一种适用于海堤填筑的混合填料及其制备方法
技术领域
本发明涉及海堤填筑填料技术领域，尤其涉及一种适用于海堤填筑的混合填料及其制备方法，该混合填料适应于滨海地区的海堤填筑与加固，属于一种结合当地现有材料的新型填料。
背景技术
滨海地区人口密集、经济发达，海岸线的侵蚀、全球气候变暖导致的海平面的上升以及台风等自然灾害的破坏将严重威胁这些地区的经济发展。修建海堤等基础设施将增强沿海地区的抗台风，抗海潮，海啸的能力，对保障沿海地区社会经济发展具有重大意义。
现如今，海堤多采用山土、砂性土填筑，然而沿海地区山土、砂性土比较缺乏，若从内陆运输则会导致工程造价高、工期长，且为了避免水土流失，许多地区禁止土料开采。因此，在修筑海堤时，优质海堤填料的缺乏又成为了新的难题，也有尝试采用海滩砂质土作为海堤填筑材料的先例，但是多年实践证明，砂质海堤对波浪越顶破坏有较高的敏感性，同时堤身砂土容易被水流吸出掏空，导致砂质海堤安全性不高。滨海地区淤泥和海砂储量丰富，目前将淤泥和海砂作为主要原料用于海岸筑堤填料的研究较少，淤泥和海砂的资源没有得到充分利用。另外，由于淤泥粘性和含水率高，难于破碎及运输，且与其他建筑材料很难混合均匀，导致混合材料质量较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种适用于海堤填筑的混合填料，该混合填料的颗粒小，能够在短时间内就可以达到较高强度，填筑效果好，绿色环保、原料廉价易得。
同时本发明提供一种适用于海堤填筑的混合填料的制备方法，该法将淤泥制成颗粒，使混合填料便于搅拌，混合均匀，使用方便，质量稳定。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种适用于海堤填筑的混合填料，包括掺灰淤泥颗粒、海砂和固化剂；所述掺灰淤泥颗粒和海砂按照重量比为1:(1.5-2.5)；所述固化剂的重量相当于掺灰淤泥颗粒与海砂总重的3％-5％；所述混合填料呈颗粒状，颗粒粒径范围为1-20mm；所述掺灰淤泥颗粒包括淤泥和石灰，所述石灰的重量相当于淤泥总重的5％-8％。
所述掺灰淤泥颗粒的粒径范围为1-10mm。
所述掺灰淤泥含水量为25-30％。
所述淤泥的含水率为55％-75％。
一种适用于海堤填筑的混合填料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，分别将粗淤泥和粗海砂进行预处理，得到淤泥和海砂；
S02，将淤泥掺入石灰，第一次搅拌混合，闷料、晾晒及过筛后，得到掺灰淤泥颗粒；
S03，将掺灰淤泥颗粒和海砂混合均匀后，掺入固化剂，第二次搅拌均匀，闷料，并经养护后制作而成。
所述第一次搅拌时间为3～10分钟，搅拌转速为40-60r/min。
所述海砂含水率为5％-10％，加入所述固化剂的重量相当于掺灰淤泥颗粒与海砂总重的3％-5％。
所述固化剂为水泥或者石灰的任意一种。
所述晾晒时间为3～10天，晾晒温度在25-40℃。
所述粗淤泥的预处理包括以下步骤：先去除粗淤泥中的杂质，得除杂后的粗淤泥；再将除杂后的粗淤泥通过电渗析系统进行脱盐；所述粗海砂的预处理包括以下步骤：先去除粗海砂中的杂质，得除杂后的粗海砂；再将除杂后的粗海砂浸没于水中，静置1天，取出。
所述淤泥为海淤泥，所述海淤泥含水率为55％-75％，比重为2.67-2.70，塑性指数为16％-18％。
所述海砂含水率为5％-10％，比重为2.63-2.65，相对密实度为0.34-0.36。
