一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂及应用

技术领域

本发明涉及软土固化防渗技术领域，更具体地说是涉及一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂及应用。

背景技术

渠道边坡的护坡土体通常具有压缩性大、生态条件差、防渗性能差和抗冻融性能差等特点，通常渠道边坡护坡土体无法满足设计强度指标，冻融循环沉降变形特点等工程建设条件。为了利用渠道边坡的护坡土体，提高护坡土体的生态特性和防渗性，往往需要通过换填卵石、砾石垫层、临时快速修补等人工干预方式来改变土的粒径级配或表层黏土防水层的铺设面积以达到渠道边坡设计的防渗和抗冻融特性要求等。

传统的换填土层等渠道边坡的护坡处理和施工方法需要耗费大量的人力物力，后期维护和保养费用较高，工程建设时间较长，无法满足“四节一环保”的工程建设需要。现有大量研究主要集中在通过水泥、粉煤灰等无机材料将软土转换为强度更高的水泥土，从而对渠道边坡护坡土体进行固化处理。然而现有的无机材料固化剂加固技术虽已广泛应用，但是加固渠道边坡护坡软土存在抗渗能力差、破坏生态环境和防冻性差等缺点，难以达到环保和工程耐久性需求。而且，由于不同地区护坡土体性质差异大，引进的生态固化剂及其固化技术往往无法适应不同地区工程处理需要求。

因此，研究一种施工速度快、经济适用、效果显著、节约环保的渠道边坡软土有机固化剂是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂，由下述质量分数的原料组成：软土固化剂66～80％和土壤改良剂20～34％；其中，所述软土固化剂包括水15％～30％、砾石25％～38％、环氧树脂粘合剂20％～25％、热熔粘合复合纤维7％～23％、硅灰10％～13％和水泥5％～10％。

作为上述技术方案优选的技术方案，所述土壤改良剂包括：纸浆15％～22％，草炭19％～28％，硫酸铝17％～27％、硫酸锌4％～7％和腐殖土20％～39％。

作为上述技术方案优选的技术方案，所述生态固化剂包括水12％、砾石19％、环氧树脂粘合剂13％、热熔粘合复合纤维9％、硅灰9％、水泥7％、纸浆7.8％、草炭8.5％、硫酸铝6.5％、1.7％硫酸锌和6.5％腐殖土。

作为上述技术方案优选的技术方案，所述环氧树脂粘合剂包括：苯酚30％、甲醛17％、乙二胺35％、甘油醚10％和对叔丁基苯酚8％。

以上技术方案达到的技术效果是：该生态固化剂主要用于渠道边坡护坡软土加固、碱性土壤改良以及部分河滩平原盐碱土的固化处理，可提高土体抗渗性和冻融特性，提升土壤养分含量，保护生物多样性，具有施工速度快、经济适用效果显著、节约环保的特点。软土固化剂主要有水，砾石，硅灰，水泥和软土、腐殖土或淤泥质软土混合发生一系列物理化学反应，生成水化硅酸钙和蜂窝形固体混合物等高强结合物，增加土与砾石颗粒之间的联结作用，提高软土抗渗特性和冻融特性。此外掺入由苯酚，甲醛，乙二胺，甘油醚和对叔丁基苯酚结合形成的环氧树脂胶黏剂和热熔粘合复合纤维等有机材料与混合料之间通过胶体粘结剂聚合，减小土体孔隙形成高强聚合土。聚合土中的阳离子通过交换作用与有机材料和土壤改良剂中的氮钾等粒子置换，可有效减少土体双电层厚度。各类结合料相互反应结合，可进一步减少毛细吸水作用，通过分层振动夯实，能大大提升渠道边坡护坡土体的抗渗性能和冻融特性。同时，土壤改良剂的加入不仅能促进土体的聚合，还可以为土壤提供氮磷钾等营养物质，保证植物正常生长。在改变渠道边坡护坡土壤结构的物理力学性质基础上，减少环境污染和保护生物多样性。

一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂的制备方法，包括下述过程：

1)按比例称取水、砾石、环氧树脂粘合剂、热熔粘合复合纤维、硅灰和水泥拌和并均匀粉碎得到软土固化剂；

2)按比例称取纸浆、草炭、硫酸铝、硫酸锌和腐殖土，将其拌和，制得土壤改良剂；

3)向有软土固化剂中加入土壤改良剂，搅拌，使软土固化剂和土壤改良剂拌合均匀，制得生态固化剂。

作为上述技术方案优选的技术方案，软土固化剂和土壤改良剂拌合的温度为25～33℃，拌合时间为15～30min。

制备得到的生态固化剂在固化渠道边坡护坡软土中的应用。

一种固化渠道边坡护坡软土的方法，以所述的生态固化剂进行固化。

一种固化渠道边坡护坡软土的方法，过程包括：

对于渠道边坡碱性软土压实度较好且防渗性好的区域，将软土与生态固化剂放入喷洒装置内，刨除表层腐殖土，喷射固化土，保证表层固化土厚度为300mm、填筑碾压至180mm、成型养护；所述软土为边坡软土或其它地区的软土；

