1.本发明涉及土壤改良技术，特别涉及一种湿陷性黄土改良剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.湿陷性黄土指的是在自重压力或自重压力与附加压力作用下，受水浸湿后，土的结构迅速破坏,发生显著的湿陷变形的黄土。湿陷性黄土地基这种特性，会使结构物产生大幅度沉降、坼裂、倾斜等问题，因此，有必要对湿陷性黄土进行处理，以防止或消除它的湿陷性。
3.相关技术提供了一种磷石膏稳定湿陷性黄土路基材料，其中，按质量百分比计，该湿陷性黄土路基材料包括以下质量百分比的组分：磷石膏6～11％，粉煤灰12～22％，消石灰6～11％，湿陷性黄土52～76％。
4.在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：
5.现有技术提供的湿陷性黄土路基材料的防水性较差。


技术实现要素：

6.鉴于此，本发明提供一种湿陷性黄土改良剂及其制备方法和应用，可以解决上述技术问题。
7.具体而言，包括以下的技术方案：
8.一方面，提供了一种湿陷性黄土改良剂，所述湿陷性黄土改良剂包括以下质量百分比的组分：憎水剂65％-80％，以及余量的粉煤灰；
9.其中，所述憎水剂包括以下质量百分比的组分：水玻璃4.50％-6.50％，硬脂酸钠0.45％-0.76％，氢氧化钾0.60％-1.20％，氯化钙0.20％-0.30％，氨水6.80％-8.20％，以及余量的水。
10.另一方面，提供了一种湿陷性黄土改良剂的制备方法，所述制备方法包括：
11.制备憎水剂，其中，所述憎水剂包括以下质量百分比的组分：水玻璃4.50％-6.50％，硬脂酸钠0.45％-0.76％，氢氧化钾0.60％-1.20％，氯化钙0.20％-0.30％，氨水6.80％-8.20％，以及余量的水；
12.将憎水剂和粉煤灰混合均匀，得到所述湿陷性黄土改良剂；
13.其中，所述憎水剂占所述湿陷性黄土改良剂的质量百分比为65％-80％。
14.在一种可能的实现方式中，所述制备憎水剂，包括：
15.按照所述憎水剂中各组分的质量配比，将水加热至第一温度，并向所述水中加入水玻璃，搅拌均匀，得到第一混合物；
16.将所述第一混合物加热至第二温度，并向所述第一混合物中加入硬脂酸钠、氢氧化钾，边搅拌边继续升温至第三温度，搅拌均匀后得到第二混合物；
17.待所述第二混合物的温度降至第四温度时，向所述第二混合物中加入氯化钙，搅
拌均匀，得到第三混合物；
18.使所述第三混合物继续降温至第五温度，向所述第三混合物中加入氨水，搅拌均匀，得到所述憎水剂。
19.在一种可能的实现方式中，所述第一温度为18℃-22℃，所述第二温度为40℃-47℃，所述第三温度为50℃-55℃，所述第四温度为25℃-35℃，所述第五温度为20℃-25℃。
20.在一种可能的实现方式中，在向所述第三混合物中加入氨水后，连续搅拌20min-45min，得到所述憎水剂。
21.在一种可能的实现方式中，所述将憎水剂和粉煤灰混合均匀，得到所述湿陷性黄土改良剂，包括：
22.将所述粉煤灰通过间隔投加方式加入到所述憎水剂中，并持续搅拌，获得所述湿陷性黄土改良剂。
23.在一种可能的实现方式中，所述粉煤灰与所述憎水剂的混合搅拌时间为0.5-2小时。
24.再一方面，本发明实施例还提供了上述的任一种湿陷性黄土改良剂在黄土改良中的应用。
25.在一种可能的实现方式中，在对湿陷性黄土进行改良时，所述湿陷性黄土改良剂占所述湿陷性黄土与所述湿陷性黄土改良剂总重量的0.5％-5％。
26.在一种可能的实现方式中，所述湿陷性黄土改良剂的应用温度为-30℃-80℃。
27.本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
