CN109437716B

CN109437716B - 固化风积砂的固化剂、固化风积砂的方法及风积砂底基层

Info

Publication number: CN109437716B
Application number: CN201811305613.0A
Authority: CN
Inventors: 苏跃宏; 刘俊芳; 康洪奎; 满达; 任栋栋
Original assignee: Inner Mongolia University of Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Technology
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2038-11-05
Also published as: CN109437716A

Abstract

本发明公开固化风积砂的固化剂、固化风积砂的方法及风积砂底基层，固化剂由如下组分组成:粉煤灰、石灰、石膏、激发剂、交联剂A和增强材料B。固化剂在风积砂底基层中的应用，是将固化剂和水掺入风积砂,用作材料。通过对粉煤灰化学性质的分析，把内蒙古某电厂的一级粉煤灰作为主要原料，加入三级生石灰，再加入高强石膏、激发剂NaOH、交联剂A和增强材料B，把粉煤灰的掺量控制在60％，通过改变其它材料掺量，用水泥胶砂试验的方法测出其无侧限抗压强度，通过对比分析，确定所加材料最后的配合比，研制出了高掺量粉煤灰固化剂。用固化剂去固化库布其沙漠的风积砂，可以满足公路路面底基层的技术规范要求。

Description

固化风积砂的固化剂、固化风积砂的方法及风积砂底基层

技术领域

本发明涉及交通基础设施建设技术领域。具体地说是固化风积砂的固化剂、固化风积砂的方法及风积砂底基层。

背景技术

风积砂是指被风吹、积淀的砂层，是各种矿物颗粒的集合体，多见于戈壁、沙漠。在穿沙公路的建设中常常会遇到风积砂，这种砂一般有结构松散、孔隙率大、压缩性较高、强度较低等特点，当风积砂遇水时，水稳定性比较低，常造成道路的严重损坏，如路基沉陷、路面结构层断裂或开裂、路基边坡失稳等，这给沙漠中的道路建设与交通发展带来许多不便利。风积砂有级配不良、松散、聚合性差、成型困难(强度、刚度低)等缺点，很难被直接应用在于工程(结构层)中。因此寻找一种固化剂，能够克服风积砂的缺点，从而可以将风积砂作为一种路基填筑材料而应用到沙漠公路的建设中，实现公路建设就地取材，节省资源和能源，保护生态环境，成为人们研究的重点。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供固化风积砂的固化剂、固化风积砂的方法及风积砂底基层，使得在沙漠公路建设中，可以就地取材，利用风积砂作为公路路面底基层的主要原料，降低沙漠公路建设成本。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：固化风积砂的固化剂，由如下组分组成:粉煤灰或改性粉煤灰、石灰、石膏、激发剂、交联剂A和增强材料B。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

通过对粉煤灰化学性质的分析，把内蒙古某电厂的一级粉煤灰作为主要原料，加入三级生石灰，再加入高强石膏、激发剂NaOH、交联剂A和增强材料B，把粉煤灰的掺量控制在60％，通过改变其它材料掺量，用水泥胶砂试验的方法测出其无侧限抗压强度，通过对比分析，确定所加材料最后的配合比，研制出了高掺量粉煤灰固化剂。

对鄂尔多斯库布其沙漠风积砂的物理性能做试验，得出其天然含水率为8.07％，密度为1.54g/cm³，通过对风积砂的筛分试验得出其颗粒不均匀系数Cu为2.28，曲率系数为1，表明风积砂级配不良。通过击实试验得出风积砂的最优含水率为10.54％，最大干密度为1.709g/cm³。

用固化剂去固化库布其沙漠的风积砂，用内掺法分别掺入6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％的固化剂，进行无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验。试验表明随着固化剂掺量的增加无侧限抗压强度和劈裂强度也增加，当固化剂含量为6％和8％时，固化风积砂7天龄期的无侧限抗压强度达到1.07MPa和1.41MPa，90天龄期的劈裂强度为0.45MPa和0.55MPa，满足公路路面底基层的技术规范要求。

