一种高强度防冻型淤泥固化轻质土及制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度防冻型淤泥固化轻质土及制备方法。

背景技术

淤泥固化轻质土以其密度小、不可压缩、直立性好等特点，能够大幅度地降低填土、墙面荷载，抑制软基的沉降和侧移，已广泛应用于高桩码头、道路拓宽、矿洞回填等领域。

然而淤泥固化轻质土一般是由淤泥泥浆、固化剂和泡沫进行混合，形成以轻质土泥浆气泡为骨架的蜂窝状结构，具有含水率高(普遍超过100％含水率)、密实度低(气孔体积占比超过50％)、强度低(一般仅能达到相同配比无泡沫的淤泥固化土强度的30％-50％)的特点，因此在低温特别是负温环境下，淤泥固化轻质土受内部水结冰影响会严重抑制固化反应进程，极易出现冻胀、粉化、开裂、破碎等不良病害问题，严重影响结构稳定性及长期耐久性。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种高强度防冻型淤泥固化轻质土及制备方法。

本发明所采用的技术方案有：

一种防冻型高强度淤泥固化轻质土，所述轻质土按照重量份数，由下述组分组成：

淤泥泥浆160-200份、固化剂50-70份、泡沫3-5份、防冻剂1-2份、减水剂0.2-0.4份。

进一步地，所述固化剂为无机复合类固化剂，其按照重量份数，由下述组分复合而成：矿粉50-80份、石灰5-20份、水泥20-50份、硅酸盐活性废渣5-30份。

进一步地，所述泡沫由发泡剂水溶液经物理发泡制成，发泡剂的发泡倍率不低于30倍，泡沫半衰期大于30min。

进一步地，所述发泡剂水溶液由下列重量份数的组分配制而成：

α-烯烃磺酸钠1-2份，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠1-2份，十二烷基苯磺酸钠1-3份，动物蛋白类发泡剂1-2份，十二醇0.4-0.6份、水150-200份。

进一步地，所述淤泥泥浆由原状淤泥加水调制而成，淤泥泥浆含水率为150％-300％，原状淤泥有机质含量不大于4％。

进一步地，所述防冻剂为复合类防冻剂，由亚硝酸盐和低级饱和醇按照质量比(1-2)：1组成。

进一步地，所述亚硝酸盐为亚硝酸钙或亚硝酸钠中的一种或两种；

低级饱和醇为乙二醇或丙三醇的一种或两种。

进一步地，所述减水剂为木质素磺酸钙、萘系减水剂、聚羧酸减水剂中的一种或多种。

本发明还公开了一种防冻型高强度淤泥固化轻质土的制备方法，包括以下步骤：

1)淤泥泥浆的制备：

按比例称取原状淤泥和水，然后充分搅拌并制备出淤泥泥浆备用，淤泥泥浆静置存放，时间不大于1h；

2)发泡剂水溶液的准备：

按配制比例称取全部的水，将称量好的α-烯烃磺酸钠充分搅拌溶解于水中，静止5min，加入脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、动物蛋白类发泡剂持续搅拌5min，再加入十二烷基硫酸钠搅拌5min，最后加入十二醇持续搅8-10min，最终完成发泡剂水溶液制备；

3)泡沫的制备：

启动发泡机，发泡机管道自动吸入步骤2)中配制好的发泡剂水溶液，制备出泡沫，制备出的泡沫单独存放时间不大于10min；

4)固化轻质土的制备：

按比例一次性称取淤泥泥浆、固化剂、防冻剂和减水剂混合，先以50±5r/min的转速搅拌2min，然后再以120±5r/min的转速搅拌2min，最后加入步骤3)的泡沫，以50±5r/min的转速搅拌5min，完成固化轻质土的制备；所述轻质固化土能在-5℃的低温环境下正常固化，密度范围在0.8～1.2g/cm

本发明具有如下有益效果：

1)本发明淤泥固化轻质土具有轻质、强度高、防冻性能好、流动性能好等优点，可大幅度地降低填土、墙面荷载，减少软基的附加应力，抑制软基的沉降和侧移，简化路堤中地下结构物的结构设计，并且冬季早强性能良好，对于冬季施工优势突出，可应用于路堤、码头、道路等场景。

