黄泛区粉砂土的复合稳定方法

技术领域

本发明涉及一种用于改善、提高黄泛区粉砂土性能的新方法，属于道路建筑材料及道路修筑技术领域。

背景技术

黄泛区粉砂土是黄河两岸及周边地区特有的一种土质，具有质地疏松，易吸湿、塑性指数低、渗透性较好等特点。黄泛区粉砂土属于含砂粉土，粉类土毛细水上升速度快、高度大，负温时水分聚积严重，在水分增多后，土体结构极易丧失稳定，产生沉陷变形、纵裂、翻浆、冻融、坍塌等破坏。黄河冲淤积平原处于季节性冰冻区，地下水位较浅，平均只有1.5m左右，土的毛细作用强烈，故水对黄泛区粉砂土路基的影响巨大。对于黄泛区的粉砂土路基，地下水通过毛细作用向上渗透是水浸入路基路面的主要途径之一。现在常规的做法是，掺加水泥对粉砂土性能进行改善作为基层，即水泥稳定法。但是，此方法仍然没有解决基层材料强度较低、容易受毛细水危害的缺点。

甲基硅酸钠溶液是一种碱性、无毒性化学物品，甲基硅酸钠作为一种新型刚性建筑防水材料，具有优异的力学性能及良好的渗透结晶性，分子结构中的硅醇基与硅酸盐材料中的硅醇基反应脱水交联，在结构材料表面及内部生成一层几个分子厚的不溶性防水高分子化合物，即网状的有机硅树脂膜，从而实现“反毛细管效应”形成优异的憎水层。同时，具有微膨胀性、增加密实度性能，早期强度增长较快，后期强度较大，可以提高路基路面的整体防水及结构稳定性能。目前尚未见到甲基硅酸钠在黄泛区粉砂土中运用。

发明内容

本发明之目的是提供一种生产成本低、工艺切实可行、环保无污染和路用性能优良的利用甲基硅酸钠、聚丙烯酰胺、粉煤灰、石灰稳定黄泛区粉砂土的方法。

本发明通过优化甲基硅酸钠水溶液、聚丙烯酰胺、粉煤灰、石灰、粉砂土的配合比，通过试验测试各组稳定土的性能指标，得到最佳的配合比实现本发明目的，具体技术方案如下：

现场施工时，先将聚丙烯酰胺、粉煤灰、石灰、粉砂土充分均匀混合，然后加入甲基硅酸钠水溶液拌均，平铺或洒布于工作面上，振动压路机碾压3～5遍，静压收光，施工结束后，表面保湿养生5-7天。

各组分重量百分比为：

甲基硅酸钠水溶液： 2-5%

非离子型聚丙烯酰胺：       0.5-2%  

粉煤灰：           20-50%

石灰：             5-15%

粉砂土：           30-70%

其中，甲基硅酸钠水溶液的质量百分浓度为15%，由市售30%甲基硅酸钠水溶液以普通淡水或自来水稀释而成；聚丙烯酰胺分子量优选300-1000万，粉煤灰、石灰、粉砂土风干并过5mm筛。

本发明具有如下有益效果：原材料来源广，易于生产和调配，所使用材料无毒、无刺激性气味，不燃、不爆、不挥发，对环境无污染，完全符合安全环保要求。该方法现场施工时采用现有设备，不用添加新设备，易于现场施工操作。经施工后的路面很好地避免了路面沉陷变形、纵裂、翻浆、冻融、坍塌等。

此外，粉煤灰含有大量铝盐，铝盐与聚丙烯酰胺的酰胺键进行反应，将多个聚丙烯酰胺分子交联起来，形成网络状结构，增加对土壤颗粒的包裹能力。同时，更多的亲水性的酰胺键被消耗，增加包覆表面的憎水性质，也有助于提高粉沙土的抗水崩解能力。利用交联反应将线型的聚丙烯酰胺分子变成体型高分子，提高了粉沙土的抗压强度。铝离子和羟合铝离子也能通过离子交换进入双电层中，减弱双电层的强度。另一方面，石灰溶解电离产生的氢氧根离子，促进聚丙烯酰胺的酰胺基团水解，水解产生的NH₄⁺能较容易地进入矿物层间，降低土壤的吸水膨胀性；在整个反应过程中，土壤颗粒表面的负电荷被转移到聚丙烯酰胺链上，颗粒表面的位能转移给土壤溶液中的氢氧根离子。反过来，酰胺基团的水解减少了土壤溶液中的氢氧根离子浓度，促进石灰溶解平衡正向移动,进一步增加了土壤溶液中的Ca²⁺浓度，有利于土体强度的形成和水稳定性的提高。

本发明按一定比例掺入甲基硅酸钠、聚丙烯酰胺、粉煤灰、石灰，能够提高粉砂土的无侧限抗压强度及抗渗性能，具有反毛细水作用，限制毛细水上升，从而获得力学和水、温性能俱佳的路基路面结构，防止路基路面破坏，延长道路的寿命。将工业废渣粉煤灰再利用，有利于实现低碳环保，同等强度条件下，可以节约大量水泥。本发明方法可以降低养护成本，保证道路服务水平，提高道路投资的经济效益和社会效益。

为了证实本发明的有益效果，将本发明方法与传统水泥稳定粉砂土的性能进行对比分析。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）分别测试3d、7d、28d无侧限抗压强度，测试结果见图1～2。

渗透系数K是综合反映土体渗透能力的一个指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。渗透系数愈大，透水性越强，反之越弱。可以通过试验方法确定K值来验证本发明方法的抗渗透性能。

试验时，取两个截面为A的透明塑料筒，在两个筒中分别装水泥稳定粉砂土及本发明方法稳定粉砂土试样，分6层装填，每层填土2cm，用木棍均匀振捣。试样静置养生7d，使其充分固结反应。土样制备完毕后，打开水阀，使水自上而下流经两试样，经出水口排出。待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间t内流经试样的水量V，按公式 K=(V×L) / (A×△h×t)测定水泥稳定粉砂土及本发明方法稳定粉砂土试样的渗透系数。

附图说明

图1为本发明的复合稳定方法与传统的水泥稳定粉砂土不同龄期的破坏荷载对比分析图；

图2为本发明的复合稳定方法与传统的水泥稳定粉砂土不同龄期的无侧限抗压强度对比分析图；

图中：—Δ—为水泥稳定粉砂土； —·—为本发明复合稳定粉砂土。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步对发明进行描述，但不对本发明产生任何限制。

对比实施例1：

将风干并过5mm筛的粉砂土700g，水泥105g，水87.4g，放入不吸水托盘中，人工拌合均匀，按一个标准试件203.1g，称取三份，分别制成Φ50×50mm试块，密封进行标准养生。采用电脑恒应力压力试验机，以0.05kN/s的速度连续均匀地对试件加荷载，直至试件破坏，记录破坏荷载。测得的7d无侧限抗压强度为1.52MPa。同时按前述实验方法测试该配方样品渗透系数为1.09×10^-4。

实施例1：

将风干并过5mm筛的粉砂土600g，粉煤灰300g，石灰60g，分子量300万聚丙烯酰胺10g，质量百分比15%的甲基硅酸钠水溶液30g，拌合均匀，按一个标准试件203.1g，称取三份，分别制成Φ50×50mm试块，密封进行标准养生。采用电脑恒应力压力试验机，以0.05kN/s的速度连续均匀地对试件加荷载，直至试件破坏，记录破坏荷载。测得的7d无侧限抗压强度为1.59MPa，同时按前述实验方法测试该配方样品渗透系数为8.84×10^-5。

实施例2：

将风干并过5mm筛的粉砂土700g，粉煤灰200g，石灰60g，分子量300万聚丙烯酰胺10g，质量百分浓度15%的甲基硅酸钠水溶液30g，搅拌均匀，按一个标准试件203.1g，称取三份，分别制成Φ50×50mm试块，密封进行标准养生。采用电脑恒应力压力试验机，以0.05kN/s的速度连续均匀地对试件加荷载，直至试件破坏，记录破坏荷载。测得的7d无侧限抗压强度为1.56MPa，同时按前述实验方法测试该配方样品渗透系数为8.92×10^-5。

由图1可知，对于同样的配合比，随着养生时间的增长，需要的破坏荷载增大。对于不同的配合比，新方法稳定粉砂土需要的破坏荷载均较大。对于普通的水泥稳定粉砂土，养生3d、7d、28d试件需要的破坏荷载分别为2.13 kN、2.99 kN、3.39 kN。新方法稳定粉砂土，养生3d、7d、28d试件需要的破坏荷载分别为2.51 kN、3.13 kN、3.96 kN。

由图2可知，对于同样的配合比，随着养生时间的增长，无侧限抗压强度增大，龄期3d、7d、28d水泥稳定粉砂土的无侧限抗压强度分别为1.09MPa、1.52MPa、1.73MPa。对于不同的配合比，新方法稳定粉砂土的无侧限抗压强度明显增大。相比之下，新方法稳定粉砂土对应强度分别达到1.28 MPa、1.59 MPa、2.02 MPa，分别增加了17.43%、4.61%、16.76%。这充分说明，新方法稳定粉砂土能明显提高无侧限抗压强度。

由图2可知，新方法稳定粉砂土7d强度比3d强度增加了24.22%，28d强度比7d强度增加了27.04%，28d强度比3d强度增加了57.81%，3d强度已达到28d强度的63.37%，7d强度已达到28d强度的78.71%。说明前期增加较快，后期增加较慢，前3d增加最快，7d强度能很好的代表28d强度。

采用实施例2配比进行现场施工，平铺或洒布于工作面上，振动压路机碾压3～5遍，静压收光，施工结束后，表面保湿养生5-7天。经施工后的路面，经2年观察，很好地避免了路面沉陷变形、纵裂、翻浆、冻融、坍塌等缺陷。