CN106906819A - 一种淤泥质土的固化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种淤泥质土的固化处理方法，包括，检测土体的初始有机质含量和初始含水量，结合工程实际需要的无侧限抗压强度，根据量化模型确定固化剂掺量，据此掺量加入固化剂对淤泥质土进行固化处理。本发明以淤泥质土复合固化剂为固化基础，在量化模型基础上，根据土体的初始有机质含量和初始含水量来调节固化剂的添加比例，以此达到最好的经济和强度效益。
Description
技术领域
本发明属于土木建筑工程技术领域，具体涉及一种淤泥质土的固化处理方法。
背景技术
目前，市面上有上百种固化剂，这些固化剂往往是针对某一待处理土质进行研制的，在研究过程中，待处理土的性质(比如有机质含量和含水量)是固定不变的，但是在工程应用中，由于需要处理的地基或者滩涂地比较分散，又或者跨度比较大，土的有机质含量和含水量有较大的变化，那么工程人员一般是通过以往的经验对固化剂的掺量进行调节，而没有一个可以参考的量化模型。本发明旨在提供一种量化模型，可以根据此模型，固化剂的掺量可以通过测得待处理土有机质含量和含水量来定量的调整。
土体固化过程中，含水量的大小有着重要作用。目前采用的固化材料，从交通运输到固化效果再到经济型，大都采用水泥系和工业废弃物如废石膏、废矿渣等物质，这些物质添加入土体作为固化材料，发生水化等一系列反应，其中水的含量有着重要影响，含水量的多少将直接影响参与反应的各种离子的浓度，关系到固化反应的能否进行，能否进行的彻底，也将影响固化反应的走向，生成物的种类和数量。固化反应过程中，结晶水和自由水不断的转换，对水化产物与土体、水化产物之间的联结和硬化起到显著作用。
在土体固化过程中，腐殖酸与水泥水化产物Ca(OH)2产生反应，遏制了水化反应C-S-H和C-A-H的生成，大大减弱了水化产物与黏土颗粒之间的作用以及固化土的强度发展。腐殖酸可细分为富里酸和胡敏酸，土壤学研究表明，胡敏酸含官能团多，具有较强的离子交换能力。在土体结构影响方面，由于胡敏酸是一种无定型凝胶，所以它对土体结构破坏作用较大，而富里酸元素组成和分子结构与胡敏酸虽然相似，但其主要特点是阳离子交换能力强，酸性略弱，因此它对矿物质的分解起到很大作用，对土体的固化反应成生物有破坏作用，严重影响固化土强度。
朱龙芬(2007)分析了含水量对水泥固化土的影响，通过对比试验，得到一个阈值，当含水量大于该阈值时，固化效果不明显。
邵玉芳(2007)针对西湖疏浚淤泥进行了含水量对其固化效果影响的试验，认为含水量值对固化效果影响很大，若将含水量降至100％以下，淤泥固化土的强度随固化材料掺入比和龄期的提高均有较大的增长。
谢志强(2007)认为固化土收缩性与初始含水量、龄期成正趋势，与水泥添加量成反趋势；强度与初始含水量成反趋势，与水泥添加量、龄期成正趋势。
徐日庆(2007)通过在软土中掺入腐殖酸的方法制备人工有机质土，并对其进行了室内试验，结果表明人工有机质土的液限随土有机质含量的增加而呈指数形式增长，塑限则呈线性形式增长，固化土无侧限强度则随有机质含量的增加呈对数形式下降。
张树彬(2009)通过研究认为胡敏酸的羧基在水环境中会增多，其与固化反应产生的AI3+和Ca2+生成复合化合物阻碍水化反应的进行，由此表胡敏酸对水泥土无侧限抗压强度影响效果较强。
Harvey Omar R(2010)通过试验认为水化硅酸钙能够很好的提高蒙脱石的强度，而有机质遏制其发展；通过热流差解释了有机质对水化硅酸钙生成的影响。
Erdem O.Tastan(2011)通过粉煤灰来改善有机质含量较高的土的强度，试验结果表明粉煤灰中的CaO含量与CaO/SiO2比值对固化土强度与刚度有显著的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种淤泥质土的固化处理方法，并提出可以根据土体含水量和有机质含量参数来调节固化剂掺量的量化模型，以期达到最好的工程及经济效益，能够应用于各类有机质软土地基的处理。
一种淤泥质土的固化处理方法，包括，检测土体的初始有机质含量和初始含水量，结合工程实际需要的无侧限抗压强度，根据量化模型确定固化剂掺量，据此掺量加入固化剂对淤泥质土进行固化处理；
所述量化模型如下：
Y＝1186.86-88.52X1-86.89X2+73.71X3-41.14X1X3-20.68X1 2-72.70X2 2+9.92X3 2(1)
式(1)中，Y表示固化土28天的无侧限抗压强度，X1表示土体的初始有机质含量W1在响应面优化设计中的编码值、X2表示土体的初始含水量W2在响应面优化设计中的编码值、X3表示固化剂掺量W3在响应面优化设计中的编码值。
以土体的质量为计算基数，X1＝(W1-13％)/5％,X2＝(W2-90％)/5％,X3＝(W3-10％)/2％。
