利用磷尾矿及秸秆灰改良的膨胀土地基及其施工方法
文献发布时间：2023-06-19 18:46:07
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种利用磷尾矿及秸秆灰改良的膨胀土地基及其施工方法。
背景技术
膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂隙并有显著胀缩性的土体。膨胀土在我国分布广泛，是由强亲水性矿物蒙脱石与伊利石组成的高塑限黏土。膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩并反复变形的工程特性，在动荷载反复作用下，膨胀土会产生不可恢复的永久变形，引起土体变形过大及破坏。建造在膨胀土地基上的建筑物，地基会跟随着季节、气候的变化，反复地产生不均匀的抬升和下沉，从而引起建筑物结构破坏，它的破坏有以下规律：(1)建筑物的变形和开裂破坏具有地区性成群出现的特点，建筑物开裂的缝隙随着气候变化不断地张开和闭合。(2)房屋在水平和垂直方向都受弯矩和扭力的作用，因此在房屋转角处先开裂。(3)膨胀土组成的边坡相对不稳定，因此膨胀土地基会产生水平和垂直方向的变形或破坏，建筑在坡地上的建筑物相对于平地上的破坏更严重。
到目前为止，膨胀土改良方法主要有：夯实法、物理改良法、化学改良法、保湿法、换士法和生物改良法。其中，这7种方法中比较常用的、已经具备完整体系的方法为石灰、水泥改良，这两种方法都是利用硅酸盐和铝的水化物与土颗粒相互间的胶结作用，随着胶结物逐渐脱水和新生矿物的用硅酸盐和铝的水化物与土颗粒相互间的胶结作用，随着胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用，形成胶凝成分来胶结土壤、堵塞土壤的毛细结构，从而降低液限，增大土体的抗剪强度。这是目前较为成功的土壤固化剂，但石灰和水泥与土的反应速度较慢，所生成的水化物强度较低，耐久性较差，而且石灰掺量在8％以上，水泥掺量在6％以上才能达到的水化物强度较低，耐久性较差，而且石灰掺量在8％以上，水泥掺量在6％以上才能达到一定的效果，施工费用有点高，施工时需要反复拌和均匀，周期长，耗工时，且不易把握，容易出现质量隐患。
同时它也存在污染环境、不利于绿化等问题。为寻求经济、有效、环保的膨胀土填料改良新途径，国内外学者从不同途径提出了大量添加剂方法，其中高分子材料作为添加剂已成为热点。但是，目前国内的添加方案的试验效果并不理想、而且可推广性差。
磷尾矿是磷矿资源经过分选得到磷精矿后产生的尾矿，每生产1t磷精矿，就要产生0.44t尾矿，每吨磷尾矿及秸秆灰的价格仅用20～40元。磷矿尾矿的大量堆积不仅会占用大面积的土地和农田资源，耗费较多的堆场建设和维护费用；而且露天存放，长期受风吹、日晒、雨淋，有害成分会通过大气、土壤地表或地下水等介质破坏生态环境，降低农作物产量和质量，直接或间接影响当地居民健康；尾矿库区表面产生的粉尘会恶化周围地区的卫生条件；尾矿中的有关成分以及残留的选矿剂也对生态环境造成严重的危害。
据调查，每年全国秸秆的产量大约是9亿吨，至少有一半的秸秆被浪费，并且秸秆的价格非常低，因此利用磷尾矿及秸秆灰代替石灰、粉煤灰等常规材料改良膨胀土，可以充分的利用工业废弃物，降低天然资源消耗。因此，磷尾矿和秸秆的回收利用不仅可以带来经济上的效益还可以减少对环境的危害。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明通过所加入的矿渣及灰渣能够有效地填充空隙，改善膨胀土的工程性质，能显著的提高膨胀土地基的动强度，降低膨胀土的自由膨胀率，并且提高膨胀土的动黏聚力，从而能够有效地解决了膨胀土的涨缩变形带来的路基破坏问题及提高膨胀土的强度，易于推广。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种利用磷尾矿及秸秆灰改良的膨胀土地基，其特征在于：所述膨胀土是由磷尾矿+秸秆灰+膨胀土+水按质量比配制而成；