对于渠道边坡碱性软土压实度较好但防渗性不良的区域，采用层铺法，首先刨除渠道边坡表层松软腐殖土，撒铺厚度为300mm普通软土，软土上方均匀撒布一层厚度为30mm的生态固化剂，翻拌软土与生态固化剂，整平、碾压至180mm；继续重复以上步骤，直至渠道护坡满足设计要求；

对于渠道边坡碱性软土压实性不好且含水量较高的区域，首先刨除需要处理的软土，将软土和生态固化剂在20～25℃的温度条件下均匀拌合得到拌合土，回填卵石、砂砾石作为垫层材料，将拌合土回填，整平、分层碾压、成型养护。

在实际使用时，根据渠道边坡土体的性质及工程建设基础性能需求，确定固化剂掺量，生态固化剂掺量为软土质量的0.9～15％，然后将土与生态固化剂拌和均匀。铺料碾压，碾压需保证压实度95％以上；覆盖土工膜进行洒水养生，养生时间为5～7天。

经由上述技术方案可知，本发明达到的技术效果是：本发明的生态固化剂固化技术利用有机软土固化剂和土壤改良剂混合配制成胶体固化剂，该生态固化剂固化技术使原土体表层土壤与固化剂结合形成聚合物保护层，减少土体渗透性和冻融沉降，同时在换填软土内部形成富氮等营养物质的耕土，使原有渠道边坡护坡土体防渗性，抗冻融性和生态特性等满足工程实际需求。此方法利用有机胶黏材料和少量水泥固结快速提高软土的抗渗性能，添加纸浆，草炭，硫酸铝等物质以提高软土的抗冻融特性和内部营养物质，保证土体内部生物多样性，具有快速、经济、适用范围广和绿色环保等特点。

而且，本发明的生态固化剂经济性好，渠道边坡护坡软土通过无机材料、有机材料和生态改良剂结合作用可获得高于水泥土强度的拌合土。使用该生态固化剂处理的渠道边坡护坡土体早期和后期的抗渗性能约为相同掺量其他固化剂的1.3倍，冻融沉降高度约为相同掺量固化剂的0.6倍，且施工速度快，养护时间短，施工操作简单，可用于处理局部土体抗渗加固和护坡土体堆建施工。此外，施工过程可利用现有水泥土施工设备进行施工，不会出现离析和堵塞现象。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

实施例1

一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂，包括下述重量的功能组分：1.2kg水，1.9kg砾石，1.3kg环氧树脂粘合剂，0.9kg热熔粘合复合纤维，0.9kg硅灰、0.7kg水泥，0.78kg纸浆，0.85kg草炭，0.65kg硫酸铝，0.17kg硫酸锌，0.65kg腐殖土。

实施例2

一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂，包括下述重量的功能组分：2.2kg水，2.8kg砾石，2.3kg环氧树脂粘合剂，1.7kg热熔粘合复合纤维，1.6kg硅灰、1.8kg水泥，1.38kg纸浆，1.26kg草炭，1.35kg硫酸铝，1.12kg硫酸锌，1.78kg腐殖土。

实施例3

一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂，包括下述重量的功能组分：2.5kg水，4.0kg砾石，2.9kg环氧树脂粘合剂，2.7kg热熔粘合复合纤维，2.4kg硅灰、2.6kg水泥，1.99kg纸浆，1.33kg草炭，1.37kg硫酸铝，1.32kg硫酸锌，1.97kg腐殖土。

实施例4

一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂，包括下述重量的功能组分：4.5kg水，7.0kg砾石，4.0kg环氧树脂粘合剂，3.6kg热熔粘合复合纤维，3.9kg硅灰、2.6kg水泥，1.99kg纸浆，1.33kg草炭，1.37kg硫酸铝，1.32kg硫酸锌，1.97kg腐殖土。

上述碱性软土生态固化剂的制备过程为：称取原料，先将砾石、热熔粘合复合纤维、硅灰和水泥混合均匀，加入水和环氧树脂粘合剂得到有机软土固化剂，然后将纸浆、草炭、硫酸铝、硫酸锌，腐殖土混合均匀得到土壤改良剂，最后将有机软土固化剂与土壤改良剂拌和均匀得到生态固化剂。

