利用廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的方法
2023-07-07 03:59:51 3
專利名稱：利用廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的方法
技術領域：
本發明屬於巖土工程技術領域，特別涉及一種利用廢棄輪胎膠粉改良膨脹土 的方法。
二背景技術：
現有的改良膨脹土方法主要有:夯實法、物理改良法、化學改良法、保溼法、 換土法和生物改良法。
(1) 夯實法是將膨脹土壓實到所要求的密度，夯實後的膨脹土地基幹密度會增 加，凝聚力和內摩擦角也增大，地基承載力提高；雖然夯實法費用低，但是有一 定的適用性限制， 一般只適用於弱膨脹土地基。
(2) 物理改良法包括土釘牆、樁基礎、加土工織物和摻入砂礫石等方法，物理 改性法雖然施工簡單，但施工條件、適用範圍有限。
(3) 化學改良方法是向土中摻無機鹽類或有機物質等，通過催化活化土粒表面 反應來改善水和土之間的相互作用，使土的性質在水的影響下仍能達到既定指 標，改善膨脹土的工程性質。
(4) 保溼法利用含水率變化引起膨脹土幹縮溼脹這一原理，採用保持土中的含 水率不變，從而達到改良目的。
(5) 換土法是一種將地基下膨脹土挖去而換成普通土類或灰土的方法，這種方 法能徹底根治膨脹土造成的危害。
(6) 生物改良法就是利用生物表面活性劑附著在粘土礦物的表面上可以降低液 面張力和使粘土礦物表面疏水化，破壞礦物表面水化膜或使之變薄，從而使粒間 粘結力變大，土的抗剪強度提高，脹縮性減小。
(7) 既有物理改良又有化學改良方法是指在膨脹土中按一定比例摻入石灰、水 泥、粉煤灰、礦渣及其混合料，再加上一定量的活性催化劑促進改良劑與土的反 應穩定土。
以上各種改良膨脹土的方法，主要可歸結為結構性改造和改性兩大類，其 中，改性方法從根本上對膨脹土的性質進行改良，效果穩定可靠，具有很好的研 究前景。在改性方法中，比較成熟和常用的辦法為石灰改良和粉煤灰改良，這兩種方法都是利用矽酸鹽和鋁的水化物與土顆粒相互間的膠結作用，隨著膠結物逐 漸脫水和新生礦物的結晶作用，形成膠凝成分來膠結土壤、堵塞土壤的毛細結 構，從而降低液限，增大土體的抗剪強度。這是目前較為成功的土壤固化劑，但 石灰和水泥與土的反應速度較慢，所生成的水化物強度較低，耐久性較差，而且 石灰摻量在8%以上、水泥摻量在6%以上才能達到一定的效果，施工量很高，施 工時需要反覆拌和均勻，周期長、耗工時，且不易把握，容易出現質量隱患。同 時該法也存在汙染環境、不利於綠化等問題。為尋求經濟、有效、環保的膨脹土 填料改良新途徑，國內外學者從不同途徑提出了大量添加劑方法，其中高分子材 料作為添加劑已成為熱點。但是，目前國內的添加方案的試驗效果並不理想、而 且可推廣性較差。
發明內容
技術問題本發明克服了現有技術的不足，提供一種利用廢棄輪胎膠粉改 良膨脹土的方法，有效地提高了膨脹土強度、解決了膨脹土脹縮變形破壞等問 題。
技術方案
本發明通過以下技術方案實現
一種利用廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的方法，步驟為採用幹法常溫粉碎法對 廢棄輪胎材料進行粗碎，製得5-10目的粗膠粉；然後釆用空氣渦輪膨脹製冷粉碎 法對製得的粗膠粉進行細碎，製得20目的細股粉；將製得的細膠粉與膨脹土、 水混合，充分攪拌均勻，製得膠粉-膨脹土土料，所述膠粉-膨脹土土料中細膠粉 和水的質量百分含量分別為細膠粉10%~30%、水20%,餘量為膨脹土，在混 合膠粉與膨脹土的過程中加入水，使膠粉-膨脹土充分溼潤；將製得的膠粉-膨脹 土土料平鋪在需要固化的土壤表面，形成厚度為20~80cm的表面改良層，並噴灑 水分使其充分浸潤，待表面乾燥後進行第二次噴灑水分，噴灑和乾燥共重複進行 2-3次，使膠粉-膨脹土充分粘聚，達到增高強度、減少變形。