针对底基层养生过程中出现裂缝的问题，本发明通过对粉煤灰进行改性处理以及更换自制的改性聚丙烯酰胺，使得底基层收缩裂缝的数量和宽度大大降低。

附图说明

图1本发明固化剂的无侧限抗压强度与水胶比的关图；图2本发明固化剂的在不同龄期的不同粉煤灰和石灰含量与无侧限抗压强度关系图；图3本发明固化剂的不同石灰含量在相同龄期与无侧限抗压强度关系图；图4本发明固化剂的在不同龄期不同石膏含量与无侧限抗压强度关系图；图5本发明固化剂的不同石膏含量在相同龄期与无侧限抗压强度关系图；图6本发明固化剂的在不同龄期不同交联剂A含量与无侧限抗压强度关系图；图7本发明固化剂的不同交联剂A含量在相同龄期与无侧限抗压强度关系图；图8本发明固化剂的在不同龄期不同NaOH含量与无侧限抗压强度关系图；图9本发明固化剂的不同NaOH含量在相同龄期与无侧限抗压强度关系图；图10本发明固化剂的在不同龄期不同增强材料B含量与无侧限抗压强度关系图；图11本发明固化剂的不同增将材料B含量在相同龄期与无侧限抗压强度关系图；图12不同龄期与水泥无侧限抗压强度的关系图；图13库布其沙漠风积砂的粒径级配曲线；图14库布其沙漠风积砂的含水率与干密度的关系曲线图；图15本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的固化剂掺入量为6％的含水率与干密度的关系图；图16本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的固化剂掺入量为8％的含水率与干密度的关系图；图17本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的固化剂掺入量为10％的含水率与干密度的关系图；图18本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的固化剂掺入量为12％的含水率与干密度的关系图；图19本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的固化剂掺入量为14％的含水率与干密度的关系图；图20本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的固化剂掺入量为16％的含水率与干密度的关系图；图21本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的固化剂掺入量为18％的含水率与干密度的关系图；图22本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的固化剂含量与最优含水率的关系图；图23本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的掺入不同含量的固化剂在不同龄期与无侧限抗压强度关系图；图24本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的不同固化剂含量在相同龄期与无侧限抗压强度的关系；图25本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的掺入不同含量的固化剂在不同龄期与劈裂强度关系图；图26本发明固化剂在风积砂底基层中的应用的不同固化剂含量在相同龄期与劈裂强度的关系图。

具体实施方式

固化剂的基础配方研制

1.1试验材料

1.粉煤灰主要的化学成分和矿物组成如下表1和表2。

表1我国粉煤灰主要的化学成分(％)

成分	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>0<sub>3</sub>	MgO	CaO	Na<sub>2</sub>O	SO<sub>3</sub>	K<sub>2</sub>O
									范围	1.3-65.8	1.6-40.1	1.5-6.2	1.2-3.7	1.4-16.8	1.1-4.2	1.0-6.0	1.0-2.1

表2我国粉煤灰的矿物组成范围(％)

矿物名称	低铁玻璃珠	玻璃态SiO<sub>2</sub>	低温型石英	莫来石	高铁玻璃珠	玻璃态Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	含碳量
								平均值	59.8	38.5	6.4	20.4	5.2	12.4	8.2
含量范围	42.2-70.1	26.3-45.7	1.1-15.9	11.3-29.2	0-21.1	4.8-21.5	1.0-23.5

本发明采用内蒙古某火力发电厂的Ⅰ级C类粉煤灰，其化学组成如下表3所示：

表3试验所用Ⅰ级粉煤灰的主要化学成分(％)

成分	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>0<sub>3</sub>	CaO	MgO	Na<sub>2</sub>O	K<sub>2</sub>O	SO<sub>3</sub>	CO<sub>2</sub>	TiO<sub>2</sub>	S<sub>r</sub>O	others
													含量(％)	40.28	18.15	8.56	18.08	2.34	1.31	1.76	0.73	5.18	0.95	0.73	0.58

由上面的化学成分,可知粉煤灰中的CaO含量达到18.08％，属于高钙粉煤灰，其活性比较高。

2.石灰：本发明用的是内蒙古某白灰厂的生石灰，氧化钙含量为65％-75％，属于Ⅲ级生石灰。

3.石膏：本发明采用的石膏是高强性的α半水石膏(α-CaSO₄·0.5H₂O)。

4.其它材料：为了使所研制固化剂强度更进一步的提升，发挥更好的固化作用，还需加入少量的NaOH碱性激发剂、交联剂A(高分子聚合物)、增强材料B。交联剂：市售聚丙烯酰胺，增强剂：水泥PO.42.5冀东水泥。

