CN105948639A - 一种高强低收缩抗裂路面基层材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强低收缩抗裂路面基层材料，属于建筑材料领域，它由水泥、钢渣砂、细粒土、外加剂以6:(10～40):(49～83):(1～5)的质量比复配而成。本发明所述基层材料以钢渣砂和细粒土作为原材料取代碎石，采用一定量的水泥和外加剂对钢渣土进行稳定处理，解决了筑路资源短缺和水泥稳定细粒土作为基层时收缩开裂大的问题，且可有效降低道路基层的造价。该基层材料具有强度高、干缩系数小、水稳定性好等特点，满足技术要求；能够提高基层材料的抗裂性能，防止出现裂缝，提高基层材料的路用性能和耐久性能，保证结构稳定的作用，可广泛应用于工程实际。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种高强低收缩抗裂路面基层材料。
背景技术
在我国公路路面结构中，路面基层材料多采用石料。因砂石需求量巨大，已不能满足日益增长的工程建设需求，不得不采取开山炸石、挖河采砂等方式获取原材料，给自然环境带来严重破坏。另一方面，采石场与施工现场距离较远，长距离的石料运输增加了工程造价。因此，为了节约石料使用，减少运输成本，国内外研究者充分利用来源最广泛的土壤资源，采用稳定材料对道路基层土壤进行处理，使其满足工程设计要求。
通常，由于水泥稳定细粒土的干缩和温缩系数较大，容易产生收缩裂缝，影响沥青面层，因此一般不用于二级和二级以上公路高级路面的基层，限制了细粒土的使用范围。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高强低收缩抗裂路面基层材料，以钢渣砂和细粒土作为原材料取代碎石，采用一定量的水泥和外加剂对钢渣土进行稳定处理，解决了筑路资源短缺和水泥稳定细粒土作为基层时收缩开裂大的问题，且可有效降低道路基层的造价，所得基层材料具有强度高、干缩系数小、水稳定性好等特点，满足技术要求，能够提高基层材料的抗裂性能，防止出现裂缝，提高基层材料的路用性能和耐久性能，保证结构稳定，广泛应用于工程实际，同时可有效利用分布广泛的土壤资源和工业副产品，取代碎石等天然资源，且涉及的制备方法简单、原材料成本低、适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高强低收缩抗裂路面基层材料，它由水泥、钢渣砂、细粒土、外加剂以6:(10～40):(49～83):(1～5)的质量比复配而成；其中外加剂中的各组分及其所占质量百分比分别为：包括石膏(CaSO4·2H2O)3～8％、九水偏硅酸钠(Na2SiO3·9H2O)2～5％、水稳增强剂1～2％、氯化钙(CaCl2·2H2O)10～28％、氧化镁15～30％、矿粉10～20％和消石灰15～25％。
根据上述方案，所述细粒土的颗粒最大粒径小于9.5mm，且其中小于2.36mm的颗粒含量不少于90％。
根据上述方案，所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。
根据上述方案，所述钢渣砂由炼钢厂排出的废渣陈化一年以上后再经破碎、筛分和磁选工艺制备而成；其细度模数为2.0～3.6，0.075mm方孔筛的通过率为5～15％，表观密度为3～3.5g/cm3，钢渣砂中f-CaO含量为1～5wt％。
根据上述方案，所述石膏为天然二水石膏，其表观密度为1300～1600kg/m3，SO3含量≥35％。
根据上述方案，所述九水偏硅酸钠为市售白色结晶状粉末，其相对密度为0.7～0.9，熔点为40～48℃，总碱量为28.5～30.0wt％，二氧化硅含量为27.3～29.2wt％。
根据上述方案，所述水稳增强剂为市售硬脂酸钠乳液，其分子结构式(1)所示。
