專利名稱：：公路穩(wěn)定粘性土復(fù)合固化材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及在石灰、水泥中添加合成硫、鋁、鈣無(wú)機(jī)材料改性而成的復(fù)合固化材料，主要用于公路粘性土路基與路面基層的固化處理，也可用于濕軟地基的加固處理。我國(guó)東南沿海與低洼潮濕地帶，以及缺乏砂石地區(qū)，廣泛分布有粘性土。這種土常具有天然含水量高、塑性指數(shù)大，含有機(jī)質(zhì)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的資料表明，當(dāng)進(jìn)行地基處理、路基填筑、路面基層加固時(shí)，除可能翻曬或置換外，仍使用石灰、水泥、粉煤灰等結(jié)合料進(jìn)行穩(wěn)定處理，但對(duì)塑性指數(shù)大，含有機(jī)質(zhì)的土，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均規(guī)定不宜使用。水泥對(duì)粘土特別是含有機(jī)質(zhì)的土穩(wěn)定效果差，壓實(shí)性不好；石灰穩(wěn)定粘性土，當(dāng)含水量高，加大劑量亦難奏效，且抗凍性能差，易疲勞衰減破壞，早期強(qiáng)度低；石灰粉煤灰則因吸水性差，早期強(qiáng)度低，處理效果不好。因此現(xiàn)有材料穩(wěn)定粘性土的方法都有局限性，效果不太理想。本發(fā)明是有效地利用石灰、水泥對(duì)粘土的有利因素，增加合成硫、鋁、鈣無(wú)機(jī)材料(具有高吸水性能和增強(qiáng)能力)改性而成的新型復(fù)合固化材料，它有利于施工，能夠最有效地穩(wěn)定粘性土(含有機(jī)質(zhì)土)，達(dá)到加固公路路基、路面基層，以及濕軟地基的目的。本發(fā)明是一種新型復(fù)合粘性土固化材料(NewtypeofCompositestabilizerforCohesivesoil)簡(jiǎn)稱NCS。NCS的組份為石灰、硅酸鹽水泥熟料，再添加一種“SCA”材料(一種含硫、鋁、鈣的高性能無(wú)機(jī)吸水增強(qiáng)材料)進(jìn)行改性而成的固化材料。其中生石灰所起作用是吸水和使土粒砂質(zhì)化，固化后期與土粒發(fā)生火山灰反應(yīng)提供后期強(qiáng)度，硅酸鹽水泥熟料的作用是提供強(qiáng)度和增強(qiáng)土團(tuán)粒之間的聯(lián)結(jié)，“SCA”起強(qiáng)烈吸取土中水分使土粒凝聚，促進(jìn)土粒砂化，并生成針狀礦物(鈣礬石)，提供早期強(qiáng)度和具有“微型加筋”作用，針對(duì)過(guò)濕土、路面基層及地基的特點(diǎn)，以三者不同的最佳配比(其中SCA有不同組成配比)，可以有效地降低粘性土含水量，改善壓實(shí)性，增強(qiáng)穩(wěn)定土強(qiáng)度、水穩(wěn)性及抗凍融能力，減少固化土的收縮，達(dá)到就地利用不同粘性土(含有機(jī)質(zhì)土)直接加固路基修建路面基層的目的。NCS固化材料的配比范圍為石灰硅酸鹽水泥熟料“SCA＝(35-60)∶(15-50)∶(10-40)。根據(jù)不同粘性土特性配制NCS固化材料系列產(chǎn)品NCS-1適用于塑性指數(shù)為12-20的粘性土；NCS-2適用于塑性指數(shù)為15-25的粘性土、含有機(jī)質(zhì)土、黑龍江黑土；NCS-3適用于塑性指數(shù)為10-17的粘性土、鹽漬土、黃土；NCS-4適用于塑性指數(shù)為18-35的粘土、高含水量粘土、有機(jī)土、膨脹土。NCS系列產(chǎn)品組份配比(％)如表1表1</tables>NCS系列產(chǎn)品添加劑“SCA”化學(xué)成分(％)如表2表2</tables>當(dāng)粘性土中加入NCS固化材料后，土粒及NCS兩者都發(fā)生了一系列物理、化學(xué)及物理化學(xué)的變化。土粒所起的變化由于NCS固化材料與水接觸后能釋出較多的高價(jià)陽(yáng)離子，如Ca2+和Al3+。這些陽(yáng)離子能進(jìn)入土的膠粒擴(kuò)散層乃至吸附層中，中和膠核表面的負(fù)電荷使ζ電信下降，擴(kuò)散層減薄，水分供NCS水化反應(yīng)，致使土壤含水量下降。土粒之間互相靠近，加上微小的土粒子具有很高的比表面積，在表面能的作用下相互吸附，土粒之間接觸點(diǎn)增多，土粒子移動(dòng)受約束，從而彼此聚集成為幾十微米的土團(tuán)粒。