作為本發明的一個優選，在細膠粉與膨脹土、水混合時，細膠粉、膨脹土和 水的質量百分配比為細膠粉20%;膨脹土60%;水20%。
有益效果
本發明提供了 一種利用廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的方法，所加入的膠粉能夠 填充空隙、改善膨脹土的界面狀況、約束膨脹土內微裂縫的產生和發展，從而提高膨脹土的強度和降低膨脹變形特性，改善膨脹土的工程性質。該作用的產生原 理為利用膠粉中的部分Si元素及其氧化物與土顆粒相互間的膠結作用，隨著膠 結物逐漸脫水和新生礦物的結晶作用，形成膠凝成分來膠結土壤、堵塞土:l裡的毛 細結構，從而降低液限，增大土體的抗剪強度；同時膠粉裡的Si等元素與膨脹土 中的蒙脫石、伊利石發生作用產成膠凝成份較少膨脹土的變形量。
用本發明的廢棄輪胎膠粉改良後的膨脹土具有強度高、脹縮變形小、質輕、 耐用、彈性好、透水性好等特點，可改善路面變形和排水條件，有利於路基的穩 定，且施工速度較快，建築、造價及路面造價與維護費用低，可廣泛應用於水 利、建築、交通、地鐵、隧道、i是壩、垃圾填埋場等土木工程、水利工程和環境 工程領域。
此外，本發明還公開了 一種將常溫粉碎法和低溫粉碎法相結合製備膠粉的方
法。對於膠粉的製備，主要有冷凍粉碎法和常溫粉碎法兩種常溫粉碎方法一般 採用剪切撕裂、摩擦、高速加載等方式的粉碎機,並輔以循環冷卻,膠粒不需冷凍, 直接送入粉碎機粉碎。常溫粉碎法可分為幹法和溼法。幹法粉碎根據其粉碎方式 和設備的不同可分為輥筒式、旋盤式、擠出式、高壓柱塞式等;溼法粉碎是物料在 溶劑或溶液中進行粉碎的方法。溼法粉碎和幹法粉碎相比，前者製得的膠粉粒徑 小， 一般在200目以上，受熱降解少，膠粉性能優於幹法粉碎。從技術經濟指標 上看，常溫粉碎法優於低溫粉碎法。常溫粉碎法製得的膠粉表面凸凹不平，易於 後續的活化改性，當其與其它聚合物共混時也具有較大的結合力。常溫粉碎法制 得的膠粉料度較粗，0.25mm以下的細粉較少，粗膠粉不利於廢膠粉的應用，但其 技術經濟指標優於低溫粉碎法。而低溫粉碎法雖能製得性能優良的膠粉，但能耗 大，成本高，若單獨用此法就沒有大的經濟效益。本發明在製備過程中根據常溫 粉碎法和低溫粉碎法各自的優缺點，先用常溫粉碎法進行粗碎製得5-10目的粗膠 粉,再用空氣渦輪膨脹製冷粉碎法對其進行細碎，將低溫粉碎法與常溫粉碎法結合 使用，揚長避短，不但降低了成本、減少能耗，還製得了粒徑小、表面光滑、受 熱氧化程度低的精細膠粉。
最後，本發明用於改良膨脹土的原料為廢棄輪胎膠粉，這種將廢舊材料加以 利用的方法，節約了工程成本，減小了經濟耗費，同時又能提高資源的循環利 用，具有明顯的經濟效益和環境效益，推廣前景4艮好。
具體實施例方式
以下的描述是對本發明的具體說明，不應看作是對本發明的限定。以下實施例l-3是本發明的3個具體例子。 實施例l
先用幹法常溫粉碎法對廢棄輪胎材料進行粗碎，製得5-10目的粗膠粉；然後 用空氣渦輪膨脹製冷粉碎法對製得的粗膠粉進行細碎，製得20目的細膠粉；將 製得的細膠粉與膨脹土混合，同時加入水，用機器充分攪拌均勻，加入的細膠 粉、膨脹土和水的質量百分配比為細膠粉10%;膨脹土70°/。；水20%，製得膠 粉-膨脹土土料；將製得的膠粉-膨脹土土料平鋪在需要固化的土壤表面，形成 20~80cm表面改良層，並噴灑水分使其充分浸潤，待表面乾燥後進行第二次噴灑 水分，使膠粉與膨脹土充分粘聚，重複進行乾燥和噴灑2-3次，使充分浸潤，達 到改良效果。
