CN115385652A - 废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料和施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料和施工方法，该关键材料利用主控材料包括水泥、偏高岭土、生石灰、聚羧酸、水玻璃和碳酸钠的水化作用以及辅助材料包括粗粉煤灰、粗水渣等工业废弃物的骨架作用，确保辅助材料之间的粒径需要满足比例，才能使得现场施工过程中水泥复合浆液具有足够的流动性。本发明利用上述材料和软土进行搅拌，能够保证固化后的土体强度的同时，又减少了水泥的用量，大大降低了成本，具有巨大的工程实用价值。

Description

废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料和施工方法

技术领域

本发明为一种废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料和施工方法，属于交通运输工程和土木工程中地基处理技术领域。

背景技术

水泥土搅拌桩复合地基加固技术常用来加固软黏土地基，通常采用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和设定强度的优质地基。

目前水泥搅拌桩通常将水泥与其他掺合料进行混合，后采用干法或者湿法进行固化，从而提高复合地基的强度。但目前水泥搅拌桩中存在水泥的用量较大，成本较高，且在软弱地基的处理过程中存在强度较低等问题。在水泥土中掺入合适的添加剂，利用添加剂代替部分水泥，在保证地基强度的同时，减少水泥的用量，以达到节约成本的目的。因此，选择合适的添加剂在水泥搅拌桩施工中是非常重要的。

其中，一些工业废弃物如细粉煤灰、细水渣、建筑废弃物粉砂渣等，常被用作水泥土添加剂，它们的掺入能够起到节约水泥用量，提高强度的作用。但是，在粉煤灰和水渣的分级过程中还会产生粗粉煤灰、粗水渣、建筑废弃物粉砂渣(>45μm)等，由于其含碳量高，颗粒粒径大，活性低等原因而被弃置不用，而且随着时间的推移，累积量越来越大，造成了环境污染。

虽然粗粉煤灰和粗水渣活性较低，很难直接与水泥产生反应来加固土体，但是由于粗粒的颗粒粒径较大，当其掺量较高时，可以在搅拌桩中提供骨架作用，从而提高水泥土强度。因此，如果能将粗粉煤灰、粗水渣等工业废弃物结合现有的搅拌桩添加剂，一起加到搅拌桩中，使得其满足强度的同时又可以节约水泥用量，降低成本，且有利于环保，意义重大。

发明内容

针对水泥搅拌桩中水泥用量较大，成本较高，且在地基处理过程中存在强度较低等问题，本发明提出了一种废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料和施工方法。

一种废弃物骨料水泥土搅拌桩关键材料，该材料由两部分构成：一部分是主控材料，分别为：水泥、偏高岭土、生石灰、聚羧酸(用作减水剂)、水玻璃以及碳酸钠；另一部分为辅助材料，为：工业废弃物(例如粗粉煤灰、粗水渣、建筑废弃物粉砂渣等)。

主控材料的水化作用来加固土体，加入辅助材料，为搅拌桩提供颗粒骨架，再次提高强度性能。

本发明提供一种废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料的使用方法，具体为用作软土添加剂时，采用的主控材料掺量即所有的主控材料之和与湿土质量之比为10％～20％，其中，水泥掺量为主控材料的44.4％～61.5％，即水泥掺入比为5％～12％之间。

其中，主控材料之间的比例为：水泥:偏高岭土质量比例为4:1最优配比。

生石灰为湿土质量的5％～12％；聚羧酸减水剂为水泥质量的0.4％～1.2％之间；聚羧酸能够提高水泥土的流动性，减少水泥用量。水玻璃，为水泥质量的0.5％～1.5％之间；碳酸钠，为水泥质量的1％～5％之间；所有辅助材料与湿土的质量之比为30％～50％，且辅助材料中的粒径比例应符合表1中的规定，才能保证搅拌后的浆液具有足够的流动性。

表1辅助材料中颗粒粒径的比例

水泥、偏高岭土、生石灰、聚羧酸、水玻璃以及碳酸钠添加到土里后(均在合适的掺入范围之内)，能通过激发水泥自身的水化作用来使土体的强度提高；此外继续加入粗骨料后(均在合适的掺入范围之内)，通过其骨架作用能再次使土体的强度提高。上述几种材料的联合使用，能够使土体在满足强度的要求。

