：掺入废弃混合物后，膨胀土的粘粒含量明显减少，反之黏粒（粉）砂化形成的颗粒含量则增加；当掺入约6％的废弃混合物时，粘粒含量减幅最大。由此表明，掺入废弃物（尤其磷石膏）后，膨胀土性质发生砂性化演变。

[0043] 表1 黏粒含量对比

[0044]土样名称 天然土样 4% 5% 6% 7% 8%
弱膨胀土 84 76 71 67 69 69
中膨胀土 86 79 74 70 70 72

[0045] 2）液、塑限试验

[0046] 对拌和后的改良膨胀土进行液、塑限试验，试验结果如表5.2.4-2。由表可知，随废弃混合物掺量增加，膨胀土的液限降低，塑限明显增加，塑性指数则大幅减小。当掺量大于6%时，膨胀土塑性指数降幅最大，之后略有增加趋势。

[0047] 表2 液限、塑限及塑性指数对比

[0048]

[0049] 注：表中wL、wp、IP分别代表液限、塑限和塑性指数。

[0050] 3）无侧限抗压强度试验

[0051] 对7d龄期改良土进行无侧限抗压强度试验，试验结果如表5.2.4-3。由表可知，随着废弃混合物掺量增加，无侧限抗压强度增加。当掺入量约为6%时，弱膨胀土无侧限强度达到峰值；当掺入量为7%时，中膨胀土无侧限强度达到峰值。当掺入量大于6%后，强度增长缓慢。

[0052] 表3无侧限抗压强度对比（单位：kPa）

[0053]

[0054] 4）浸水试验

[0055] 对养护7d的改良膨胀土进行浸水试验（浸泡72小时），观察结果如表5.2.4-4：除中膨胀土4%掺量时有轻微崩解外，其余均无明显崩解。由此可知，废弃混合物掺量大于5%，改良膨胀土的水稳性良好，同时表明改良时磷石膏混合物掺量不得小于5%。

[0056] 表4浸泡崩解特性对比

[0057]土样名称 天然土样 4% 5% 6% 7% 8%
弱膨胀土 完全 无 无 无 无 无
中膨胀土 完全 轻微 无 无 无 无

[0058] 5）重型击实试验

[0059] 对养护7d的改良膨胀土进行重型击实试验，试验结果如表5.2.4-5。由表可知，最大干密度随废弃混合物的掺量增加而迅速递减，而最佳含水量则缓慢递增。当掺量大于6%时，最大干密度和最佳含水量变化缓慢。

[0060] 表5重型击实试验对比

[0061]

[0062] 注：表中ρdmax和ω0分别代表最大干密度和最佳含水量。

[0063] 6）胀缩性试验

[0064] 对改良膨胀土进行自由膨胀、膨胀力、无荷载和有荷载膨胀量以及收缩试验，根据试验结果计算胀缩总率，计算结果如表5.2.4-6。由表可知，弱膨胀土在石灰掺量达到6%时，胀缩总率<0.7%；中膨胀土在石灰掺量达到7%时，胀缩总率<0.7%。

[0065] 胀缩总率以 表示，并按下式计算： 。式中： ：在压力0.5MPa时的膨胀率； ：土的收缩系数； ：土的天然含水量； ：土在收缩过程中含水率的下限值。

[0066] 表6胀缩总率对比

[0067]土样名称 天然土样 4% 5% 6% 7% 8%
弱膨胀土 6.9 0.92 0.74 0.22 0.17 0.15
中膨胀土 11.8 1.72 0.96 0.8 0.38 0.20

[0068] 总之，随着废弃混合物掺量增加，膨胀土物理力学性质发生明显改变。①组成成分：膨胀土中粘粒含量减少，砂（或粉）粒含量增加，膨胀土工程性质趋同于胶结砂性土。②物理性质：膨胀土的液限降低，塑限增加，塑性指数大幅减小，浸水崩解现象逐渐消失，改良膨胀土水稳定性显著增强。③力学性质：膨胀潜势（压力）显著减小，最大干密度递减而最佳含水量则递增，无侧限抗压强度显著增加等。