土的結(jié)構(gòu)逐漸由松散的凝聚結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成為更緊密、團(tuán)?；蜕百|(zhì)化的結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推移，土粒在NCS水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2作用下，其主要成分即鋁硅酸鹽粘土礦物的結(jié)構(gòu)開(kāi)始解體，而釋出SiO44-和AlO45-陰離子。這些陰離子在液相中與Ca2+離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)便生成新的水化產(chǎn)物--水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。這些水化產(chǎn)物的形成使土體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步強(qiáng)化，使土表現(xiàn)出較好的后期強(qiáng)度和水穩(wěn)性。NCS產(chǎn)生的變化石灰、硅酸鹽水泥熟料和SCA三者合理配合的NCS固化材料，它加入粘性土中后，逐漸吸取土中游離水及土團(tuán)粒擴(kuò)散層變薄所釋放出的水分，并且進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下分子量56.0818.0274.10密度3.341.002.23固相絕對(duì)體積16.7933.23由此可計(jì)算得出，石灰水化后固相體積增大97.92％，水化所需水量為0.321。同理，硅酸鹽水泥熟料和SCA中主要礦物C3S、C3A、C4A3S水化反應(yīng)時(shí)固相體積增加量和水化所需水量可由以下化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)算得出反應(yīng)式固相體積增大反應(yīng)需水量％2C3S+6H2O→2C1.5SH1.5+3Ca(OH)263.70.237C3A+3CaSO4·2H2O+26H2O→1320.595C3A·3CaSO4·32H2OC4A3S-+8CaSO·2H2O+6Ca(OH)2+74H2O→3C3A·3CaSO4·32H2O1220.548以上化學(xué)反應(yīng)式固相體積增大百分?jǐn)?shù)和水化需水量分別為63.7、0.237；132、0.592；和122、0.548。因此，這些礦物組成均能較多地吸取原始土中的水分，特別是C3A和C4A3S礦物，由于形成含32個(gè)結(jié)晶水的鈣礬石，吸水量均達(dá)50％以上，固相體積增量均在120％以上。生成物固相體積的增加，則必然會(huì)填充土團(tuán)粒間的孔隙，使加固土變得致密。水泥熟料的主要水化產(chǎn)物為C-S-H凝膠，是纖維卷曲狀及微小而不完整的微晶體。尺寸大小處于膠體范圍，有極高的比表面積。因而單位體積內(nèi)彼此接觸點(diǎn)數(shù)目增多，除范德華引力外，還由于表面靜電不平衡而形成化學(xué)鍵結(jié)合，因此提供整個(gè)加固土的強(qiáng)度。NCS固化材料水化產(chǎn)生的鈣礬石為針狀晶體，當(dāng)它密集連生和交叉結(jié)合在一起時(shí)，就構(gòu)成為一個(gè)晶體骨架，與C-S-H凝膠和六方板狀Ca(OH)2晶體交織在一起形成具有三維空間結(jié)晶網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)有別于土的松散凝聚結(jié)構(gòu)，而能賦予加固土較好的強(qiáng)度。因此，隨著NCS固化材料的水化反應(yīng)，加固土中形成一牢固的對(duì)土起增強(qiáng)作用的結(jié)晶網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。還有，NCS固化材料水化早期即能生成鈣礬石，能提高早期強(qiáng)度。隨鈣礬石針狀晶體的生長(zhǎng)和伸展，能插入土團(tuán)粒的縫隙中，起著一種“微型加筋”的增強(qiáng)作用。施工時(shí)應(yīng)在合適的含水量條件下力求將土團(tuán)打碎，使其與NCS固化材料充分?jǐn)噭?