并且，粗粉煤灰、粗水渣等粗料的掺入可以代替部分水泥的用量，使水泥用量减少30％～50％，大大的降低搅拌桩的工程成本。同时，粗料的再利用还有利于环保。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点：本发明利用水泥、偏高岭土、生石灰、聚羧酸、水玻璃和碳酸钠、粗粉煤灰、粗水渣等来加固软土，使得经过固化后的土体既能满足强度要求，同时还能节约成本，为工程带来经济效应；利用材料和软土进行搅拌，能够保证固化后的土体强度的同时，又减少了水泥的用量，大大降低了成本，具有巨大的工程实用价值。

附图说明

图1为粗粉煤灰图。

图2为偏高岭土效能图。

图3为30％左右砂含量后压缩曲线改变图。

图4为各组分掺量影响图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明

本发明的关键材料为两部分材料构成：一部分是主控材料，分别为：水泥、偏高岭土、生石灰、聚羧酸(用作减水剂)、水玻璃以及碳酸钠；另一部分为辅助材料，为：工业废弃物(例如粗粉煤灰、粗水渣等)。利用主控材料的水化作用来加固土体；然后加入粗粉煤灰，粗水渣等粗骨料作为辅助材料，为软土提供颗粒骨架，再次提高强度。利用该复合桩加固土体时，采用的主控材料掺入比(主控材料质量与湿土质量之比)在10％～20％之间，其中，水泥掺量为主控材料的44.4％～61.5％，即水泥的掺入比为5％～12％。其他主控材料之间的配比如下：水泥:偏高岭土比例为4:1(图2)；生石灰为湿土质量的5％～12％；聚羧酸减水剂为水泥质量的0.4％～1.2％之间；水玻璃，为水泥质量的0.5％～1.5％；碳酸钠，为水泥质量的1％～5％；所有辅助材料与湿土的质量之比为30％～50％。

偏高岭土、生石灰、水玻璃、碳酸钠能够激发水泥自身的水化反应，与聚羧酸(用作减水剂)联合使用，能使土体强度提高；

粗粉煤灰、粗水渣、建筑废弃物粉砂渣等工业废弃物，当其掺量在30％以上时可以为吹填淤泥提供颗粒骨架，使其强度再次提高(图3)。粗料的掺量应小于50％，否则会影响混合浆液的流动性。

室内试验选用某地海相吹填土，其基本物理指标如下表2所示。水泥土搅拌桩的水泥掺入量(水泥质量与湿土质量)为8％；偏高岭土的掺量(干质量与湿土质量之比)比例为2％；生石灰的掺量(干质量与湿土质量之比)为0％、4％、8％、12％、16％；聚羧酸减水剂的掺入比分别为(干质量与水泥质量之比)0％、0.5％、1％、1.5％；水玻璃的掺入比分别为(干质量与水泥质量之比)0％、1％、2％；碳酸钠的掺入比为(干质量与水泥质量之比)0％、3％、6％；辅助材料(试验选用粗粉煤灰，见图1)的掺入比(粗料与湿土质量之比)为0％、10％、20％、30％、40％，粗粉煤灰的粒径级配见表2和表3。海相吹填土的初始含水率为65％(水的质量与干土质量之比)。

以PVC管为制样工具，采用室内振动法制备该复合桩桩身试样，然后置于标准养护室(温度控制在20±2°范围而湿度变化范围为95±2％)内养护一天后拆模，标准养护至龄期，测其7d、14d及28d的无侧限抗压强度值。

表2某地海相吹填土基本物理指标

表3粗粉煤灰的粒径级配

由无侧限抗压强度试验结果可知，当其他材料掺量不变时，生石灰从0％增加到8％时强度增加，但是增加到16％时，强度较8％时降低；

当聚羧酸从0％增加到1.5％，其他材料掺量不变时，水泥土的强度先是增加然后又降低；

保持其他材料掺量不变，当水玻璃从0％增加到1％时强度变大，增加到2％时，强度增长不明显；

保持其他掺量不变时，碳酸钠从0％增加到3％时，水泥土抗压强度显著增大；

当粗粉煤灰掺量为10％时，其抗压强度与无添加粗料时的强度无明显区别，当掺量提高到30％以上时，抗压强度变大，说明当粉煤灰掺量大于30％时开始充当骨架作用，使水泥土强度提高。