实施例5

取黑龙江三江平原处某渠道边坡碱性软土，经2017-2021年连续观测得知：夏季该区域软土压实度较好且防渗性较好，为进一步提升其冬季防渗性能，对该区域软土进行以下处理：

1)按70％称取水、砾石、环氧树脂粘合剂、热熔粘合复合纤维、硅灰和水泥拌和并均匀粉碎得到软土固化剂；

2)按30％称取纸浆、草炭、硫酸铝、硫酸锌和腐殖土，将其拌和，制得土壤改良剂；

3)向有软土固化剂中加入土壤改良剂，拌合20min，拌合时温度控制在27℃，使软土固化剂和土壤改良剂拌合均匀，制得生态固化剂；

4)将黑龙江三江平原处某渠道边坡碱性软土与生态固化剂按55：1的比例放入喷洒装置内，搅拌，此时搅拌温度控制在20℃左右，刨除表层腐殖土，喷射固化土；

5)保证表层固化土厚度为300mm、填筑碾压至180mm、成型养护；

实施例6

取黑龙江哈尔滨木兰县某渠道边坡碱性软土，经2017-2021年连续观测得知：夏季该区域软土压实度较好但防渗性不良，为提升其防渗性能，对该区域软土进行以下处理：

1)按74％称取水、砾石、环氧树脂粘合剂、热熔粘合复合纤维、硅灰和水泥拌和并均匀粉碎得到软土固化剂；

2)按26％称取纸浆、草炭、硫酸铝、硫酸锌和腐殖土，将其拌和，制得土壤改良剂；

3)向有软土固化剂中加入土壤改良剂，拌合24min，拌合时温度控制在31℃，使软土固化剂和土壤改良剂拌合均匀，制得生态固化剂；

4)采用层铺法，首先刨除渠道边坡表层松软腐殖土，撒铺厚度为300mm普通软土，软土上方均匀撒布一层厚度为30mm的生态固化剂，翻拌软土与生态固化剂，翻拌温度控制在20℃，整平、碾压至180mm；继续重复以上步骤，直至渠道护坡满足设计要求。

实施例7

取黑龙江伊敏河和海拉尔河交汇处某渠道边坡碱性软土，经2014-2020年连续观测得知：夏季该区域压实性不好且含水量较高，为提升其防渗性能和强度，对该区域软土进行以下处理：

1)按80％称取水、砾石、环氧树脂粘合剂、热熔粘合复合纤维、硅灰和水泥拌和并均匀粉碎得到软土固化剂；

2)按20％称取纸浆、草炭、硫酸铝、硫酸锌和腐殖土，将其拌和，制得土壤改良剂；

3)向有软土固化剂中加入土壤改良剂，拌合30min，拌合时温度控制在33℃，使软土固化剂和土壤改良剂拌合均匀，制得生态固化剂；

4)首先刨除需要处理的软土，将黑龙江伊敏河和海拉尔河交汇处某渠道边坡碱性软土和生态固化剂在24℃的温度条件下均匀拌合得到拌合土；

5)回填卵石、砂砾石作为垫层材料，将拌合土回填；

6)整平、分层碾压至每层180mm、成型养护，直至待强度和防渗性能达到设计要求。

实施例8

参考规范《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的相关规定来进行。采用静力压实法制备试件，试件尺寸Φ150mm×h150mm采取试件按95％的压实度成型。

寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂的制备：以实施例1～4中得到的寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂进行固化土制备。固化剂掺量为9％。按配方进行土体的击实试验确定试验用土的最优含水率。

对照组1：渠道边坡护坡地区15％含水量黏土；

对照组2：只加入实施例1中所示的软土固化剂(1.2kg水，1.9kg砾石，1.3kg环氧树脂粘合剂，0.9kg热熔粘合复合纤维，0.9kg硅灰、0.7kg水泥)的渠道边坡护坡地区15％含水量黏土；

对照组3：只加入实施例2中所示的软土固化剂(2.2kg水，2.8kg砾石，2.3kg环氧树脂粘合剂，1.7kg热熔粘合复合纤维，1.6kg硅灰、1.8kg水泥)的渠道边坡护坡地区15％含水量黏土；

对照组4：河滩平原地区20％含水量盐碱土；

对照组5：只加入实施例3中所示的软土固化剂(2.5kg水，4.0kg砾石，2.9kg环氧树脂粘合剂，2.7kg热熔粘合复合纤维，2.4kg硅灰、2.6kg水泥)的河滩平原地区20％含水量盐碱土；