所述磷尾矿最大干密度为1.7g/cm
所述磷尾矿掺入量占工程土总质量的2～10％，秸秆灰掺入量占工程土总质量的0.5～3％；
控制含水率为18％。
作为优选方案，所述的磷尾矿以质量百分比计，主要含有：Fe
进一步地，所述的秸秆灰以质量百分比计，主要含有：Fe
第二方面，本发明提供一种如上述的利用磷尾矿及秸秆灰改良的膨胀土地基的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将磷尾矿矿渣及秸秆灰渣与膨胀土拌合均匀得到混合土；
S2：通过击实试验确定混合土的最佳含水率；
S3：调整步骤S1中得到的混合土的含水量保持在最佳含水率，拌合均匀后室温保湿静置12h，即可得到所述改良的膨胀土。
作为优选方案，所述步骤S1中：按磷尾矿质量与干土质量之比为2％～10％的比例，掺加秸秆灰占工程土总质量的0.5～3％，拌合均匀得到混合土。
第三方面，本发明提供一种如上述利用磷尾矿及秸秆灰改良的膨胀土地基的施工方法，其特征在于：
施工步骤为：将得到的磷尾矿及秸秆灰改良土在施工面铺设，厚度为25～65cm，先用推土机将地面进行大致整平，然后利用大型压路机进行压实，将路面精确推平，达到路面施工要求的压实度。
本发明的作用原理如下：
磷尾矿及秸秆灰掺入膨胀土中，磷尾矿和秸秆灰主要成分是CaO,两者改良膨胀土的机理包括以下方面：氧化物遇水形成Ca
相较于现有技术，本发明的优点及有益效果如下：
鉴于现有技术施工时间长，花销大，不利于环境，本发明的方案还考虑了废物循环利用(利用了秸秆灰)，具体优点为：
1、使用磷尾矿及秸秆灰掺入膨胀土，可以有效地提高地基土体的动强度和土的动黏聚力，降低膨胀土的自由膨胀率。
2、改良后的膨胀土具有涨缩性小，耐用，稳定性强等特点。
3、与石灰改良膨胀土的方法相比较，用磷尾矿及秸秆灰的成本更低，具有良好的经济效益。
4、采用磷尾矿及秸秆灰代替石灰，减少二氧化碳的排量，而且不会产生过量的环境污染，具有良好的社会效益。
具体实施方式
以下结合具体实施例和试验数据对本发明的技术方案进行更加清楚、完整地描述和分析，下述实施例中的膨胀土土样取自湖北省某工地自由膨胀率为58％，为中膨胀土，其物理力学参数见表1。磷尾矿取自湖北省某一磷矿加工现场，颜色为灰褐色呈粉末状。其化学成分见表2。
表1土体基本物理参数
表2磷尾矿主要化学成分
表3秸秆灰主要化学成分
实施例1
用磷尾矿及秸秆灰改良膨胀土的制备方法，步骤如下：
S1：配置1000g混合土，按质量百分比磷尾矿：秸秆灰：膨胀土＝2：1：97，称所取改良土体的干土质量970g，磷尾矿20g，秸秆灰10g，混合均匀，得到混合物。
S2：通过击实试验确定混合土的最佳含水率为18％。
S3：将180g的水加入步骤S1的混合物中，分层加水搅拌均匀，在室温保湿静置12h,即可得到磷尾矿及秸秆灰改良的膨胀土。
改良施工步骤为：将得到的磷尾矿及秸秆灰改良土在施工面铺设，厚度为25～65cm，先用推土机将地面大致进行场地平整，然后利用大型压路机进行压实，将路面精确推平，达到路面施工要求的压实度。
改良效果：
对以上磷尾矿及秸秆灰改良膨胀土进行动三轴试验、击实试验、与无荷自由膨胀试验试验。