28.本发明实施例提供的湿陷性黄土改良剂，基于使用了上述构成的憎水剂，憎水剂与粉煤灰协同作用时，能够对湿陷性黄土进行改良，显著降低湿陷性黄土的湿陷性，增强土壤结构，同时使湿陷性黄土与改良剂构成的黄土具有良好的防水功能。该湿陷性黄土改良剂的效果持续时间可长达数十年，能够使改良后的黄土的强度和防水性能均能维持较长时间，具有较佳的适用性。
具体实施方式
29.为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
30.一方面，本发明实施例提供了一种湿陷性黄土改良剂，其中，该湿陷性黄土改良剂包括以下质量百分比的组分：憎水剂65％-80％，以及余量的粉煤灰；
31.其中，憎水剂包括以下质量百分比的组分：水玻璃4.50％-6.50％，硬脂酸钠0.45％-0.76％，氢氧化钾0.60％-1.20％，氯化钙0.20％-0.30％，氨水6.80％-8.20％，以及余量的水。
32.举例来说，憎水剂在湿陷性黄土改良剂中的质量百分比包括但不限于：65％、68％、70％、72％、75％、78％、80％等。
33.水玻璃在憎水剂中的质量百分比包括但不限于：4.50％、4.80％、5％、5.20％、5.50％、5.80％、6％、6.2％等；
34.硬脂酸钠在憎水剂中的质量百分比包括但不限于：0.5％、0.55％、0.6％、0.65％、0.7％、0.75％等；
35.氢氧化钾在憎水剂中的质量百分比包括但不限于：0.6％、0.65％、0.7％、0.75％、0.8％、0.85％、0.9％、1％、1.1％等；
36.氯化钙在憎水剂中的质量百分比包括但不限于：0.2％、0.22％、0.25％、0.27％、0.29％、0.3％等；
37.氨水在憎水剂中的质量百分比包括但不限于：7％、7.5％、7.8％、8％、8.1％、8.2％等。
38.本发明实施例提供的湿陷性黄土改良剂，基于使用了上述构成的憎水剂，憎水剂与粉煤灰协同作用时，能够对湿陷性黄土进行改良，显著降低湿陷性黄土的湿陷性，增强土壤结构，同时使湿陷性黄土与改良剂构成的黄土具有良好的防水功能。该湿陷性黄土改良剂的效果持续时间可长达数十年，能够使改良后的黄土的强度和防水性能均能维持较长时间，具有较佳的适用性。
39.以下就本发明实施例提供的湿陷性黄土改良剂对于湿陷性黄土的改良机理，也就是固化机理进行阐述：
40.其一，上述构成的憎水剂和粉煤灰组合制成的湿陷性黄土改良剂，加入湿陷性黄土中时，可促使土体中的大团聚体向小团聚体和微团聚体转化，这是因为，土壤水稳性团聚体的形成需要土壤胶体物质的有机黏合作用，黄土中含有大量的亲水性黏粒矿物，本身黏粒含量较高，因此土体中的团聚体多以大团聚体的形式存在，而上述土壤改良剂具有较强的分散性，能够将土体中大团聚体分散为小团聚体或微团聚体。
41.第二，本发明实施例提供的湿陷性黄土改良剂加入湿陷性黄土中后，首先与黄土中的可溶性及交换性金属阳离子发生置换反应，逐步在土粒外壳形成一层主要成分为钾和硅酸盐及铝酸盐的胶膜，当土粒周围有充分的钙离子存在时,能使上述胶结物成为强度高和极难溶解的钙-碱-硅络合物，使土粒相互牢固的粘结在一起，进而实现对黄土的加固。根据黄土中钙镁离子的含量，来适应性地调整氯化钙的含量，以确保该改良剂与湿陷性黄土混合后能够形成期望的硬度。
42.另一方面，本发明实施例还提供了一种湿陷性黄土改良剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
43.制备憎水剂，其中，憎水剂包括以下质量百分比的组分：水玻璃4.50％-6.50％，硬脂酸钠0.45％-0.76％，氢氧化钾0.60％-1.20％，氯化钙0.20％-0.30％，氨水6.80％-8.20％，以及余量的水。
44.将憎水剂和粉煤灰混合均匀，得到湿陷性黄土改良剂。
45.其中，憎水剂占湿陷性黄土改良剂的质量百分比为65％-80％。