對以上膠粉-膨脹土土料進行固結快剪試驗、無側限抗壓強度試驗、擊實試驗 及無荷自由膨脹試驗。試驗結果為與沒加膠粉的膨脹土相比，抗剪強度和無側 限抗壓強度均提高10 % - 15 % ,最大幹密度增加約10%，膨脹變形減少60 % 。
與以往用粉煤灰，石灰，化學試劑等現有的改良膨脹土方法相比本發明的 改良方法對膨脹土的抗剪強度和無側限抗壓強度提高的幅度多2%-5%,最佳含水 量及最大幹密度增加大致相等，膨脹變形減小的幅度多5%-10%左右。
實施例2
先用幹法常溫粉碎法對廢棄輪胎材料進行粗碎，製得5-10目的粗膠粉；然後 用空氣渦輪膨脹製冷粉碎法對製得的粗膠粉進行細碎，製得20目的細膠粉；將 製得的細膠粉與膨脹土混合，同時加入水，用機器充分攪拌均勻，加入的細膠 粉、膨脹土和水的質量百分配比為細膠粉20%;膨脹土60%;水20%，製得膠 粉-膨脹土土料；將製得的膠粉-膨脹土土料平鋪在需要固化的土壤表面，形成 20~80cm表面改良層，並噴灑水分使其充分浸潤，待表面乾燥後進行第二次噴灑 水分，使膠粉與膨脹土充分粘聚，重複進行乾燥和噴灑，使充分浸潤，達到改良 效果。
對於上述製得的膠粉-膨脹土土料進行固結快剪試驗、無側限抗壓強度試驗、 擊實試驗及無荷自由膨脹試驗。試驗結果為與沒加膠粉的膨脹土相比，抗剪強 度和無側限抗壓強度均提高40%-50%，最大幹密度增加約25%,膨脹變形減 少80%。
與以往用粉煤灰，石灰，化學試劑等現有的改良膨脹土方法相比本發明的 改良方法使膨脹土的抗剪強度和無側限抗壓強度提高的幅度多3%-8%,最佳含水 量及最大幹密度增加幅度大致相等，膨脹變形減小的幅度多8%-15%。實施例3
先用幹法常溫粉碎法對廢棄輪胎材料進行粗碎，製得5-10目的粗膠粉；然後 用空氣渦輪膨脹製冷粉碎法對製得的粗膠粉進行細碎，製得20目的細膠粉；將 製得的細膠粉與膨脹土混合，同時加入水，充分攪拌均勻，加入的細膠粉、膨脹 土和水的質量百分配比為細膠粉30%;膨脹土 50%;水20%,製得膠粉-膨脹 土土料；將製得的膠粉-膨脹土土料平鋪在需要固化的土壤表面，形成20~80cm 表面改良層，並噴灑水分使其充分浸潤，待表面乾燥後進行第二次噴灑水分，使 膠粉與膨脹土充分粘聚，重複進行乾燥和噴灑2-3次，使充分浸潤，達到改良效 果。
對以上膠粉-膨脹土土料進行固結快剪試驗、無側限抗壓強度試驗、擊實試驗 及無荷自由膨脹試驗。試驗結果為與沒加膠粉的膨脹土相比，抗剪強度和無側 限抗壓強度均能提高40% - 50%，最大幹密度增加約25%,膨脹變形減少70%。
與以往用粉煤灰，石灰，化學試劑等現有的改良膨脹土方法相比本發明的 改良方法對膨脹土的抗剪強度和無側限抗壓強度提高的幅度多2%-8%,最佳含水 量及最大幹密度增加幅度大致相等，膨脹變形減小的幅度多8%-15%左右。
實施例4
本實施例所公開的 一 系列試驗及數據，用於提供本發明所述利用廢棄輪胎膠 粉改良膨脹土的方法中，膠粉、水與膨脹土量的配比的確定依據。
1. 水的質量百分含量確定為20%的依據
根據土工試驗規程(2000)和ASTM-3080 ( ASTM 1985 )，在膠粉-膨脹土 擊實試驗中發現，隨著膠粉含量的變化，最佳含水率變化不大，均為20%質量百 分含量。