，以減少大土團(tuán)的夾雜而影響加固土的強(qiáng)度。這里，還要指出石灰的主要作用。鈣礬石晶體的形成與液相中的堿度有著密切的關(guān)系，當(dāng)其在飽和CaO溶液中，鈣礬石靠近原始礦物相表面成團(tuán)生長(zhǎng)，主要提供體積膨脹，對(duì)于填充孔隙有利，當(dāng)其在不飽和CaO溶液中，鈣礬石相在遠(yuǎn)離原始礦物的液相中生成析出，呈分散分布，交叉生長(zhǎng)形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，主要對(duì)強(qiáng)度起作用。一般希望在固化早期有足夠的膨脹來(lái)填充孔隙，后期當(dāng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成后，則要避免強(qiáng)烈膨脹而引起結(jié)構(gòu)內(nèi)局部應(yīng)力而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。為達(dá)到此目的，就通過(guò)石灰來(lái)調(diào)節(jié)，使之在固化初期，保證液相中CaO能飽和，后期隨著石灰被土團(tuán)的火山灰反應(yīng)所消耗，液相中CaO濃度不斷下降。另外，當(dāng)CaO濃度下降時(shí)形成的低堿度C-S-H(C/S≤1.5)凝膠，與高堿度C-S-H凝膠相比具有更多的共價(jià)鍵Si-O和較少的Ca-O離子鍵，因而強(qiáng)度較高。由上面的分析可以知道，只有當(dāng)石灰、硅酸鹽水泥熟料和SCA三者之間以合適的比例配合時(shí)才能使NCS固化材料能獲得理想的固化效果。上述分析亦可說(shuō)明，NCS固化材料的效果較之單獨(dú)摻加石灰或水泥更為優(yōu)越。單摻石灰，雖有吸水使土凝聚的作用，但需靠后期火山灰反應(yīng)才能提供較高的強(qiáng)度。且固相體積增加和充填孔隙的程度稍差，無(wú)法提供合適的晶膠比顯微結(jié)構(gòu)。單摻水泥時(shí)，雖然水化產(chǎn)物C-S-H凝膠本身具有較好的強(qiáng)度，但其水化釋出的Ca(OH)2數(shù)量相對(duì)地減少，為滿足后期火山灰反應(yīng)所需石灰，就得借助于多摻水泥。此外，當(dāng)土中有機(jī)質(zhì)含量多時(shí)，將與水泥水化釋出的CaO形成有機(jī)酸鈣覆蓋于水泥顆粒表面而妨礙水泥的進(jìn)一步水化，從而影響加固土強(qiáng)度。NCS固化材料消除了上述兩種弊病，因此必然更適合于過(guò)濕土和有機(jī)土的固化。在濕粘土中摻入不同劑量的NCS-1固化材料，進(jìn)行液限、塑限試驗(yàn)，結(jié)果列于表3。表明隨著固化材料劑量的增加，塑限增加較多，液限有所減少，塑性指數(shù)降低，其中以4％-6％劑量時(shí)變化較為明顯。這是由于固化材料與粘土拌和產(chǎn)生物理化作用，使粘粒成分粗?；?，微團(tuán)粒的數(shù)量增多，改變了土的粒徑成分，使土的塑限增加5個(gè)百分點(diǎn)，則增強(qiáng)了土的可壓實(shí)性，較好地改善了濕粘土的壓實(shí)條件。表3NCS-1固化材料不同劑量時(shí)的稠度狀態(tài)</tables>NCS固化材料屬于能延遲硬化時(shí)間的遲硬性結(jié)合料，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工是十分有利的。用4％劑量的NCS-1號(hào)料摻拌濕粘土按Kh90的干密度以不同延時(shí)進(jìn)行制件，從0-24小時(shí)，并于24小時(shí)后將試件擾動(dòng)后制件，其7天(在壓件前浸水24小時(shí))平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度R(MPa)值如表4。用NCS-7、NCS-8(前種配方中用水淬渣代替水泥熟料)固化材料6％劑量摻拌濕粘土按Kh93的干密度從0-6天延時(shí)制件，其7天(在壓件前浸水24小時(shí))平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度R(MPa)值如表5。