本发明以淤泥质土复合固化剂为固化基础，在量化模型基础上，可以根据土体的初始有机质含量和初始含水量来调节固化剂的添加比例，以此达到最好的经济和强度效益。
所述固化剂中，各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％。
所述固化剂以水泥为主固化材料，粉煤灰和矿渣作为碱性激发剂，三乙醇胺作为表面活性剂。提供的淤泥质土复合固化剂的固化对策是根据淤泥质土特点，工程所需早期强度以及稳定的较强的后期强度、较好的水稳性能、抗冻性能等要求，从固化机理出发，以提高土体pH值、促进水泥水化反应的进程以及水化物凝结硬化、增强参与反应的离子活性为目的，选择固化材料，各组成成分通过一系列反应达到最佳的固化效果。
基于软土固化机理，针对普遍具有高含水量和高有机质含量的淤泥质土，结合原材料的供应运输以及价格，以及工业废物的利用，选择以下材料：
水泥：强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。
矿渣：矿渣是在炼铁过程，与铁水分离并在高温下将氧化铁还原成金属铁，铁矿石中的SiO2-Al2O3等杂质与石灰等溶剂结合成的废渣。
粉煤灰：粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。
三乙醇胺：C6H15NO3含量大于78.0％，密度为1.123～1.333g/cm3，总胺量：99.0～110％，折光率：1.482～1.489。为无色或浅黄色吸湿性粘稠状液体。
水泥是目前最为常用的固化材料，其水化反应生成的硅酸二钙和硅酸三钙能够有效的加大土体强度。矿渣在激发剂作用下首先使水化反应过程中絮凝物玻璃体表面解体，与水反应生成水化硅酸钙等水化产物，溶解出的Ca2+引发粉煤灰火山灰反应的二次水化，这两类反应交替进行，且其水化产物组分中以水化硅酸钙凝胶为主，混合材料后期强度随养护时间延长，而持续提高。而粉煤灰是一种分散体系，能够增加颗粒间表面面积，其在一定程度上代替了水泥的作用，能够增大反应过程的有效水灰比，是微粉效应更加显著，极大的促进水化反应的进程。三乙醇胺可以消除固体粉剂的静电，使颗粒体表面积增大、细度降低，另外还能稳定反应环境的pH值，使水化反应能够快速的进行。在本发明的特定配比下，水泥、矿渣、粉煤灰和三乙醇胺相互协同达到最佳的固化效果。
本发明方法中，所述量化模型如式(1)所示，固化剂由水泥、矿渣、粉煤灰和三乙醇胺四种材料组合而成，在实际工程中，对于需要处理的地基，通过土工试验测得土质的初始有机质含量W1(％)和初始含水量W2(％)，即换算得到式(1)中对应的编码值的X1和X2；根据工程实际需要的无侧限抗压强度即可确定Y值。如此可以得到一个关于固化剂掺量在响应面优化设计中的编码值(X3)的一元二次方程式，解得方程经换算即得需要添加的固化剂的量。
作为优选，所述土体的初始有机质含量为6～8％；所述土体的初始含水量为85～105％。该类淤泥质土含水量和有机质含量均较高，固化难度大，市面上的固化剂难以对该类淤泥质土进行固化处理，本发明提供的固化剂通过针对性研制，各组分通过一系列反应相互协同依然能达到较好的固化效果，根据本发明提供的量化模型可以方便的确定实际应用过程中所需固化剂的添加量。
本发明的固化剂模量是基于四种固化材料对调节土壤双电层、调节水泥离子、提高土体环境pH值、土颗粒活性、促进水泥水化及凝结硬化及工程所需的早期强度角度出发选择固化材料，并应用响应面优化设计试验来确定使各组成成分通过一系列反应达到最佳的固化效果。固化剂针对淤泥质土的固化具有早期强度高、后期强度稳定、水稳性好、抗冻性能好等优点，重要的是，根据本发明提供的量化模型可以在实际工程应用中针对不同初始有机质含量和初始含水量可以定量调节其掺量，经济可靠。此外，添加剂所选择的矿渣和粉煤灰两种工业废渣，“变废为宝”，大大减小了成本，具有很好的工程应用价值。
具体实施方式
本发明提供了一种淤泥质土的固化处理方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以土体的初始有机质含量W1，初始含水量W2，固化剂掺量W3作为三个自变量，各自变量的编码水平与真实值的对应情况如表1所示。
表1响应面中心组合设计自变量及其编码水平
注：初始有机质含量W1、初始含水量W2和固化剂掺量W3以土的质量为计算基数。X1＝(W1-13％)/5％,X2＝(W2-90％)/5％,X3＝(W3-10％)/2％
表1中，考虑到响应面设计中心值的选取以及初始有机质含量变化的敏感性，将初始有机质含量W1(％)的中心水平定为13％；通过单掺试验，将初始含水量W2(％)和固化剂掺量W3(％)的中心值定为90％和10％。以三因素(X1，X2，X3)五水平(-1.682，-1，0，1，1.682)的响应面中心组合设计安排试验。