因此本發明所公開的利用廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的方法中，在混合細膠 粉、膨脹土與水時，加入的水的質量百分比為20%。
2. 膠粉的質量百分含量確定為10%~30%的依據 a.膠粉-膨脹土強度測試
在膠粉-膨脹土強度測試中發現，在各種含水率下，膠粉的加入均可以顯著提 高膨脹土的強度
當膠粉含量達到10%時，抗剪強度和無側限抗壓強度提高10 % - 15 % ; 當膠粉含量為20%時，膠粉-膨脹土強度達到最大，抗剪強度和無側限抗壓強 度分別提高40% -50%;隨著膠粉含量超過20%並逐漸增大達到30 %的過程中，抗剪強度和無側限抗
壓強度提高的幅度變化不大，並趨於穩定，基本和膠粉含量為20%時類似； 而在膠粉含量超過30 %時所製得的試樣呈粉碎狀。
從強度測試的試驗數據可知，膠粉的含量不能超過30%，且出於得到最高強 度和節約材料之考慮，膠粉的最佳質量百分含量為20% 。 b.膠粉-膨脹土無荷自由膨脹試驗
對膠粉-膨脹土進行無荷自由膨脹試驗，發現隨著膠粉含量的增加，可以減少 膨脹土的膨脹變形
當膠粉含量為10%時，膨脹變形量減小60%; 當膠粉含量為20%時膨脹變形最小，膨脹變形量減小80%; 當膠粉含量為30%時，膨脹變形量減小70%;
從膨脹變形試驗的試驗數據可知用膠粉改良膨脹土時，20%是最佳質量百 分含量。
結合上述強度測試和膨脹變形試驗的試驗數據確定膠粉的質量百分含量為 10%~30%，膠粉的最佳質量百分含量為20%。
權利要求
1. 一種利用廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的方法，其特徵在於步驟為a. 採用幹法常溫粉碎法對廢棄輪胎材料進行粗碎，製得5-10目的粗膠粉；b. 採用空氣渦輪膨脹製冷粉碎法對上述製得的粗膠粉進行細碎，製得20目的細膠粉；c. 將製得的細膠粉與膨脹土、水混合，充分攪拌均勻，製得膠粉-膨脹土土料，所述膠粉-膨脹土土料中細膠粉和水的質量百分含量分別為細膠粉10％～30％、水20％，餘量為膨脹土；d. 將製得的膠粉-膨脹土土料平鋪在需要固化的土壤表面，形成厚度為20～80cm的表面改良層，並噴灑水分使其充分浸潤，待表面乾燥後進行第二次噴灑水分，噴灑水分和乾燥共重複進行2-3次。
2. 根據權利要求1所述利用廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的方法，其特徵在於步驟c 所述膠粉-膨脹土土料中，細膠粉和水的質量百分含量分別為細膠粉20%、 水20%,餘量為膨脹土。
全文摘要
一種利用廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的方法，步驟包括先用常溫粉碎法對廢棄輪胎膠粉材料進行粗碎，再用空氣渦輪膨脹製冷粉碎法對製得的粗膠粉進行細碎，然後將製得的細膠粉與膨脹土混合，同時加入水，充分攪拌均勻，製得改良膨脹土土料；最後平鋪在需要固化的土壤表面，噴灑水分使其浸潤，形成表面改良層。經該方法改良後的膨脹土具有強度高、脹縮變形小、質輕、耐用、彈性好、透水性好等特點，可改善路面變形和排水條件，有利於路基的穩定，可廣泛應用於水利、建築、交通、地鐵、隧道、堤壩、垃圾填埋場等領域。
文檔編號E02D3/00GK101413260SQ20081023627
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月19日 優先權日2008年11月19日
發明者孫樹林, 鑫 張, 魏永耀 申請人:河海大學