46.通过预先制备憎水剂，然后将制备得到的憎水剂与粉煤灰混合均匀，即可得到本发明实施例期望的湿陷性黄土改良剂。
47.为了获得质地均匀的憎水剂，本发明实施例中，制备憎水剂，包括以下步骤：
48.步骤1：按照憎水剂中各组分的质量配比，将水加热至第一温度，并向水中加入水玻璃，搅拌均匀，得到第一混合物。
49.步骤2：将第一混合物加热至第二温度，并向第一混合物中加入硬脂酸钠、氢氧化钾，边搅拌边继续升温至第三温度，搅拌均匀后得到第二混合物。
50.步骤3：待第二混合物的温度降至第四温度时，向第二混合物中加入氯化钙，搅拌
均匀，得到第三混合物。
51.步骤4：使第三混合物继续降温至第五温度，向第三混合物中加入氨水，搅拌均匀，得到憎水剂。
52.通过在不同温度下，分阶段加入不同的组分，以使各个组分均能够在适应的温度下溶解并混合均匀，进而获得质地均匀的憎水剂。
53.以下就以上各个步骤分别进行阐述：
54.对于步骤1，将水加热至第一温度，并向水中加入水玻璃，搅拌均匀，得到第一混合物。其中，第一温度为18℃-22℃，例如，为18℃、19℃、20℃、21℃、22℃等。在该温度下，水玻璃能够容易且充分地溶解于水中，获得质地均匀的第一混合物。
55.对于步骤2，将第一混合物加热至第二温度，并向第一混合物中加入硬脂酸钠、氢氧化钾，边搅拌边继续升温至第三温度，搅拌均匀后得到第二混合物。其中，第二温度为40℃-47℃，例如为40℃、41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃等。在该温度下，硬脂酸钠、氢氧化钾能够快速地溶解于第一混合物中。
56.其中，第三温度为50℃-55℃，例如为40℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃等。在该温度下，硬脂酸钠、氢氧化钾能够容易且充分混合于第一混合物中，形成质地均匀的第二混合物。
57.对于步骤3，待第二混合物的温度降至第四温度时，向第二混合物中加入氯化钙，搅拌均匀，得到第三混合物。
58.其中，第四温度为25℃-35℃，例如为25℃、28℃、30℃、32℃、33℃、34℃等，通过将第二混合物的温度降至第四温度下，在向其中加入氯化钙使其溶解并分散均匀，同时确保了操作安全性。
59.对于步骤4，使第三混合物继续降温至第五温度，向第三混合物中加入氨水，搅拌均匀，得到憎水剂。其中，第五温度为20℃-25℃，例如为20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃等。在该温度下，氨水能够不被挥发地溶解于第三混合物中，且操作更加安全。
60.为了提高氨水在憎水剂中的分散性，本发明实施例中，在向第三混合物中加入氨水后，连续搅拌20min-45min，得到憎水剂。举例来说，搅拌时间包括但不限于：20min、25min、30min、35min、40min、45min等。
61.进一步地，在将憎水剂和粉煤灰混合均匀，得到湿陷性黄土改良剂，包括：将粉煤灰间隔投加的方式加入憎水剂中，并持续搅拌设定时间，例如0.5-2小时，获得湿陷性黄土改良剂。通过上述设置，使粉煤灰缓慢地加入憎水剂中，以确保两者混合均匀。
62.再一方面，本发明实施例还提供了上述湿陷性黄土改良剂在黄土改良中的应用。
63.本发明实施例提供的湿陷性黄土改良剂，基于使用了上述构成的憎水剂，憎水剂与粉煤灰协同作用时，能够对湿陷性黄土进行改良，显著降低湿陷性黄土的湿陷性，增强土壤结构，同时使湿陷性黄土与改良剂构成的黄土具有良好的防水功能。该湿陷性黄土改良剂的效果持续时间可长达数十年，能够使改良后的黄土的强度和防水性能均能维持较长时间，具有较佳的适用性。