1.2试验内容与方法

在具备各种材料的基础上，依据GB/T1767—1999《水泥胶砂强度检验方法》用配制的材料做胶砂试验。首先用纯粉煤灰按不同的水灰比进行胶砂试验，7天龄期测其无侧限抗压强度，通过对比分析，取适合的水灰比用于本次试验。粉煤灰中用内掺法掺入不同含量的生石灰，进行胶砂试验，测其7天、14天、28天龄期的无侧限抗压强度，确定粉煤灰和石灰的最佳配合比。再分别掺入不同含量的石膏、交联剂A、激发剂NaOH、增强材料B，通过胶砂试验测其无侧限抗压强度，对比分析，得出每种材料的最佳掺量。用配好的固化剂与冀东P.O32.5水泥的无侧限抗压强度强度对比，分析配好的固化剂能否应用于工程中。

2.2固化剂水胶比的试验研究

2.1试验目的与步骤

本次胶砂试验要有统一的水胶比才能合理的分析不同材料的掺入量对固化剂强度的影响，因此要找出合适的水胶比。用内蒙古某火力发电厂的Ⅰ级C类粉煤灰依据GB/T1767—1999《水泥胶砂强度检验方法》的试验方法进行胶砂试验。将粉煤灰和标准砂按1:3混合搅拌，装入40×40×160毫米标准试模，水灰比分别设定为0.35、0.40、0.45、0.50、0.55共五组，每组六个小试件，在振动台上振实成型，24小时后脱模，脱模后在标准恒温恒湿养护室中养护，养护温度为20℃±2℃，相对湿度为95％，养护龄期为7天。达到龄期后进行无侧限抗压强度试验。

2.2试验结果与分析

纯粉煤灰强度与水胶比的关系如表4和图1所示，以下每组数据均为六个小试件的平均无侧限抗压强度值

表4水胶比与粉煤灰无侧限抗压强度的关系

试验编号	1	2	3	4	5
						水胶比	0.35	0.40	0.45	0.50	0.55
强度(MPa)	1.10	0.82	0.65	0.53	0.44

由图1可知，随着水胶比的增加，粉煤灰的无侧限抗压强度逐渐降低。水胶比为0.35时，无侧限抗压强度最高，7天龄期达到1.10MPa，随着水胶比的增加强度下降，当水胶比为0.55时强度为0.44MPa，强度下降还是比较明显，由此可得，含水量对强度有较大的影响。GB/T1767—1999《水泥胶砂强度检验方法》的规范中水泥胶砂试验把水胶比定为0.5，由于本次试验中粉煤灰是主要的试验材料，所以为了提高试件强度，水胶比应稍比0.5低些。又因为粉煤灰在后面的试验中和石灰、石膏等发生化学发应，需要一定量的水，所以本次胶砂试验的水胶比应大于0.35。为了提高试验的无侧限抗压强度，关于固化剂的胶砂试验水胶比都采用为0.45。

3粉煤灰与石灰配合比的试验研究

3.1试验方法

粉煤灰与石灰会发生火山灰反应，产生坚硬的物质，是产生强度的基础。所以在粉煤灰中用内掺法掺入20％、30％、40％、50％、60％的Ⅲ级生石灰，即把粉煤灰与石灰的质量配比定为8:2、7:3、6:4、5:5、4:6五组。根据GB/T1767—1999《水泥胶砂强度检验方法》，用粉煤灰和石灰配成的材料做胶砂试验，水胶比为0.45。按照上述配合比分为五组，每组制作九个试件，24小时后脱模，脱模后在标准恒温恒湿养护箱中养护，养护温度为20℃±2℃，相对湿度为95％，试件的养护龄期为7天、14天、28天。龄期到时取每组的试件进行无侧限抗压强度试验。