所述固化填料经过28天养护龄期后水稳系数不低于0.8。
所述固化填料经过28天养护龄期后无侧限抗压强度不低于200kPa，工程实践中当固化后的土体无侧限抗压强度达到100kPa时，就能满足一般工程的填筑要求。
所述固化填料经过28天养护龄期后经过直剪试验的黏聚力不低于70kPa，内摩擦角不高于45°。
所述固化填料经过28天养护龄期后的压缩系数不低于0.15MPa-1，接近低压缩性土的性质。
本发明和传统海堤填筑材料相比的有益效果：
(1)本发明充分利用沿海地区储量较为丰富的淤泥和海砂作为主要原料，仅仅添加相当于掺灰淤泥和海砂总重的3％-5％的固化剂，就可制备出种适用于海岸筑堤的混合填料，该混合材料解决了砂质海堤对波浪越顶破坏有较高的敏感性，同时堤身砂土容易被水流吸出掏空，导致砂质海堤安全性不高的问题。
(2)本发明从考虑施工的角度出发，通过向淤泥中掺入石灰改变淤泥呈现状态，使淤泥转化为颗粒状，更容易与其他材料混合搅拌均匀。
(3)通过本发明制备得到的固化混合填料的颗粒小，均匀度高，且水稳定性好，可以在短时间内就可以达到较高强度。
(4)本发明所用的主要原料为沿海地区储量较为丰富的淤泥和海砂，取材方便，可大大减小工程造价且缩短工期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1水泥掺量为3％和5％的固化填料黏聚力随养护天数变化曲线；
图2水泥掺量为3％和5％的固化填料内摩擦角随养护天数变化曲线；
图3水泥掺量为3％的固化填料无侧限抗压强度随养护天数变化曲线；
图4水泥掺量为5％的固化填料无侧限抗压强度随养护天数变化曲线；
图5原状淤泥(素土)及经过晾晒的淤泥呈现状态；
图6从左往右分别是水泥掺量为7％掺灰淤泥、掺灰淤泥团块以及团块的破碎状态。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
试验所用水泥采用“钟山牌”32.5#复合硅酸盐水泥，水泥产自南京市江南水泥有限责任公司，淤泥、海砂等原材料取自福建省琅岐岛地区，为尽量保持所取土样的天然含水率及尽量避免干湿循环对土体性质的影响，土样用双层塑料麻袋装运。由于土体在装袋、搬运及运输的各个步骤中，必然会受到很大程度的扰动，所以本次试验试样均采用重塑试样。
粗淤泥的预处理：先去除粗淤泥中的杂质，得除杂后的粗淤泥；再将除杂后的粗淤泥通过电渗析系统进行脱盐，收集脱盐后的淤泥；所述盐类成分包括氯盐和亚氯盐，硫酸盐，亚硫酸盐，碳酸盐等中的一种或者多种混合物；
由于淤泥含水率很高，阴阳离子可以在淤泥中自由移动，通过离子交换达到我国现行国家标准规定氯离子含量小于0.06％即可。
电渗析系统(包括离子交换膜和电渗仪)中的离子交换膜型号：聚乙烯异相离子交换膜；规格：3361BW阳膜外观为棕黄色，3362BW阴膜为蓝色。厚度：0.42mm，厚度允许公差：土0.04mm(干态)，有效面积：≥800mm×1600mm。
实验过程为：将除杂后的淤泥置于离子交换膜的一侧，离子交换膜接通电渗仪的正电极和负电极，当测得负电极周围的除杂后的淤泥中氯离子含量低于0.06％时，收集负电极周围的脱盐淤泥，即得到了本实施例中的淤泥。
电渗析系统的工作原理：