64.在对湿陷性黄土进行改良时，湿陷性黄土改良剂占湿陷性黄土与湿陷性黄土改良剂总重量的0.5％-5％，例如，1％-3％，从而在不影响湿陷性黄土基本功能的前提下，确保获得良好的固化效果。在对湿陷性黄土改良时，可以采用灌浆法将改良剂注入黄土中，也可
以采用分层法与黄土混合。
65.本发明实施例提供的湿陷性黄土改良剂的应用温度广泛，应用温度范围在-30℃至80℃之间。
66.以下通过具体实施例进一步描述本发明：
67.实施例1
68.本实施例提供了一种湿陷性黄土改良剂，该湿陷性黄土改良剂包括以下质量百分比的组分：憎水剂75％，粉煤灰25％；
69.其中，憎水剂包括以下质量百分比的组分：水玻璃6.50％，硬脂酸钠0.76％，氢氧化钾1.20％，氯化钙0.30％，氨水8.20％，以及余量的水。
70.该憎水剂通过以下方法制备得到：
71.按照憎水剂中各组分的质量配比，将水加热至18℃，并向水中加入水玻璃，搅拌均匀，得到第一混合物；
72.将第一混合物加热至42℃，并向第一混合物中加入硬脂酸钠、氢氧化钾，边搅拌边继续升温至50℃，搅拌均匀后得到第二混合物；
73.待第二混合物的温度降至25℃时，向第二混合物中加入氯化钙，搅拌均匀，得到第三混合物；
74.使第三混合物继续降温至20℃，向第三混合物中加入氨水，连续搅拌20min，搅拌均匀，得到憎水剂。
75.实施例2
76.本实施例提供了一种湿陷性黄土改良剂，该湿陷性黄土改良剂包括以下质量百分比的组分：憎水剂65％，粉煤灰35％；
77.其中，憎水剂包括以下质量百分比的组分：水玻璃4.50％，硬脂酸钠0.66％，氢氧化钾1.00％，氯化钙0.20％，氨水7％，以及余量的水。
78.该憎水剂通过以下方法制备得到：
79.按照憎水剂中各组分的质量配比，将水加热至20℃，并向水中加入水玻璃，搅拌均匀，得到第一混合物；
80.将第一混合物加热至40℃，并向第一混合物中加入硬脂酸钠、氢氧化钾，边搅拌边继续升温至52℃，搅拌均匀后得到第二混合物；
81.待第二混合物的温度降至30℃时，向第二混合物中加入氯化钙，搅拌均匀，得到第三混合物；
82.使第三混合物继续降温至25℃，向第三混合物中加入氨水，连续搅拌30min，搅拌均匀，得到憎水剂。
83.实施例3
84.本实施例提供了一种湿陷性黄土改良剂，该湿陷性黄土改良剂包括以下质量百分比的组分：憎水剂80％，粉煤灰20％；
85.其中，憎水剂包括以下质量百分比的组分：水玻璃5％，硬脂酸钠0.55％，氢氧化钾0.6％，氯化钙0.20％，氨水6.8％，以及余量的水。
86.该憎水剂通过以下方法制备得到：
87.按照憎水剂中各组分的质量配比，将水加热至22℃，并向水中加入水玻璃，搅拌均
匀，得到第一混合物；
88.将第一混合物加热至45℃，并向第一混合物中加入硬脂酸钠、氢氧化钾，边搅拌边继续升温至55℃，搅拌均匀后得到第二混合物；
89.待第二混合物的温度降至35℃时，向第二混合物中加入氯化钙，搅拌均匀，得到第三混合物；
90.使第三混合物继续降温至25℃，向第三混合物中加入氨水，连续搅拌45min，搅拌均匀，得到憎水剂。
91.实施例4
92.本实施例提供了一种湿陷性黄土改良剂，该湿陷性黄土改良剂包括以下质量百分比的组分：憎水剂70％，粉煤灰30％；
93.其中，憎水剂包括以下质量百分比的组分：水玻璃5.5％，硬脂酸钠0.66％，氢氧化钾1.00％，氯化钙0.25％，氨水7.5％，以及余量的水。
94.该憎水剂通过以下方法制备得到：
95.按照憎水剂中各组分的质量配比，将水加热至21℃，并向水中加入水玻璃，搅拌均匀，得到第一混合物；
96.将第一混合物加热至43℃，并向第一混合物中加入硬脂酸钠、氢氧化钾，边搅拌边继续升温至53℃，搅拌均匀后得到第二混合物；
97.待第二混合物的温度降至33℃时，向第二混合物中加入氯化钙，搅拌均匀，得到第三混合物；