3.2试验结果

粉煤灰与石灰五个配比，在7天、14天、28天龄期的无侧限抗压强度试验结果如表5和图2所示(无侧限抗压强度为9组平均值)。

表5在不同龄期(7天、14天和28天)不同粉煤灰和石灰含量的无侧限抗压强度值

在同一龄期内，不同石灰含量的无侧限抗压强度值，如表6和图3所示。

表6不同石灰含量在相同龄期的无侧限抗压强度关系

3.3结果分析

粉煤灰与石灰作为工程中常用的无机结合材料，其能提高材料强度的主要原因是遇水后石灰会发生解离、碳化和结晶作用以及和粉煤灰发生的火山灰反应形成水化硅酸钙、水化铝酸钙等系列坚硬性物质，使其强度提高。其中石灰的解离作用是所有过程的基础，石灰和粉煤灰的火山灰反应是主要的作用过程，而石灰的结晶作用和碳化作用又更进一步的增加了强度。其具体反应如下：

(1)石灰在水溶液中的解离作用

生石灰遇水后生产氢氧化钙(熟石灰)，并放出热量

CaO+H₂0→Ca(OH)₂+Q

在水溶液中，熟石灰解离形成Ca²⁺和OH^-，并放出少量的热量

Ca(OH)₂→Ca²⁺+OH^-+Q

这一反应过程产生了大量的Ca²⁺和OH^-，提供给后面的反应，也提高了反应溶液的pH值，这是其他后续反应的基础。Ca(OH)₂是二价强碱，在水溶液中它有一定的电离度，但并不能完全电离，其电离度随着Ca(OH)₂浓度的减少和温度的增加而增大。

(2)石灰的结晶和碳化作用

在液相水溶液中，氢氧化钙由于过饱和状态下水分蒸发等原因发生了溶解的逆反应—结晶作用，从而形成固体的氢氧化钙晶体。其化学反应式如下：

Ca(OH)₂+nH₂O→Ca(OH)₂·nH₂O

石灰吸收水分通过化学反应由胶体逐渐成为晶体,这种相互连接的晶体并与砂粒粘结在一起形成共晶体,从而产生一定的结构强度。

在液相水溶液中，Ca(OH)₂也可以与水中或气相中的CO₂反应，产生碳化作用:Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃+H₂O

CaCO₃晶体具有较高的强度,它通过胶结作用使粉煤灰得到了很好的加固。当CaCO₃晶体沉淀在石灰和粉煤灰砂粒混合料间隙中时,就会产生一定的胶结强度。CO₂通常由混合料的空隙进入，但有时也可能由粉煤灰本身通过化学反应产生。由于石灰粉煤灰和砂粒混合料碳化形成硬壳式的表层，其阻碍了CO₂进一步渗入。因而Ca(OH)₂后期的CO₂主要由粉煤灰本身通过化学反应提供，所以其碳化作用相当缓慢，但其是形成粉煤灰石灰和砂粒混合料后期强度的主要原因之一。

(3)粉煤灰与石灰的火山灰反应

粉煤灰与石灰的火山灰反应是石灰粉煤灰砂粒混合料强度形成的主要因素，我们本次试验是用的高钙粉煤灰，其CaO含量达到了18％左右，矿相主要是硅铝玻璃体，一定量的石灰，莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)等结晶矿物以及未燃尽的碳粒。硅铝玻璃体是粉煤灰在其表面张力的作用下以及由粉煤灰中的粘土矿物在高温下熔融下形成的液滴，是其具有活性的主要部分，在排出炉外的过程中冷却而形成小球体。石灰和硅铝玻璃体发生火山灰反应。反应的定性描述如下：xCa(OH)₂十xSiO₂+nH₂O→xCaO·SiO₂·(n+x)H₂O

yCa(OH)₂+yAl₂O₃+nH₂O→yCaO·Al₂O₃·(n+y)H₂O

溶解在石灰粉煤灰和碎石液相中的Ca(OH)₂化合物，在不断吸收水分的基础上，通过液相扩散到球形玻璃体与水溶液的界面上。玻璃体中的Si0₂和Al₂0₃成分在碱性条件下被大量溶蚀，从而与Ca²⁺离子发生反应生成水化硅酸钙，水化铝酸钙等系列坚硬的产物。当有一定量石膏存在或对于硫钙型粉煤灰，还可以生成水化硫铝酸钙。

综上所述，根据图7知，石灰含量为20％、30％、40％、50％、60％时，无侧限抗压强度随龄期的增加而增加，当石灰含量40％时的无侧限抗压强度最大，7天、14天、28天龄期的强度分别达到了7.0MPa、14.0MPa、17.7MPa。所以把石灰含量定为40％，粉煤灰的含量为60％，即粉煤灰和石灰的比为1.5:1。