根据上述方案，所述氯化钙为市售二水氯化钙粉末，其中CaCl2的含量74～95wt％。
根据上述方案，所述氧化镁由菱镁矿原料经900～1100℃保温煅烧1～2.5h制备而成，其中MgO的质量含量大于80％，比表面积大于300m2/kg。
根据上述方案，所述矿粉为高炉水渣，S95级，其勃氏比表面积大于350m2/kg。
根据上述方案，所述消石灰为市售氢氧化钙，呈白色粉末状固体，细度为80～400目；其中CaO的含量为80～95wt％。
本发明的原理为：
1.强度：
(1)钢渣砂的掺入在一定程度上改善所得混合料的颗粒级配，有利于机械压实形成强度；钢渣颗粒能均匀分布于水泥颗粒之间，在水化过程中具有微集料效应；钢渣中粒径较小的粉料和矿粉在水泥、二水石膏和九水偏硅酸钠的相互作用下，其活性得到激发，水化生成C-S-H凝胶和钙矾石，这些水化产物相互交织搭接在土的孔隙中，将土颗粒包裹起来，降低黏土的塑性，随着水化产物的增加，钢渣土也逐渐坚固起来，强度得到提升。
(2)二水石膏(CaSO4·2H2O)在水泥水化早期与水泥矿物发生反应生成钙矾石晶体，其与水化硅酸钙一起形成网状联结结构，填充于土体孔隙中，提高材料的强度。此外，在二水石膏和消石灰的共同作用下，土壤、钢渣粉和矿粉中的活性氧化铝按如下过程进行反应形成水化硫铝酸钙：
CaO+Al2O3+3(CaSO4·2H2O)+2Ca(OH)2+24H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O；
(3)氯化钙作为一种可溶性氯盐，与水泥中的C3A作用生成不溶于水的水化氯铝酸盐，加速水泥中的C3A的水化；氯化钙还与水泥水化所得的Ca(OH)2反应生成难溶于水的氯酸钙，降低液相中Ca(OH)2的浓度，加速C3S的水化，并生成的复盐增加水泥浆中固相的比例，形成坚强的骨架，有助于水泥石结构的形成；另外，氯化钙溶于水后可提供二价的Ca2+离子，它将与粘土颗粒表面的低价阳离子(Na+、K+等)进行离子交换，促使较小的土颗粒形成较大的团粒，提高土体强度；另外，CaCl2还能促进钢渣粉中的C3A水化反应，与其发生作用生成水化氯铝酸钙(3CaO·Al2O3·3CaCl2·32H2O)，同时还与氢氧化钙作用生成氧氯化钙(CaCl2·3Ca(OH)2·12H2O和3Ca(OH)2·12H2O)等不溶性产物，增加固相的比例，形成坚固的骨架，提高基层材料的强度；
(4)消石灰(Ca(OH)2)在土体孔隙中提供大量的Ca2+离子，二价钙离子将与土料中的低价阳离子发生离子交换作用，降低土颗粒表面的水膜层厚度，使颗粒进一步凝聚在一起，提高致密性；此外，氢氧化钙与土壤和钢渣砂中的活性氧化物发生火山灰反应，生成硅酸钙、铝酸钙凝胶，使土颗粒和钢渣砂颗粒很好地胶结在一起；有一部分Ca(OH)2与二氧化碳发生碳酸化作用生成稳定的碳酸钙，进一步提高材料的强度；
上述组分协同作用，显著提高所得基层材料强度，有效取代碎石等天然资源。
2.收缩性能：
(1)本发明采用氧化镁与水发生水化反应，水解生成Mg2+和OH-，当达到饱和以后沉淀析出氢氧化镁(MgO+H2O→Mg(OH)2)；氢氧化镁晶体的生长和长大会引起固体体积的增大，从而使稳定土形成一定的膨胀，减少稳定土各龄期内的自收缩，同时，生成的晶体还有效填充土体的孔隙，致密稳定土结构；此外，土中孔隙水的Mg2+离子将与粘土颗粒表面的低价阳离子(Na+、K+等)进行离子交换，土粒表面吸附的离子由一价变成二价，减少了土粒表面吸附水膜厚度，使土粒更接近，分子引力随之增加，减少了吸水性，提高了水稳性；并可促使较小的土颗粒形成较大的团粒，提高土体强度；氧化镁的水化是不可逆的渐进反应，水化反应是连续稳定的；水化产物Mg(OH)2溶解度非常低，一旦生成便长期稳定存在，此外，氢氧化镁长期暴露在空气中时，会与空气、土体孔隙中的的二氧化碳发生反应，生成碳酸镁，镁的碳酸化合物就有很高的胶结强度，有利于提高稳定土的强度；