试验结果表明：与未添加磷尾矿及秸秆灰的膨胀土相比，纯膨胀土的自由膨胀率58％，胀缩总率为5.120％，加入磷尾矿及秸秆灰，当磷尾矿掺入率2％时，改良土体的自由膨胀率仅为26％，胀缩总率仅为0.270％，动强度为提高了26.2％，内摩擦角最大值提高了36％。
实施例2
用磷尾矿及秸秆灰改良膨胀土的制备方法，步骤如下：
S1：配置1000g混合土，按质量百分比磷尾矿：秸秆灰：膨胀土＝5：1：94，称所取改良土体的干土质量940g，磷尾矿50g，秸秆灰10g，混合均匀，得到混合物。
S2：通过击实试验确定混合土的最佳含水率为18％。
S3：将180g的水加入步骤S1的混合物中，分层加水搅拌均匀，在室温保湿静置12h,即可得到磷尾矿及秸秆灰改良的膨胀土。
改良施工步骤为：将得到的磷尾矿及秸秆灰改良土在施工面铺设，厚度为25～65cm，先用推土机将地面大致进行场地平整，然后利用大型压路机进行压实，将路面精确推平，达到路面施工要求的压实度。
改良效果：
对以上磷尾矿及秸秆灰改良膨胀土进行动三轴试验、击实试验、与无荷自由膨胀试验试验。
试验结果表明：与未添加磷尾矿及秸秆灰的膨胀土相比，纯膨胀土的自由膨胀率58％，胀缩总率为5.120％，加入磷尾矿及秸秆灰，当磷尾矿掺入率5％时，改良土体的自由膨胀率仅为15％，胀缩总率仅为0.097％，动强度提高了54.4％，内摩擦角最大值提高了43％。
实施例3
用磷尾矿及秸秆灰改良膨胀土的制备方法，步骤如下：
S1：配置1000g混合土，按质量百分比磷尾矿：秸秆灰：膨胀土＝8：1：91，称所取改良土体的干土质量910g，磷尾矿80g，秸秆灰10g，混合均匀，得到混合物。
S2：通过击实试验确定混合土的最佳含水率为18％。
S3：将180g的水加入步骤S1的混合物中，分层加水搅拌均匀，在室温保湿静置12h,即可得到磷尾矿及秸秆灰改良的膨胀土。
改良施工步骤为：将得到的磷尾矿及秸秆灰改良土在施工面铺设，厚度为25～65cm，先用推土机将地面大致进行场地平整，然后利用大型压路机进行压实，将路面精确推平，达到路面施工要求的压实度。
改良效果：
对以上磷尾矿及秸秆灰改良膨胀土进行动三轴试验、击实试验、与无荷自由膨胀试验试验。
试验结果表明：与未添加磷尾矿及秸秆灰的膨胀土相比，纯膨胀土的自由膨胀率58％，胀缩总率为5.120％，加入磷尾矿及秸秆灰，当磷尾矿掺入率8％时，改良土体的自由膨胀率仅为17.5％，胀缩总率仅为0.103％，动强度提高了45.6％，内摩擦角最大值提高了44％。
实施例4
用磷尾矿及秸秆灰改良膨胀土的制备方法，步骤为：
S1：配置1000g混合土，按质量百分比磷尾矿：秸秆灰：膨胀土＝10：1：90，称所取改良土体的干土质量890g，磷尾矿100g，秸秆灰10g，混合均匀，得到混合物。
S2：通过击实试验确定混合土的最佳含水率为18％。
S3：将180g的水加入步骤S1的混合物中，分层加水搅拌均匀，在室温保湿静置12h,即可得到磷尾矿及秸秆灰改良的膨胀土。
改良施工步骤为：将得到的磷尾矿及秸秆灰改良土在施工面铺设，厚度为25～65cm，先用推土机将地面大致进行场地平整，然后利用大型压路机进行压实，将路面精确推平，达到路面施工要求的压实度。
改良效果：
对以上磷尾矿及秸秆灰改良膨胀土进行动三轴试验、击实试验、与无荷自由膨胀试验试验。
试验结果表明：与未添加磷尾矿及秸秆灰的膨胀土相比，纯膨胀土的自由膨胀率58％，胀缩总率为5.120％，加入磷尾矿及秸秆灰，当磷尾矿掺入率10％时，改良土体的自由膨胀率仅为19.60％，胀缩总率仅为0.313％，动强度提高了19.6％，内摩擦角最大值提高了23％。