对照组6：只加入实施例4中所示的软土固化剂(4.5kg水，7.0kg砾石，4.0kg环氧树脂粘合剂，3.6kg热熔粘合复合纤维，3.9kg硅灰、2.6kg水泥)的河滩平原地区20％含水量盐碱土；

实施例9

称取实施例1～4中制备的生态固化剂2.0kg，分别与22.2kg试验土体拌合均匀，即为实验组1～4。其中，实施例1～3的试验土体为固化渠道边坡护坡地区15％含水量黏土、实施例4的试验土体为固化河滩平原地区20％含水量盐碱土，利用实施例7的固化方法对该区域软土进行处理。

将制备好的试验土体装入模具中以95％压实度压实，荷载持续2min，脱膜，养生至龄期，取出测试。测试内容包括14天浸水和不浸水无侧限抗压强度、14天浸水劈裂强度和14天柔性壁渗透试验，结果如表1所示：

表1不同固化剂固化效果对比结果

/>

分析表1，渠道边坡护坡地区15％含水量黏土的原样土和河滩平原地区20％含水量盐碱土分别采用有机软土固化剂得到的新型搅拌土、普通无机软土固化剂固化得到的水泥土以及有机软土固化剂和土壤改良剂固化得到的固化土。通过14天浸水和不浸水无侧限抗压强度、14天浸水劈裂强度和14天柔性壁渗透试验可以明显看出本生态固化剂固化得到黏土和淤泥土的抗压强度、抗裂性能与传统的无机固化水泥土差别不大，渗透系数明显优于传统的无机固化水泥土。该渠道边坡碱性软土生态固化剂可以明显提高土体的抗压强度、抗裂性、耐久性和抗渗透性性，且价格低廉，具有良好的应用前景。

实施例10

称取实施例1～4中制备的生态固化剂2.0kg，分别与22.2kg试验土体拌合均匀，即为实验组1～4。其中，实施例1～3的试验土体为固化渠道边坡护坡地区15％含水量黏土、实施例4的试验土体为固化河滩平原地区20％含水量盐碱土，利用实施例7的固化方法对该区域软土进行处理。

将制备好的试验土体装入模具中以95％压实度压实，荷载持续2min，脱膜，养生至龄期，制作宽浅式梯形断面缩尺模型(1：200)，养护完成后进行固化剂冻胀变形量测试。结果如表2所示；

表2不同生态固化剂冻胀变形量对比结果

分析表2，渠道边坡护坡地区15％含水量黏土的原样土和河滩平原地区20％含水量盐碱土分别采用有机软土固化剂得到的新型搅拌土、普通无机软土固化剂固化得到的水泥土以及有机软土固化剂和土壤改良剂固化得到的固化土。通过不同固化土对应的宽浅式梯形断面缩尺模型的最大冻胀变形量试验可以明显看出本生态固化剂固化得到的黏土基层抗冻胀性能明显优于其它固化剂。该渠道边坡碱性软土生态固化剂固化基层黏土，可大大提高渠道边坡整体结构的抗冻胀性能，市场前景广阔。

实施例11

一种寒区防渗渠道边坡碱性软土生态固化剂，包括下述重量的功能组分：软土固化剂：17.7％水，27.5％砾石，23.5％环氧树脂粘合剂，9.6％热熔粘合复合纤维，12.7％硅灰、9％水泥；土壤改良剂：17.9％纸浆，22.9％草炭，24.6％硫酸铝，6.8％硫酸锌，27.8％腐殖土。按照8％的掺量，取0.86kg混合均匀的软土固化剂和土壤改良剂分别与10.75kg试验土体拌合均匀，即为实验组1和实验组2。取0.688kg软土固化剂和0.172kg土壤改良剂混合均匀后与10.75kg试验土体拌合，即为实验组3。每组制备三份样品，相同条件下保存至7d，14d和21d进行实验。

将制备好的试验土体装入模具中以95％压实度压实，荷载持续2min，脱膜，养生至龄期，进行无侧限抗压强度和土壤有机质含量测试。结果如表3所示；

表3单一组分和混合组分对比结果

分析表3，通过单一组分和混合组分的无侧限抗压强度和土壤有机质含量试验可以明显看出单一使用软土固化剂和土壤改良剂得到的无侧限抗压强度明显低于混合后使用的测试强度；混合后使用的土壤有机质含量较单一使用软土固化剂的实验组1有明显提升。综合考虑成本，强度及环境因素，混合后使用的软土固化剂和土壤改良剂，可在提高渠道边坡强度的基础上提升土壤有机质含量，满足工程建设需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。