2)本发明中使用了无机/有机复合类防冻剂，其中无机组分选用了亚硝酸钙或亚硝酸钠中的一种或两种，有机组分选用了低级饱和醇为乙二醇或丙三醇的一种或两种。

亚硝酸钙及亚硝酸钠的主要作用如下：

(1)溶解在泥浆中能够降低水的冰点；

(2)水溶液呈碱性，能够激发固化剂反应活性，加快固化结构成型速率，提高淤泥固化轻质土的早期强度；

(3)少量增加淤泥固化轻质土硬化前的流动性，便于施工。

乙二醇及丙三醇的主要作用如下：

(1)溶解在泥浆中能够降低水的冰点；

(2)能够使冰晶体构造产生严重变形，减少冻胀应力，不易产生冻裂现象；

(3)表面活性高，能够分散固化剂颗粒分布，减少聚团现象，使固化剂与水能够充分接触，加快固化速率；

(4)属于亲油性物质，能够附着于由动物蛋白发泡形成的泡沫表面，提高表面黏度，有效减缓泡沫消散速率，达到一定的稳泡效果。

3)本发明解决了常规淤泥固化轻质土在低温环境下极易出现冻胀、粉化、开裂、破碎等不良病害的痛点，可以实现冬季低温条件下的正常施工，冰点以下呈流动态的轻质固化土不会结冰，可以正常发生固化反应，且具备高强特点。防冻型高强度淤泥固化轻质土可在-5℃的低温环境下正常固化，密度范围在0.8-1.0g/cm

具体实施方式

实施例1

本实施例中防冻型高强度淤泥固化轻质土配比如表1。

表1防冻型高强度淤泥固化轻质土配比

实施例2

本实施例中防冻型高强度淤泥固化轻质土配比如表2。

表2防冻型高强度淤泥固化轻质土配比

实施例3

本实施例中防冻型高强度淤泥固化轻质土配比如表3。

表3防冻型高强度淤泥固化轻质土配比

对比例1

本实施例中防冻型高强度淤泥固化轻质土配比如表4，与实施例1相比，本对比例中未添加防冻剂。

表4防冻型高强度淤泥固化轻质土配比

对比例2

本实施例中防冻型高强度淤泥固化轻质土配比如表5，与实施例1相比，本对比例中防冻剂添加量为0.5份。

表5防冻型高强度淤泥固化轻质土配比

对比例3

本实施例中防冻型高强度淤泥固化轻质土配比如表6，本对比例中固化剂添加量为40份。

表6防冻型高强度淤泥固化轻质土配比

对比例4

本实施例中防冻型高强度淤泥固化轻质土配比如表7，本对比例中泡沫添加量为2份。

表7防冻型高强度淤泥固化轻质土配比

实验例1

将各实施例和对比例得到的淤泥固化轻质土制成直径39.1mm、高度80mm的圆柱体试件，将制备完成的试件装入密封袋中放入-5℃的低温箱中进行养护28天，到达养护龄期后取出观测试件开裂情况，并按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》检测各试件的无侧限抗压强度及密度。

上述实施例与对比例的性能测试数据见表8。

表8实施例1-3与对比例1-4所得的防冻型高强度淤泥固化轻质土性能表

从上表可以看出，本发明制备的轻质土28d抗压强度不小于350kPa，密度范围在0.8-1.0g/cm3。

通过实施例1与对比例1、对比例2对比可知，防冻剂的引入解决了淤泥固化轻质土在负温下的开裂问题，同时防冻剂在添加量不足的情况下，可以避免整体开裂，但还是存在表层开裂问题，影响淤泥固化轻质土的强度。

通过实施例1与对比例3对比可知，固化剂的添加量不足会严重降低淤泥固化轻质土成品的强度，尤其在负温环境下表现得更为明显。

通过实施例1与对比例4对比可知，泡沫的添加量不足虽然有利于强度的提高，但淤泥固化土的密度也大幅度增加，无法满足轻质的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。