上述試件均為濕法成型，試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明三種NCS固化材料配方延時(shí)制件對(duì)其強(qiáng)度沒(méi)有什么影響，而第2天、3天的R值更好一些，這是初期水化引起微團(tuán)粒增加形成粗?；欣趬簩?shí)而取得較高強(qiáng)度，這種緩凝性固化材料十分有利于現(xiàn)場(chǎng)施工，可以在2-3天內(nèi)碾壓完畢，大大增加了施工的靈活性，可以充分壓實(shí)滿足要求。表47天4％劑量NCS固化土R(MPa)值</tables>表57天6％劑量NCS固化土R(MPa)值</tables>NCS-1固化材料、石灰摻入濕粘土，按不同劑量用于法與濕法制件，其7天(內(nèi)壓件前浸水24小時(shí))不同干密度時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度R值如表6。試驗(yàn)結(jié)果表明石灰于法的R值大于濕法的R值，由于風(fēng)干土碾細(xì)后與石灰拌和均勻，微團(tuán)粒間結(jié)合緊密，而濕法制件的土團(tuán)及其間石灰摻拌后，土團(tuán)表面灰土形成硬殼較慢，且團(tuán)粒的強(qiáng)度初期顯得不足，因而混合料試件的R值較面灰土形成硬殼較慢，且團(tuán)粒的強(qiáng)度初期顯得不足，因而混合料試件的R值較小。而NCS-1固化材料試件試驗(yàn)結(jié)果的干法與濕法R值基本相同，4％、5％劑量時(shí)的R值接近，6％劑量時(shí)濕法試件較干法試件的R值高，因?yàn)榛旌狭贤翀F(tuán)表面被NCS固化材料包裹后，土團(tuán)水分被吸收而收縮，土的稠度增加，同時(shí)團(tuán)塊表層固化形成硬殼，在大小土團(tuán)間有固化材料聯(lián)結(jié)，生成的鈣礬石在加固土內(nèi)起到微加筋作用，以及固相體積增大，均逐漸使加固土整體強(qiáng)度提高，也是NCS固化材料使?jié)裾惩链至；纳茐簩?shí)性的具體結(jié)果。因此，NCS固化材料穩(wěn)定粘性土?xí)r可以減少收縮，作為路面上、下基層使用，在已建成的NCS固化粘性土上、下基層的黑龍江雙城市及哈爾濱市試驗(yàn)段，路面經(jīng)過(guò)一至兩年后均未發(fā)現(xiàn)橫向裂縫。表6NCS、石灰6％劑量時(shí)干法、濕法制件7天浸水強(qiáng)度(MPa)NCS穩(wěn)定粘性土的浸水強(qiáng)度隨干密度加大，齡期增長(zhǎng)、劑量增加而提高。當(dāng)4％劑量時(shí)，強(qiáng)度(R，MPa)與時(shí)間(T，日)的相關(guān)式R＝0.452T0·19(相關(guān)系數(shù)為0.98)NCS穩(wěn)定土用石灰硅酸鹽水泥熟料SCA＝30∶50∶20的NCS固化材料，穩(wěn)定土的干密度1.58g/cm3含水量22％，其不同劑量(x％)的強(qiáng)度相關(guān)式R＝0.253x+0.1(相關(guān)系數(shù)為0.99)NCS不同穩(wěn)定土的7天浸水強(qiáng)度R(MPa)如表7表7按美國(guó)AASHTO標(biāo)準(zhǔn)凍融試驗(yàn)法，NCS穩(wěn)定土7天齡期的抗凍融循環(huán)系數(shù)為0.65-0.77。黑龍江哈同二出口路NCS穩(wěn)定粘性土路面基層試驗(yàn)段。7天浸水強(qiáng)度NCS劑量6％、8％時(shí)為0.87、0.98MPa，現(xiàn)場(chǎng)基層為NCS7％劑量，取現(xiàn)場(chǎng)施工混合料成型，養(yǎng)生28天浸水強(qiáng)度為3.01-3.58MPa，瀝青路面(厚4cm)竣工后50天測(cè)定平均彎沉值為1.45mm(基層厚20cm)、0.67mm(基層厚40cm)。黑龍江樺石路NCS穩(wěn)定土試驗(yàn)段。下基層施工現(xiàn)場(chǎng)取料4％劑量7天浸水強(qiáng)度0.84-1.28MPa，上基層施工現(xiàn)場(chǎng)取料8％劑量7天浸水強(qiáng)度1.54-2.20MPa，上下基層各厚15cm，竣工后一個(gè)月測(cè)得軸重60kN的平均彎沉為0.46mm，(路基彎沉為1.2mm)。黑龍江雙城NCS穩(wěn)定土試驗(yàn)段。路面為5cmNCS10％劑量穩(wěn)定碎石土磨耗層，基層為15cmNCS6％劑量穩(wěn)定土，竣工后路面平均彎沉為0.61mm(軸重60kN)，路基平均彎沉為0.98mm。NCS固化材料比常用的石灰、水泥材料有更好的吸水性，同時(shí)使粘土的塑限增加、液限降低，稠度提高，粘土團(tuán)塊易于粉碎，被材料包裹土團(tuán)的表層硬化，其內(nèi)部趨向縮限，明顯改善了土的壓實(shí)條件。由于它屬于延遲硬化時(shí)間的遲硬性固化材料，有2-3天時(shí)間允許混合料充分拌和，可達(dá)到最好的壓實(shí)效果，實(shí)現(xiàn)最佳的壓實(shí)工藝，增強(qiáng)了粘土的可壓實(shí)性。由于NCS固化材料加固土早期水化作用及后期火山反映的持續(xù)進(jìn)行，改進(jìn)了石灰類穩(wěn)定粘性土半剛性材料早期強(qiáng)度低的不足，用它作路面底基層的劑量?jī)H為石灰土劑量的一半，為就地使用濕粘土直接鋪筑半剛性基層開(kāi)拓了新的途徑?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定水穩(wěn)定土的塑性指數(shù)在12以下，石灰穩(wěn)定土的塑性指數(shù)在20以下，NCS固化材料穩(wěn)定土試驗(yàn)路的塑性指數(shù)超過(guò)20，而且含水量高，其加固處理效果十分理想，實(shí)際上綜合擴(kuò)大了石灰、水泥穩(wěn)定土的優(yōu)點(diǎn)，既能使?jié)裾惩量焖俅至；€具有較好的早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度，較好地解決了過(guò)濕土路基填筑，以及無(wú)砂地區(qū)就地利用粘性土修建路面基層的問(wèn)題，工藝簡(jiǎn)單，便于推廣使用，經(jīng)濟(jì)性好，應(yīng)用前景廣闊。權(quán)利要求獨(dú)立權(quán)利要求如下本發(fā)明是一種新型復(fù)合粘性土固化材料(NewtypeofCompositestabilizerforCohesivesoil)簡(jiǎn)稱NCS。NCS的組份為石灰、硅酸鹽水泥熟料，再添加一種“SCA”材料(一種含硫、鋁、鈣的高性能無(wú)機(jī)吸水增強(qiáng)材料)進(jìn)行改性而成的固化材料。其中生石灰所起作用是吸水和使土粒砂質(zhì)化，固化后期與土粒發(fā)生火山灰反應(yīng)提供后期強(qiáng)度，硅酸鹽水泥熟料的作用是提供強(qiáng)度和增強(qiáng)土團(tuán)粒之間的聯(lián)結(jié)，“SCA”起強(qiáng)烈吸取土中水分使土粒凝聚，促進(jìn)土粒砂化，并生成針狀礦物(鈣礬石)，提供早期強(qiáng)度和具有“微型加筋”作用，針對(duì)過(guò)濕土、路面基層及地基的特點(diǎn)，以三者不同的最佳配比(其中SCA有不同組成配比)，可以有效地降低粘性土含水量，改善壓實(shí)性，增強(qiáng)穩(wěn)定土強(qiáng)度、水穩(wěn)性及抗凍融能力，減少固化土的收縮，達(dá)到就地利用不同粘性土(含有機(jī)質(zhì)土)直接加固路基修建路面基層的目的。NCS固化材料的配比范圍為石灰硅酸鹽水泥熟料“SCA＝(35～60)∶(15～50)∶(10～40)。根據(jù)不同粘性土特性配制NCS固化材料系列產(chǎn)品NCS-1適用于塑性指數(shù)為12～20的粘性土；NCS-2適用于塑性指數(shù)為15～25的粘性土、含有機(jī)質(zhì)土、黑龍江黑土；NCS-3適用于塑性指數(shù)為10～17的粘性土、鹽漬土、黃土；NCS-4適用于塑性指數(shù)為18-35的粘土、高含水量粘土、有機(jī)土、膨脹土。NCS系列產(chǎn)品組份配比(％)如下</tables>全文摘要本發(fā)明是在石灰、硅酸鹽水泥熟料中添加合成含硫、鋁、鈣高性能無(wú)機(jī)吸水增強(qiáng)材料改性而成的復(fù)合粘性土固化材料，它與粘性土均勻拌和，有較好的吸水性，使土塊砂質(zhì)化，屬延遲硬化的遲硬性材料，便于施工壓實(shí)，具有早強(qiáng)性和長(zhǎng)期強(qiáng)度增長(zhǎng)特性，收縮性小以及高的抵抗干濕循環(huán)，凍融循環(huán)的耐久性，主要用于公路粘性土路基與路面基層的固化處理，也可用于濕軟地基的加固處理。文檔編號(hào)C04B28/06GK1163302SQ9710406公開(kāi)日1997年10月29日申請(qǐng)日期1997年4月24日優(yōu)先權(quán)日1997年4月24日發(fā)明者楊世基申請(qǐng)人:楊世基