(2)钢渣砂中含有的1～5wt％f-CaO水化生成氢氧化钙，体积膨胀，其可以用于补偿基层材料的收缩，避免裂缝产生；
3.稳性性：硬脂酸钠中含有18个碳原子的长碳链，长链烃基为憎水基团，疏水性长碳链端会伸入水泥土毛细孔中改变毛细孔网络的表面张力，可使水泥土的毛细孔及土体表面成为憎水表面；硬脂酸钠中的羧基具有亲水特性，利用皂化反应Na+取代，形成的—COONa与水泥水化产物氢氧化钙作用，形成不溶性钙皂的薄络合吸附层，从而堵塞土体中毛细孔，提高土体的抗渗性能和水稳定性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明将细粒土应用于制备高强低收缩抗裂路面基层材料，可有效克服细粒土干缩和温缩系数较大的缺陷，同时与钢渣砂等其他胶凝材料复配使用，使所得基层材料表现出低收缩、抗裂早期强度高、不影响施工进度、水稳性好等特点，提高道路使用寿命，适用于底基层、基层、二级和二级以上公路高级路面的基层，拓宽了细粒土的应用范围。
2)本发明可充分利用廉价的土壤资源、钢渣砂和矿粉等工业废渣，可节约大量的自然资源和能源，并可有效取代碎石、砂石等天然矿物资源，环境友好，降低基层材料成本，具有重要的环境效益、社会效益和经济效益。
3)本发明采用少量的硬脂酸钠乳液，利用其特有的憎水亲水特性，降低土体毛细孔表面张力并形成不溶性钙皂的薄络合吸附层，使土体具有一定的憎水能力，提高土体的抗渗性能和水稳定性能。
4)本发明采用具有延迟膨胀特性的氧化镁，利用其水化产生体积膨胀的特性，补偿基层材料的早期自收缩，利用其特有的持续微膨胀性，又能在较长龄期内对基层材料的中后期自收缩起到有效补偿。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步详细描述本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下的实例。
以下实施例中，水泥采用华新P.O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为336m2/kg，3d和28d强度分别为31.9MPa和43.3MPa；钢渣砂为炼钢厂排出的废渣在陈化一年以上再经破碎、筛分和磁选工艺制备得到，所述钢渣砂的细度模数为2.3～3.6，0.075mm方孔筛通过率为14.6％，表观密度为3～3.5g/cm3，钢渣砂中f-CaO含量为1～5wt％；石膏为天然二水石膏，表观密度1300～1600kg/m3，SO3含量≥35％；九水偏硅酸钠为市售白色结晶状粉末，相对密度为0.7～0.9，熔点为40～48℃，总碱量为28.5～30.0wt％，二氧化硅含量为27.3～29.2wt％；水稳增强剂为市售硬酯酸钠乳液；氯化钙为市售二水氯化钙粉末，其中CaCl2的含量为74～95wt％；矿粉为高炉水渣，S95级，其勃氏比表面积大于350m2/kg；消石灰为市售氢氧化钙，其中CaO的含量80～95wt％，细度为80～400目，呈白色粉末状固体；氧化镁为900～1100℃煅烧菱镁矿(辽宁海城，其粒径为2～4cm)原料制得的氧化镁，MgO的质量含量大于80％，比表面积大于300m2/kg，具体制备方法如下：
1)先将菱镁矿破碎到一定的粒径，然后将破碎过的菱镁矿放入粉磨机中粉磨半小时，将粉料过200目筛，将粉料分别称100g放入瓷表面皿中；2)放入电子炉中，以10℃/min的升温速度，将炉温分别加热到800℃、900℃、1000℃下，分别保温1h、1.5h、2h、2.5h；3)恒温设定时间之后取出，取出的轻烧氧化镁在干燥器中冷却；4)煅烧制得的氧化镁按《YB/T4019-2006》测定其活性，以下实施例中所使用的活性氧化镁，其煅烧温度为900℃，保温时间为1.5h，比表面积为386m2/kg。