采用上述最优配比(水泥：偏高岭土：生石灰为4:1:4，水泥：聚羧酸：水玻璃：碳酸钠为100:1.5:1:31.5，灰渣：湿土为3:10)时，综合固化剂(水泥，偏高岭土，生石灰为，聚羧酸，水玻璃，碳酸钠)掺量为10％和灰渣30％，28天强度达到2.4MPa，比传统15％水泥直接固化土强度(1.2MPa)，高近一倍。上述结果表明粗料的掺量在30％时以上，并配合其他的水泥土添加剂(在合适的配比情况下)时，可以明显提高水泥土的强度，使固化后的土体满足强度要求，又能减少了水泥的用量，极大程度降低了造价成本。

现场施工方式：废弃物骨料水泥土搅拌桩在现场工程中的应用，主要是利用现有搅拌桩施工机械，嫁接了常规水泥土搅拌桩的施工工艺。具体的现场施工方法分为以下几个步骤：

(1)根据起始设计要求,确定合适的水泥掺入量,然后向水泥中添加偏高岭土、生石灰、聚羧酸、水玻璃、碳酸钠、粗粉煤灰，适量水，将它们充分混合搅拌,使其达到均匀状态；

(2)平整场地，搅拌桩桩机移动指定桩位并对中；

(3)启动搅拌桩施工机械，搅拌土体，控制下沉速度，使得搅拌头下沉至底部设计标高；

(4)从底部设计标高处开始上提，同时喷射搅拌浆液(含骨料)。施工过程中控制上提和喷浆速度，以确保搅拌桩的均匀性

(5)搅拌桩机持续上升至地表或设计标高施工完成后，将搅拌桩基撤出施工场地。

在现场试验过程中，当粗料的掺入量大于50％时，会导致液体的流动性偏差，无法正常输送进搅拌设备，影响施工；只有在粗料掺量小于50％，且其颗粒粒径之间满足一定的比例时，才能保证机械正常施工。

Claims (10)

1.一种废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料，其特性在于，该关键材料包括：

主控材料，具体为水泥、偏高岭土、生石灰、聚羧酸、水玻璃、碳酸钠；

辅助材料，为工业废弃物。

2.根据权利要求1所述的废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料，其特性在于，工业废弃物为粗粉煤灰、粗水渣、建筑废弃物的粉砂粒料。

3.一种基于权利要求1-2任一项所述的废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料的使用方法，其特性在于，具体为用作软土添加剂时，采用的主控材料掺量即所有的主控材料之和与湿土质量之比为10％～20％，其中，水泥掺量为主控材料的44.4％～61.5％，即水泥掺入比为5％～12％之间。

4.根据权利要求1所述的使用方法，其特性在于，水泥与偏高岭土的质量比例为4:1。

5.根据权利要求1所述的使用方法，其特性在于，主控材料中生石灰为湿土质量的5％～12％；主控材料中聚羧酸减水剂为水泥质量的0.4％～1.2％之间；主控材料中水玻璃，为水泥质量的0.5％～1.5％之间；碳酸钠，为水泥质量的1％～5％之间。

6.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：辅助材料的掺量在30％以上。

7.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：辅助材料的掺量不超过50％。

8.根据权利要求或所述的使用方法，其特征在于：辅助材料的颗粒粒径之间的比例应符合表1规定：

表1辅助材料中颗粒粒径的比例

9.一种废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料的施工方法，其特性在于，

利用主控材料的水化作用来加固土体；

其次再加入粗粉煤灰、粗水渣粗骨料，为土体提供颗粒骨架，再次提高强度；

将上述材料联合用作软土的添加剂，以保证固化后的土体能满足强度的要求。

10.根据权利要求9所述的废弃物骨料水泥土搅拌桩的关键材料的施工方法，其特性在于，具体步骤为：

(1)根据起始要求,确定水泥掺入量,然后向水泥中添加偏高岭土、生石灰、聚羧酸、水玻璃、碳酸钠、粗粉煤灰，水，充分混合搅拌,使其达到均匀状态；

(2)平整场地，搅拌桩桩机移动指定桩位并对中；

(3)启动搅拌桩施工机械，搅拌土体，控制下沉速度，使得搅拌头下沉至底部设计标高；

(4)从底部设计标高处开始上提，同时喷射搅拌浆液(含骨料)；施工过程中控制上提和喷浆速度，以确保搅拌桩的均匀性

(5)搅拌桩机持续上升至地表或设计标高施工完成后，将搅拌桩基撤出施工场地。

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