4石膏对固化剂强度的影响

4.1试验目的与方法

从前面的试验中确定了粉煤灰和石灰的含量分别是60％和40％，本固化剂是以粉煤灰为主要原料，所以把粉煤灰含量定为60％，石膏对早期强度的提高有着一定的作用，所以改变生石灰和其他材料的掺量，确定固化剂的最佳配合比。分别掺入1％、3％、5％的石膏(α半水石膏)替代生石灰，即把生石灰的含量变为39％、37％、35％，用此结合料按GB/T1767—1999《水泥胶砂强度检验方法》的规范分别做无侧限抗压强度试验，养护龄期为7天、14天、28天。

4.2试验结果

粉煤灰为60％，生石灰含量为39％、37％、35％，石膏在1％、3％、5％三种掺量下，7天、14天、28天龄期的无侧限抗压强度如表7、表8和图4、图5所示：

表7在不同龄期石膏含量分别为1％、3％和5％的无侧限抗压强度值

龄期(天)	7	14	28
				石膏含量为1％(MPa)	7.6	14.3	18.2
石膏含量为3％(MPa)	10.1	16.3	18.5
				石膏含量为5％(MPa)	9.4	13.9	18

表8不同石膏掺量在相同龄期的无侧限抗压强度值

4.3结果分析

石膏是建筑工程中应用广泛的材料，它与水泥和石灰称为为无机胶凝材料中的三大支柱。本次试验用的是α半水石膏(α-CaSO₄·0.5H₂O)，当水膏比低时，其强度较高，所以通常我们称之为高强石膏。石膏里有SO₄ ^2-离子，加之粉煤灰和石灰中的CaO、Al₂O₃遇水通过反应后形成钙矾石(水化硫铝酸钙)使强度更进一步的增加。石灰和粉煤灰结合料早期强度比较低，而石膏早凝性比较好，通过上述试验结果可知，在7天龄期时加入3％石膏后的固化剂强度从7.1MPa提升到10.1MPa，提高了42.25％,强度增加非常明显，而28天龄期时加入3％石膏后固化剂强度从17.7MPa提高到18.5MPa。相比7天龄期，28天强度提高的比较少，证明石膏在固化剂的早期强度中发挥的作用比较大。

由图5可知，石膏掺量为3％时，无侧限抗压强度最高，7天、14天、28天龄期下分别达到了10.1MPa、16.3MPa、18.5MPa，所以本试验中把高强石膏的含量定为3％。粉煤灰、石灰、石膏的比暂定为60：37：3。

5固化剂中交联剂掺量的确定

5.1试验步骤

本发明的FCS-1固化剂中目前粉煤灰含量为60％，高强石膏含量为3％，生石灰含量是37％。分别用含量0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％的交联剂A(高分子聚合物)替代石灰，石灰的含量变为36.9％、36.8％、36.7％、36.6％、36.5％。用这五组结合料根据GB/T1767—1999《水泥胶砂强度检验方法》的规范分别做无侧限抗压强度试验，试验方法同上，养护龄期为7天、14天、28天。

2.5.2试验结果

不同含量交联剂A在7天、14天和28天龄期的无侧限抗压强度关系，如表9和表10，以及图6和图7所示。

表9在不同龄期不同交联剂A含量的无侧限抗压强度值

龄期(天)	7	14	28
				0.1％交联剂A含量强度(MPa)	10.6	16.2	18.3
0.2％交联剂A含量强度(MPa)	11.7	17.1	19.2
				0.3％交联剂A含量强度(MPa)	7.4	13.7	16.4
0.4％交联剂A含量强度(MPa)	6.1	11.1	13.7
				0.5％交联剂A含量强度(MPa)	5.9	10.3	13