以下实施例中，采用的细粒土为粉质黏土，其风干含水量为7.1％，粒径＜4.75mm。
实施例1
一种高强低收缩抗裂路面基层材料，它由水泥、钢渣砂、细粒土和外加剂以6:20:72:2的质量比经复配而成，其中外加剂中各组分及其所占质量百分比为：二水石膏5％、九水偏硅酸钠2％、水稳增强剂1％、矿粉20％、氯化钙25％、氧化镁25％、消石灰22％；所述高强低收缩抗裂路面基层材料的制备方法具体如下：
按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)测定上述原料的最佳含水量为14.78％，最大干密度为2.068g/cm3；按各组分的重量配比称取钢渣砂和细粒土，将二者进行混合，并加入比最佳含水量小3％的水，闷料不少于10小时；将称取的二水石膏、九水偏硅酸钠、氯化钙、氧化镁、矿粉、消石灰与水泥充分混合至均匀得外加剂备用；试件成型前1h内，将所得外加剂混合粉加入到已闷料的混合料中进行拌合，边拌合边将预留的3％水与水稳增强剂的混合液，拌合均匀的混合料，即为所述高强低收缩抗裂路面基层材料，然后用压力机进行压制成型。
参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)所述要求对所得成型产品进行无侧限抗压强度和收缩试验，结果分别见表1和表2。
表1 实施例1～3所得高强低收缩抗裂路面基层材料的抗压强度测试结果
表2 实施例1所得高强低收缩抗裂路面基层材料的干缩试验结果
实施例2
一种高强低收缩抗裂路面基层材料，它由水泥、钢渣砂、细粒土和外加剂以6:40:51:3的质量比经复配而成，其中外加剂中各组分及其所占质量百分比为：二水石膏5％、九水偏硅酸钠5％、水稳增强剂2％、矿粉15％、氯化钙28％、氧化镁20％、消石灰25％。
按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)测定上述原料的最佳含水量为15.48％，最大干密度为2.074g/cm3；按各组分的重量配比称取钢渣砂和细粒土，将二者进行混合，并加入比最佳含水量小3％的水，闷料不少于10小时；将称取的二水石膏、九水偏硅酸钠、氯化钙、氧化镁、矿粉、消石灰与水泥充分混合至均匀得外加剂备用；试件成型前1h内，将所得外加剂混合粉加入到已闷料的混合料中进行拌合，边拌合边将预留的3％水与水稳增强剂的混合液，拌合均匀的混合料，即为所述高强低收缩抗裂路面基层材料，然后用压力机进行压制成型。
参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)所述要求对所得成型产品进行无侧限抗压强度和收缩试验，结果分别见表1和表3。
表3 实施例2所得高强低收缩抗裂路面基层材料的干缩试验结果
实施例3
一种高强低收缩抗裂路面基层材料，它由水泥、钢渣砂、细粒土和外加剂以6:10:80:4的质量比经复配而成，其中外加剂中各组分及其所占质量百分比为：二水石膏5％、九水偏硅酸钠4％、水稳增强剂2％、矿粉20％、氯化钙15％、氧化镁29％、消石灰25％。
按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)测定上述原料的最佳含水量为15.08％，最大干密度为2.070g/cm3；按各组分的重量配比称取钢渣砂和细粒土，将二者进行混合，并加入比最佳含水量小3％的水，闷料不少于10小时；将称取的二水石膏、九水偏硅酸钠、氯化钙、氧化镁、矿粉、消石灰与水泥充分混合至均匀得外加剂备用；试件成型前1h内，将所得外加剂混合粉加入到已闷料的混合料中进行拌合，边拌合边将预留的3％水与水稳增强剂的混合液，拌合均匀的混合料，即为所述高强低收缩抗裂路面基层材料，然后用压力机进行压制成型。