98.使第三混合物继续降温至24℃，向第三混合物中加入氨水，连续搅拌35min，搅拌均匀，得到憎水剂。
99.应用实施例1
100.本实施例利用实施例1提供的改良剂对湿陷性黄土(以下简称黄土)进行改良实验，具体实验步骤如下所示：
101.分别取3组100g的黄土，然后分别放入3个烧杯，向其中两个烧杯各加入10g湿陷性黄土改良剂，第一组将10g湿陷性黄土改良剂分层加入黄土中，第二组将10g湿陷性黄土改良剂直接浇在黄土表面，第三组不作任何处理。
102.测试结果表明，湿陷性黄土改良剂处理黄土获得了良好的改良效果，加入改良剂的两组黄土5min后便出现加固效果，在侧倒状态下土体也不会散掉，但观察到分层加入的黄土土体密实性比表面浇洒的黄土高。加入改良剂2h后，在分层加入的黄土中改良剂几乎渗透了全部土体，表面浇洒的黄土中改良剂渗透了约三分之一的土体，将这两组倒立后均能保持原样，具有较高的稳定性。加入改良剂18h后，观察到分层加入的黄土土体颗粒密集，土体密实，表面浇洒的湿陷性黄土中改良剂已经渗透到底，表面已经干燥固结，倒立后两组依然保持原样，表面浇洒的黄土掉下来一些表面干燥的碎渣。这说明实施例1提供的湿陷性黄土改良剂对黄土具有优异的改良效果。
103.本应用实施例还利用实施例1提供的改良剂、以及石灰和水泥分别对湿陷性黄土进行本领域常规的力学测试、抗渗测试以及水稳性测试，其中，测试实验中，使石灰和水泥的质量浓度均为5％，测试结果分别如下所示：
104.(1)湿陷性黄土改良剂改良黄土的塑限、液限和黄土相比有所增大，添加水泥、石
灰可使黄土的液限、塑限增大。三种改良材料对土的塑性指数影响较小，改良黄土仍属于低塑性黄土。改良剂改良黄土、水泥改良黄土、石灰改良黄土最大干密度较黄土减小，最优含水率增加。随着湿陷性黄土改良剂掺量的增加，改良黄土的无侧限抗压强度明显提高，在改良剂质量浓度在3％范围内几乎呈线性增长，掺量越大强度越高。改良剂质量浓度为3％时，改良黄土的工程性质提升显著。
105.(2)以上三种材料都能提高黄土的斥水性，湿陷性黄土改良剂改良黄土优于5％水泥改良黄土及5％石灰改良黄土。在改良剂质量浓度为3％范围内改良黄土的水滴入渗时间呈二次函数形式增长。在干密度为1.65g/cm3条件下，重塑黄土及三种材料改良黄土均能满足抗渗要求，湿陷性黄土改良剂能一定程度上改良黄土渗透性质，显著提高其防水性能。
106.(3)三种改良材料都能使土的干缩率减小，其中改良剂质量浓度为2.5％是，其改良黄土的干缩率最小，改良剂质量浓度为3％的改良黄土次之，均低于5％水泥改良黄土和5％石灰改良黄土。
107.三种改良材料都能使土的线膨胀率减小，其中5％水泥改良黄土的膨胀率最低，改良剂质量浓度为3％的改良黄土次之。三种改良材料都能明显的提高重塑黄土的抗崩解性能。
108.在改良剂质量浓度为3％范围内，改良黄土的抗崩解时间随着掺量的增大而增大。5％水泥改良黄土抗崩解性能最优，改良剂质量浓度为3％改良黄土次之。
109.(4)湿陷性黄土改良剂改良黄土的微结构机制为添加改良剂能够生成部分胶结物质及晶体，胶结成分逐渐增加，黄土颗粒表面逐渐被胶结成分所包裹，颗粒间的接触方式由点接触逐渐转变为面接触，黄土颗粒间逐渐形成一个整体，提高了改良黄土强度。新生成的晶体填充了孔隙，使土体的大孔隙减少，中小孔隙增多，提高了土体强度。
110.由上述可知，与水泥和石灰这两种改良材料相比，湿陷性黄土改良剂能显著增加湿陷性黄土的液塑限和斥水性，满足工程防渗要求。同时也可以降低湿陷性黄土的干缩率，增强抗崩解性能和土体强度，在湿陷性黄土地区的实际工程中也具有较大的使用价值。湿陷性黄土改良剂施工便捷，造价低廉，在黄土地区实际工程中具有较大的潜在使用价值。
111.以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。