[0069] 分析上述试验成果，提出如下推荐配比：橡胶粉和磷石膏两者占总质量的6～7%，而橡胶粉和磷石膏的质量比一般为20：80～30：70。相关技术性能要求包括：胀缩总率<0.7%，7d无侧限抗压强度≥0.8MPa，浸水饱和无崩解现象。采用推荐配比进行地基改良，可显著增强膨胀土水稳定性，有效控制地基胀缩变形。在现场施工过程中，根据膨胀土物理性质和胀缩控制要求等，适当调整废橡胶粉和磷石膏的质量配比。

[0070] 为满足地基改良要求并兼顾安全、环保等质量标准，还应作为如下辅助措施：建筑物基坑开挖后，应该整平场地，并做好施工场地排水、防水工作，禁止施工用水流入基坑（槽），严禁施工用水管网渗漏。

[0071] 首先，做好排水疏干措施。开挖沟槽、集水坑，排疏雨水或施工剩水等地表水。对现场给水管网和施工用水设专人管理维护，临时的水池、洗料场、搅拌站、淋灰池或用水较多的地方，应距建筑物10m以上并设可靠的排水系统。

[0072] 其次，做好防水保湿措施。在建筑物周围设置散水坡，并设置水平和垂直隔水层，防止地表水直接渗入和减少土层水分的蒸发；设置排水系统，加强地下水管道和有水地段的防漏设施；对地下热力管道敷设隔热层。

[0073] 另外，为进一步提高施工质量，还应从以下三方面进行控制，

[0074] 1.质量控制

[0075] 1.1 施工前根据原材料技术要求进行相关检测，要求包括：废旧轮胎橡胶粉为20目（粒径约0.83mm），约含3%以上纤维；磷石膏二水硫酸钙(CaS04·2H20)含量达70～90％左右，不得使用不符合要求的原材料。

[0076] 1.2 施工过程中，严格依照设计要求，实施各项排水、防水措施，加强建筑物周围的湿度控制，切断基底下外界渗水条件，以保证地基的稳定性，最大限度地减小气候变化和人为活动对地基含水量的影响。

[0077] 1.3 注浆钻孔孔位测放误差不得超过±50mm。钻孔过程中，水平和垂直允许偏差为±10mm。开孔直径不得小于110mm，终孔直径不得小于90mm，成孔偏斜率不大于1.5%。因故变更孔位时，应征得设计方同意，并要如实记录孔位、孔深（测定注浆管长度获得）。

[0078] 1.4 根据场地土胀缩性能，考虑建筑物适应变形能力，以±1%为标准严格控制浮动范围，适当调整推荐配比中废橡胶粉和磷石膏两者总质量。严格按照施工配合比要求，采用电子计量法准确称量原材料（废橡胶粉、磷石膏）。

[0079] 1.5 采用快速灰浆搅拌机配制注浆浆液，搅拌后泌水率控制在2%左右，泌水应于24h内全部被胶浆吸收。胶浆稠度要求控制在18～24s（泥浆稠度仪测定），凝结时间控制在
10～30min，以满足高压注浆要求。

[0080] 1.6注浆施工前，进行注浆实验确定合理注浆参数。注浆施工同时，采集返浆试样，做初凝、终凝和早期强度等物理力学测试。初步了解注浆固结体加固效果。

[0081] 1.7 在喷射提升注浆管时，拆卸注浆管速度要快，重新进行喷射的上下搭接长度不应小于0.3m，防止固结体脱节。

[0082] 1.8 在喷射施工中，应经常注意孔内返浆情况。返浆量小于注浆量20%为正常，超出或不返浆时，应及时分析原因，待确定解决办法后继续施工。

[0083] 1.9 施工过程中，严格检测所有施工工序，，完整保留试验、检测、施工的原始记录，对检测所得到的数据需要经过统计分析与整理后，再用以评价各项工程施工质量。