参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)所述要求对所得成型产品进行无侧限抗压强度和收缩试验，结果分别见表1和表4。
表4 实施例3所得高强低收缩抗裂路面基层材料的干缩试验结果
对比例
一种水泥稳定土，它由水泥和细粒土以6:94的质量比经混合而成，然后用压力机进行压制成型。按照实施例1所述方法对所得成型产品进行无侧限抗压强度和收缩试验，结果分别见表1和表5。
表5 对比例所得水泥稳定土的干缩试验结果
由表1可知，在最佳含水量和最大干密度状态下，通过本发明提供的高强低收缩抗裂路面基层材料的7d和28d无侧限抗压强度均比水泥稳定土的强度高；由表2～5可知，通过本发明提供的高强低收缩抗裂路面基层材料的干缩应变随时间增长的变化规律基本一致，干缩应变均随着时间的增长而变大，而增大幅度比水泥稳定土的干缩应变值小；高强低收缩抗裂路面基层材料的干缩系数随时间的增长呈不同程度减小趋势，比水泥稳定土体的干缩系数小很多。
综上所述，采用本发明提供的高强低收缩抗裂路面基层材料具有抗压强度高、干缩系数小、水稳定性好等特点，满足技术要求。能够提高基层材料的抗裂性能，防止出现裂缝，提高基层材料的路用性能和耐久性能，保证结构稳定的作用。
显然，上述实例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方案予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高强低收缩抗裂路面基层材料，其特征在于，它由水泥、钢渣砂、细粒土、外加剂以6:(10～40):(49～83):(1～5)的质量比复配而成；其中外加剂的各组分及其所占质量百分比分别为：石膏3～8％、九水偏硅酸钠2～5％、水稳增强剂1～2％、氯化钙10～28％、氧化镁15～30％、矿粉10～20％、消石灰15～25％。
2.根据权利要求1所述的高强低收缩抗裂路面基层材料，其特征在于，所述细粒土的颗粒最大粒径小于9.5mm，且其中小于2.36mm的颗粒含量不少于90％。
3.根据权利要求1所述的高强低收缩抗裂路面基层材料，其特征在于，所述钢渣砂由炼钢厂排出的废渣陈化一年以上后再经破碎、筛分和磁选工艺制备而成；其细度模数为2.0～3.6，0.075mm方孔筛的通过率为5～15％，表观密度为3～3.5g/cm3，钢渣砂中f-CaO含量为1～5wt％。
4.根据权利要求1所述的高强低收缩抗裂路面基层材料，其特征在于，所述石膏为天然二水石膏，其表观密度为1300～1600kg/m3，SO3含量≥35％。
5.根据权利要求1所述的高强低收缩抗裂路面基层材料，其特征在于，所述水稳增强剂为市售硬脂酸钠乳液。
6.根据权利要求1所述的高强低收缩抗裂路面基层材料，其特征在于，所述氯化钙为市售二水氯化钙粉末，其中CaCl2的含量74～95wt％。
7.根据权利要求1所述的高强低收缩抗裂路面基层材料，其特征在于，所述氧化镁由菱镁矿原料经900～1100℃保温煅烧1～2.5h制备而成，其中MgO的质量含量大于80％，比表面积大于300m2/kg。
8.根据权利要求1所述的高强低收缩抗裂路面基层材料，其特征在于，所述矿粉为高炉水渣，S95级，其勃氏比表面积大于350m2/kg。
9.根据权利要求1所述的高强低收缩抗裂路面基层材料，其特征在于，所述消石灰为市售氢氧化钙，呈白色粉末状固体，细度为80～400目；其中CaO的含量为80～95wt％。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |