一种粉土石灰联合改良膨胀土作路基填料的制备方法

摘要

本发明涉及一种粉土石灰联合改良膨胀土作路基填料的制备方法。采用低掺量的生石灰“砂化”高含水率膨胀土，迅速降低高含水率膨胀土的含水率和塑性，使膨胀土易于粉碎，增强膨胀土和粉土的施工和易性；掺入粉土改变膨胀土的颗粒级配和孔隙结构，降低膨胀土和粉土混合土的胀缩性，实现粉土石灰联合改良膨胀土并用作路基填料的目的。本发明根据膨胀土膨胀潜势等级调整粉土与生石灰的具体掺量，可大幅度降低膨胀土的胀缩潜势并提高其强度与压实性能，显著降低生石灰用量；粉土和膨胀土均为不能直接用于路基填筑的不良土，本方法实现粉土和膨胀土的资源化利用，变废为宝，减少对不可再生资源的消耗，节约成本，且施工工艺简单可行，具有工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及膨胀土改良方面，具体来说，涉及一种改良膨胀土路基填料，一种粉土石灰联合改良膨胀土作路基填料的制备方法。

背景技术

膨胀土是自然地质形成过程中产生的一种多裂隙、并具有显著胀缩性的地质体，膨胀土因自身的不良工程性质及其对外界气候与环境变化的敏感性常带来如地基隆起、路面开裂、边坡失稳等问题，这也决定了膨胀土成为公路工程中一个持续性的棘手问题。

目前公路中常用土质改良法处理膨胀土，从膨胀土的土质改良实质出发，按机理的不同可以划分为物理改良、化学改良、生物改良及复合材料改良等新型改良方法，采用水泥、石灰等化学改良剂是膨胀土路堤工程中采用最多的传统方法，对膨胀土的胀缩特性有明显的抑制效果，适当提高膨胀土的力学指标和路用性能，但高掺量的水泥石灰也对公路周边的植被、环境一定的破坏作用，造价较高，且膨胀土经化学改性后也具有一定的时效性，这对膨胀土路基有着潜在的危害。物理改良是依靠土体颗粒间的嵌挤咬合作用来抵消膨胀力作用，对时间的敏感度低，目前物理改良多采用碎石、风化砂等粒径相对较大的材料，但在施工时也会存在难以压实的问题。

粉土分布广泛，是一种介于砂性土和粘性土之间的过渡类型土，工程性质既与砂性土不同，又与粘性土有较大区别，体现出低粘结性、高分散性、易冲蚀等不良特性，在公路工程中粉土通常也需进行改良处理。粉土作为物理改良膨胀土的改良材料，通过改变膨胀土颗粒所处的外部环境条件降低土体胀缩性。将工程性质较差的粉土与膨胀土结合处理，可以就地取材，减少石灰掺量，降低运输等成本，实现变废为宝。

发明内容

本发明提供一种粉土石灰联合改良膨胀土作路基填料的制备方法。并提供粉土石灰联合改良膨胀土做路基填料的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供下述技术方案：