以下实施例土壤选用宁波地区软基淤泥质土，其性能指标见表2，检测得到的土体的初始有机质含量和初始含水量与其对应编码值的换算结果见表3。
表2土样的物理指标
表3初始有机质含量和初始含水量与其对应编码值的换算
实施例1
取编号为1的淤泥质土样，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，根据表3中换算的编码值带入到(1)式中，公式(1)简化为Y＝1290.77+124.72X3+9.92X3 2；按配比添加不同量的固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，固化剂掺量从6％变化到12％时，将混合物搅拌均匀制成3个的圆柱体平行试样，标准养护28天。固化土强度值如表4所示：
表4土样1量化模型预测强度与实测强度比较
实施例2
取编号为2的淤泥质土样，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，根据表3中换算的编码值带入到(1)式中，公式(1)简化为Y＝1270.48+122.26X3+9.92X3 2；按配比添加不同量的固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，固化剂掺量从6％变化到12％时，将混合物搅拌均匀制成3个的圆柱体平行试样，标准养护28天。固化土强度值如表5所示：
表5土样2量化模型预测强度与实测强度比较
实施例3
取编号为3的淤泥质土样，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，根据表3中换算的编码值带入到(1)式中，公式(1)简化为Y＝1236.57+118.96X3+9.92X3 2；按配比添加不同量的固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，固化剂掺量从6％变化到12％时，将混合物搅拌均匀制成3个的圆柱体平行试样，标准养护28天。固化土强度值如表6所示：
表6土样3量化模型预测强度与实测强度比较
实施例4
取编号为4的淤泥质土样，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，根据表3中换算的编码值带入到(1)式中，公式(1)简化为Y＝1075.11+114.02X3+9.92X3 2；按配比添加不同量的固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，固化剂掺量从6％变化到12％时，将混合物搅拌均匀制成3个的圆柱体平行试样，标准养护28天。固化土强度值如表7所示：
表7土样4量化模型预测强度与实测强度比较
实施例5
取编号为5的淤泥质土样，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，根据表4中换算的编码值带入到(1)式中，公式(1)简化为Y＝513.70+110.74X3+9.92X3 2；按配比添加不同量的固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，固化剂掺量从6％变化到12％时，将混合物搅拌均匀制成3个的圆柱体平行试样，标准养护28天。固化土强度值如表8所示：
表8土样5量化模型预测强度与实测强度比较
Claims (5)
1.一种淤泥质土的固化处理方法，其特征在于，包括，检测土体的初始有机质含量和初始含水量，结合工程实际需要的无侧限抗压强度，根据量化模型确定固化剂掺量，据此掺量加入固化剂对淤泥质土进行固化处理；
所述量化模型如下：
Y＝1186.86-88.52X1-86.89X2+73.71X3-41.14X1X3-20.68X1 2-72.70X2 2+9.92X3 2 (1)
式(1)中，Y表示固化土28天的无侧限抗压强度，X1表示土体的初始有机质含量W1在响应面优化设计中的编码值、X2表示土体的初始含水量W2在响应面优化设计中的编码值、X3表示固化剂掺量W3在响应面优化设计中的编码值。
2.根据权利要求1所述的淤泥质土的固化处理方法，其特征在于，以土体的质量为计算基数，X1＝(W1-13％)/5％,X2＝(W2-90％)/5％,X3＝
(W3-10％)/2％。
3.根据权利要求1所述的淤泥质土的固化处理方法，其特征在于，所述固化剂中，各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％。
4.根据权利要求1所述的淤泥质土的固化处理方法，其特征在于，所述土体的初始有机质含量为6～8％。
5.根据权利要求1所述的淤泥质土的固化处理方法，其特征在于，所述土体的初始含水量为85～105％。
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