电渗析系统由一系列阴、阳膜离子交换膜排列于两电极之间，组成许多由膜隔开的小区域。除杂后的粗淤泥中的水进入这些区域时，在直流电场的作用下，水中的离子作定向迁移，阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。但是，由于离子交换膜具有选择性透过性，结果一些区域离子浓度降低成为淡水区，与除杂后的粗淤泥中淡水区相邻的区域则因富集了大量离子而成为浓水区。从淡水区和浓水区分别得到淡化淤泥和盐化淤泥，除杂后的粗淤泥中的离子因此得到了分离和浓缩，淡化淤泥即为本实例中的淤泥。
粗海砂的预处理：a除杂：过2mm筛去除其中树根及贝壳等大颗粒杂质，得到除杂后的粗海砂；b将经过除杂的粗海砂加入水(加入水的量至少要浸没除杂的粗海砂)，静置1天后，取出，最终得到本实例中的海砂。
粗海砂首先通过2mm孔径的分析筛，去除其中树根及贝壳等大颗粒杂质，其次滨海地区粗海砂中氯离子含量一般＞0.06％，按我国现行国家标准规定，不可直接用于工程，需进行淡化处理，使其氯离子含量≤0.06％后方可使用。通过浸泡淡化氯离子浓度，最终得到本实例中的海砂。
在开展实验前，单独用淤泥进行初步试验；由于淤泥含水率很高，不能呈现固定形态。淤泥的初始含水率为63％，不能满足工程中规定的碾压填筑的级配要求和最优含水率。通过翻拌晾晒的方式对淤泥进行减水，晾晒期间含水率变化如表1。淤泥的含水率都随着晾晒时间的增加而降低，含水率降低的幅度小，这是由于海泥的渗透性小，在不扰动的情况下水分不容易蒸发，晾晒时淤泥表面还会形成一层硬壳阻碍水分蒸发。对淤泥土块施加破碎力进行破碎后，破碎土料呈面条状，破碎效果差，难以过筛，具体呈现状态见图6。
表1原状淤泥晾晒含水率变化
防止人工搅拌带来的误差，分别将桶中淤泥与对应过2mm筛的石灰放入搅拌器中低速搅拌3分钟，搅拌转速为40r/min，然后装入试验桶进行闷料。在进行晾晒试验前，在初始含水率为63％的淤泥中掺入相当于淤泥总重7％的石灰闷料3d，然后将掺灰淤泥分别倒入模型桶中搬到室外进行晾晒3天，晾晒温度为40℃，使含水率降至25-30％。将掺灰淤泥过10mm的筛网，得到了粒径范围为1-10mm的掺灰淤泥颗粒，掺灰淤泥的过筛通过率为67％，将海砂与掺灰淤泥颗粒按照1:2的质量比掺合在一起，海砂的含水率为5％，掺入相当于掺灰淤泥颗粒与海砂总重3％的水泥进行搅拌均匀并闷料至12h后，得到固化混合物，对固化混合物进行养护后，得到固化混合填料。
对固化混合填料进行水稳定性试验、直剪试验、无侧限试验、压缩试验和渗透实验。各龄期水稳定性试验结果如表1所示；各龄期的直剪强度参数如表2所示，无侧限试验强度见说明书附图；养护28天试样压缩系数分别为0.137MPa-1；各龄期渗透系数如表3。
表1水稳定性试验数据
表2各龄期的直剪强度参数
表3各龄期渗透系数
当淤泥中掺入石灰后，随着掺灰量的增加，颜色逐渐变浅，淤泥状态逐渐凝实，说明石灰的掺入可以有效降低淤泥含水率，改变淤泥的状态，方便运输和破碎。此外，国内目前的机械设备，由于淤泥粘性和含水率高，采用机械搅拌淤泥时，淤泥搅拌不均匀，经过本制备工艺处理后，淤泥可转化为颗粒状，更容易搅拌均匀。
实施例2：
本实施例与实施例1不同之处在于，防止人工搅拌带来的误差，分别将桶中淤泥与对应过2mm筛的石灰放入搅拌器中低速搅拌5分钟，搅拌转速为40r/min，然后装入试验桶进行闷料。在进行晾晒试验前，在初始含水率为63％的淤泥中掺入相当于淤泥总重7％石灰闷料3d，然后将掺灰淤泥分别倒入模型桶中搬到室外进行晾晒6天，晾晒温度为30℃，使含水率降至25-30％范围内。将掺灰淤泥过10mm的筛网，得到了粒径范围为1-10mm的掺灰淤泥颗粒，将海砂与掺灰淤泥颗粒按照1:2的质量比掺合在一起，海砂的含水率为10％，掺入相当于掺灰淤泥颗粒与海砂总重5％的水泥进行搅拌均匀并闷料至12h后，得到固化混合物，对固化混合物进行养护后，得到固化混合填料。