本发明所述的粉土石灰联合改良膨胀土作路基填料的制备方法，适用于改良中弱膨胀土，该填料包括：待处理膨胀土、粉土、生石灰；待处理膨胀土分为弱膨胀土、中膨胀土；

步骤(1)、为根据待处理膨胀土的自由膨胀率，确定生石灰的具体掺量，并掺拌均匀闷料1～3天，迅速降低膨胀土含水率与塑性，砂化膨胀土；

待处理膨胀土为自由膨胀率介于40％～60％的弱膨胀土时，生石灰掺量取值为2.5％～3.0％；

待处理膨胀土为自由膨胀率介于60％～90％的中膨胀土时，生石灰掺量取值为3.0％～3.5％；

步骤(2)、为根据待处理膨胀土的自由膨胀率和拟用粉土的塑性指数，确定粉土的具体掺量，并与步骤(1)中石灰砂化完成后的膨胀土掺拌均匀后分层填筑路基；

待处理膨胀土为自由膨胀率介于40％～60％的弱膨胀土时，粉土掺量取值为30％～35％；

待处理膨胀土为自由膨胀率介于60％～90％的中膨胀土时，粉土掺量取值为35％～40％；

其中粉土掺量为粉土干重占膨胀土、生石灰、粉土三种材料总干重的百分比；生石灰掺量为生石灰干重占膨胀土与生石灰干重之和的百分比。

本发明所述的粉土石灰联合改良膨胀土作路基填料的制备方法，根据粉土的塑性指数调整粉土掺量；

粉土塑性指数小于7时，维持步骤(2)粉土掺量；

粉土塑性指数介于7～10时，增加步骤(2)粉土掺入量5％～10％。

作为本发明的进一步优选，所述粉土自然风干或人工干燥至含水量不超过20％。

采用上述粉土石灰联合改良膨胀土的路基填筑施工工艺，包括如下步骤：

第一步，查明待处理膨胀土膨胀潜势等级及拟用粉土的塑性指数，根据拟用粉土与生石灰具体掺量计算场地每平方米膨胀土、粉土所需土方量及石灰所需量。

第二步，膨胀土运至现场，对于直径超过5cm的块料应进行人工或机械打碎或剔除，采用推土机将膨胀土摊铺粗平，摊铺厚度20cm左右。

第三步，将砂化所需量的生石灰，按每平米所需生石灰量打格布灰，拌和后闷料1～3天，生石灰充分消解完成。

第四步，将粉土运至现场与砂化完成的膨胀土初步拌和摊铺，实测含水量，人工晾晒或洒水使得混合填料含水量高于最佳含水率1％～2％，多次拌和均匀，混合土摊铺厚度30cm左右。

第五步，平地机整平，先慢速碾压2～3遍，后强振碾压3～4遍，每层压实厚度不超过20cm。

第六步，压实完成后进行压实度、含水率、平整度检测。如若现场压实度、平整度未达标，应根据含水率的情况采取洒水或晾晒控制含水率，并进一步碾压和压实度检测，完成后进行保湿养护。

上述第三步、第四步中的路拌法可以替换为厂拌法。

厂拌法：在拌和设备中先加入膨胀土和石灰拌和均匀后闷料砂化，之后再砂化完成后的膨胀土与粉土在拌和设备中拌和均匀，之后再运至要填筑处，均匀摊铺，进行整平、压实。

粉土石灰改良膨胀土路基填料的改良机理：

粉土的掺入改变了膨胀土的颗粒级配，人为的减少了膨胀土中粘粒含量，从而减小了胀缩特性。粉土颗粒较大，掺入膨胀土中能增大改良膨胀土的内摩擦角，通过两种土颗粒之间的嵌挤咬合作用抵消膨胀土的胀缩潜力，从而降低膨胀土的胀缩特性。由于粉土粒径相对于砂粒和碎石等相对较小，与块状膨胀土无法拌和均匀，在粉土与膨胀土拌和前通过少量的生石灰与膨胀土混合，降低天然膨胀土的含水率，大幅度降低膨胀土的塑性，使得膨胀土易破碎，从而实现膨胀土与粉土均匀混合的目的。且石灰与膨胀土的物理化学反应改善了膨胀土的胀缩性，同时提高了膨胀土的强度。

采用本发明提供的粉土石灰联合改良膨胀土路基填料优点为：

1)在公路工程沿线同时包括粉土和膨胀土时，可就地取材将粉土作为改良材料对膨胀土进行改良达到抑制其胀缩变形的效果，实现了变废为宝，在经济上可以节约膨胀土处理工程投资，具有较高的经济价值。

2)粉土为无毒无害的天然材料，对环境友好，不会造成周边植被及地下水的污染，相对于完全采用高掺量石灰水泥等改良材料的化学改良方法，石灰掺量降低至2.5％～3.5％，更符合绿色环保的主题。

3)粉土作为膨胀土物理改良材料，改良效果不随时间衰减，相比于传统化学改性改良的时效性，降低了膨胀土潜在的危害性。

4)粉土的掺入可以提高土体的早期强度，不需化学反应时间，且相较于碎石、砂砾等粒径较大的物理改良材料，改善了施工时难以压实的问题。

附图说明

图1是不同粉土与石灰掺量下的改良膨胀土的自由膨胀率变化图。

图2是不同粉土掺量下的改良膨胀土的击实特性变化图。

图3是不同粉土掺量下的改良膨胀土CBR值变化图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了粉土石灰联合改良膨胀土路基填料，是由：膨胀土、粉土、石灰和水组成的。根据待处理膨胀土的自由膨胀率及粉土的塑性指数，确定粉土与石灰的具体掺量。经室内试验确定改良膨胀土填料的最佳含水率后，控制含水率高于最佳含水率1％～2％时施工。