对固化混合填料进行直剪试验、无侧限试验、压缩试验和渗透实验。各龄期水稳定性试验结果如表4所示；各龄期的直剪强度参数如表5所示；无侧限试验强度见说明书附图；养护28天试样压缩系数分别为0.086MPa-1；各龄期渗透系数如表6；
表4水稳定性试验数据
表5各龄期的直剪强度参数
表6各龄期渗透系数
对混合填料在现场进行最小承载比试验、压实度及粒径测定。
最小承载比试验：(1)先在贯入杆位置安放4块1.25kg分开成半圆的承载板，共5kg；(2)试验贯入前，先在贯入杆上施加45N荷载后，将测力计及贯入量百分表调零，记录初始读数；(3)启动千斤顶：使贯入杆以1mm/min的速度压入土基，相应于贯入量为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.5mm、10.0mm及11.5mm时，分别读取测力计读数。(4)绘制荷载压强与贯入量曲线获得CBR值。
压实度测定：通过挖坑灌砂法测定密实度，(1)选一块平坦表面，并清扫干净，其面积不得小于基板的面积。(2)将基板放在平坦的表面上，当表面的粗糙度较大时，要考虑粗糙表面砂的质量。(3)沿基板孔凿洞，并将洞内的材料取出称重。(4)打开灌砂筒的开关，让砂流入试坑内，砂不流时，关闭开关，并称取灌砂筒内剩余砂的质量。(5)计算试坑内砂的质量及测定试样的含水量，最终可计算出密实度。粒径范围测定则通过筛分法测定。
测得的结果为：最小承载比(CBR)为5.2％，压实度为95.4％，粒径范围根据淤泥和海砂的粒径曲线可定为1-20mm范围内，在该范围内，填料的级配良好，颗粒间咬合更紧密，更易于抗击波浪海风等冲击。
实施例3：
本实施例与实施例1不同之处在于，分别将桶中淤泥与对应过2mm筛的石灰放入搅拌器中低速搅拌10分钟，搅拌转速为50r/min，然后装入试验桶进行闷料。在进行晾晒试验前，在初始含水率为55％的淤泥中掺入相当于淤泥总重5％石灰闷料3d，然后将掺灰淤泥分别倒入模型桶中搬到室外进行晾晒10天，晾晒温度为25℃，使含水率降至25-30％。将掺灰淤泥过10mm的筛网，得到了粒径范围为1-10mm的掺灰淤泥颗粒，将海砂与掺灰淤泥颗粒按照1:1.5的质量比掺合在一起，海砂的含水率为5％，掺入相当于掺灰淤泥颗粒与海砂总重5％的石灰进行搅拌均匀，并闷料至36h后，得到固化混合物，对固化混合物进行养护后，得到固化混合填料。
实施例4：
本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例与实施例1不同之处在于，分别将淤泥与对应过2mm筛的石灰放入搅拌器中低速搅拌7分钟，搅拌转速为60r/min，然后装入试验桶进行闷料。在进行晾晒试验前，在初始含水率为75％的淤泥中掺入相当于淤泥总重8％石灰闷料6d，然后将掺灰淤泥分别倒入模型桶中搬到室外进行晾晒3天，晾晒温度为40℃，晾晒使含水率降至25-30％。将掺灰淤泥过10mm的筛网，得到了粒径范围为1-10mm的掺灰淤泥颗粒，将海砂与掺灰淤泥按照1:2.5的质量比掺合在一起，海砂的含水率为5％，掺入相当于掺灰淤泥颗粒与海砂总重5％的石灰进行搅拌均匀，并闷料至36h后，得到固化混合物，对固化混合物进行养护后，得到固化混合填料。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