粉土石灰改良膨胀土路基填料的改良机理：

粉土的掺入改变了膨胀土的颗粒级配，人为的减少了膨胀土中粘粒含量，从而减小了胀缩特性。粉土颗粒较大，掺入膨胀土中能增大改良膨胀土的内摩擦角，通过两种土颗粒之间的嵌挤咬合作用抵消膨胀土的胀缩潜力，从而降低膨胀土的胀缩特性。由于粉土粒径相对于砂粒和碎石等相对较小，与块状膨胀土无法拌和均匀，在粉土与膨胀土拌和前通过少量的生石灰与膨胀土混合，降低天然膨胀土的含水率，大幅度降低膨胀土的塑性，使得膨胀土易破碎，从而实现膨胀土与粉土均匀混合的目的。且石灰与膨胀土的物理化学反应改善了膨胀土的胀缩性，同时提高了膨胀土的强度

一种粉土改良膨胀土路基填料的施工应用例，包括以下步骤：

第一步，施工准备；主要包括场地准备和测试桩点准备；

第二步，膨胀土破碎处理，对于直径超过5cm的块料应进行人工或机械打碎或剔除；考虑到粉土拌和，膨胀土路基填料每层摊铺厚度应20cm左右，完成铺土后，用推土机将其大致摊平，在布灰之前，以拟用灰剂量和不同含水量条件下石灰松散状态下的干容重为依据确定单位面积石灰用量，同时应在灰条出洒出灰线。

第三步，打网格布灰后，应进行石灰的拌和闷料砂化膨胀土，拌和使用专门的拌和机实施。拌合后应进行土堆闷料处理，闷料1～3天，闷料后应对膨胀土砂化效果进行筛分试验评价，判断是否达到与粉土拌和的验收标准。

第四步，已达砂化标准的石灰膨胀土，计算单位网格掺拌粉土质量，实测含水率并通过晾晒或洒水调整含水率高于最佳含水率1％～2％。改良膨胀土路基填料每层摊铺厚度不得超过30cm，压实厚度不得超过20cm。根据松铺厚度要求将土摊铺均匀，使其保持一致，为后续的机械化施工提供方便。完成铺土后，用推土机将其大致摊平，再用平地机进行整平，使厚度尽可能保持一致。按计算单位网格粉土质量进行均匀摊铺；拌和使用专门的拌和机实施，附以必要的工具和设备，应进行分次多次拌和，达到均匀无团聚体状态。

第五步，使用推土机对摊铺并拌和后的填料进行整平后碾压，检测压实度合格后进行保湿养生。

实施例1

对一种初始自由膨胀率为55％的弱膨胀土，在室内粉碎机粉碎拌和的条件下进行粉土、粉土石灰、石灰改良膨胀土的自由膨胀率试验结果如表所示。

自由膨胀率试验结果

从结果可以看出，仅用粉土改良膨胀土时，粉土掺量达到30％时，改良土的自由膨胀率低于40％，由弱膨胀土转变为非膨胀土，在40％掺量的基础上掺入2.5％石灰其自由膨胀率低于5.0％石灰单一改良膨胀土，可以看出粉土与石灰联合抑制膨胀土的胀缩性效果较好。

实施例2

对一种初始自由膨胀率为55％的弱膨胀土，不同粉土掺入量的粉土改良膨胀土进行击实试验，结果如图2所示。

由结果可知，在改良土的最大干密度达到峰值之前，其上升的趋势说明向膨胀土中掺加粉土可以一定程度上提高膨胀土的密实性，增大膨胀土的密实度，降低膨胀土的孔隙率，改善了膨胀土的压实特性，该压实控制指标的增大在一定程度上说明路基施工控制压实标准的提高，继而提高施工质量。

实施例3

对一种初始自由膨胀率为55％的弱膨胀土，不同粉土掺入量的改良膨胀土进行CBR试验，结果如图3所示。

96％压实度下，膨胀土素土的CBR值为6.3％<8％，不满足公路规范对高速公路、一级公路上路床的填料最小强度要求。粉土改良膨胀土大幅提升了膨胀土的CBR值，粉土含量较低时，其土颗粒悬浮在软弱膨胀土颗粒中，不能有效增加膨胀土的CBR值；而含量进一步提高时，土体大颗粒含量逐渐增多，形成较好的耦合结构，使得CBR值迅速增大。粉土可以大幅提高膨胀土的早期强度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。