表10不同交联剂A含量在相同龄期的无侧限抗压强度值

2.5.3试验结果分析

交联剂是能使多个线型分子相互交联和键合成网状结构的物质，能在线性分子间起架桥作用，从而能调节或促进聚合物分子链间离子键或共价键形成。交联剂被广泛的应用在生物工程中，随着科技的进步，作为一种硬化剂也逐步在橡胶行业、塑料行业、涂料行业和建筑材料中应用起来。在我们所研究的固化剂中掺入不同量的交联剂(高分子聚合物)，根据图7可知，随着交联剂的增加无侧限抗压强度呈先上升后下降的趋势，说明交联剂A在适当的掺量下对强度的提高有一定的作用，但得找到它的最佳含量，否则对砂浆强度的提高起抑制作用。交联剂A在掺量0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％中，掺量在0.2％时的强度最大，7天、14天、28天龄期的无侧限抗压强度分别达到11.7MPa、17.1MPa、19.2MPa。所以我们把交联剂A的最佳含量定为0.2％，即粉煤灰、石灰、石膏、交联剂A的比暂定为60：36.8：3：0.2。

6激发剂对固化剂强度的影响

6.1试验目的与方法

粉煤灰的活性低是其利用受到一定程度限制的主要原因，通过利用激发剂提高其活性，使其强度提高。常用的激发剂有碱性激发剂、硫酸盐激发剂、氯盐激发剂以及复合剂等，本次试验用的是碱性激发剂，即NaOH固体颗粒。分别掺入0.5％、1％、1.5％的NaOH的替代石灰，即石灰含量变为36.3％、35.8％、35.3％。用此结合料按GB/T1767—1999《水泥胶砂强度检验方法》的规范进行胶砂试验测其无侧限抗压强度，试验方法同上，养护龄期为7天、14天、28天。

2.6.2试验结果

掺入不同含量(0.5％、1％和1.5％)的激发剂NaOH时，不同龄期的无侧限抗压强度，如表11和表12，以及图8和图9所示。

表11在不同龄期不同NaOH含量的无侧限抗压强度值

龄期(天)	7	14	28
				NaOH含量为0.5％的强度(MPa)	12.7	17.4	19.7
NaOH含量为1％的强度(MPa)	13.5	18	20.4
				NaOH含量为1.5％的强度(MPa)	12.9	17.6	19.8

表12不同NaOH含量在相同龄期的无侧限抗压强度值

6.3试验结果分析

粉煤灰活性相对较低，其主要成分是SiO₂、Al₂O₃，呈弱酸性，在碱性环境中OH^-有利于Si-O和Al-O键的断裂。火山灰反应所生成水化产物的数量和种类决定了粉煤灰的活性，由于粉煤灰中CaO和可溶性的SiO₂、Al₂O₃含量低，所以其早期火山灰反应就比较弱。本次试验我们采用的是高钙粉煤灰，加入石灰和石膏，使CaO和OH^-离子浓度增加，火山灰反应强烈，由此生成的硅酸钙(胶凝)、铝酸钙(胶凝)、以及在石膏存在下产生的钙矾石等比较多，强度就有很明显的升(高)。

加入NaOH碱性激发剂后进一步破坏了粉煤灰表面Si-O-Si和Si-O-Al网络构成的双层保护层,使SiO₂和Al₂O₃得以析出,或直接破坏了粉煤灰玻璃体网络的聚集体，使[SiO₄]和[AlO₄]四面体形成的高聚合度的网络聚集体解聚形成[SiO₄]、[AlO₄]等单体或双聚体等活性物质。碱性激发剂激发机理如下所示：

(1)OH^-根离子对Si-O和Al-O健的断裂起到重要的促进作用,pH值越高,反应程度就越高。其作用过程如下:

-Si-O-+OH^-——→-Si-O-OH

如果有Ca²⁺和Na⁺存在时，-Si-O-+Ca²⁺——→-Si-O-Ca-

-Si-O-Ca-+OH^-——→-Si-O-Ca-OH

并且，-Si-O-Ca-OH+HO-Si-O-——→-Si-O-Si-+Ca(OH)₂，Al-O-Al键也具有上述同样的作用。

以上反应说明了在OH^-作用下Si-O-Si不断解聚，生成了过渡化合物-Si-OH和-Si-O-，此时的HO-Si-还可能在聚合，使整个反应不断的在解聚和聚合中进行，然而有了NaOH，pH值不断升高，成为碱性环境，聚合反应就不会发生，这是因为：-Si-O-+Na⁺——→-Si-O-Na

连续反应：-Si-O-Si-Na+OH^-——→-Si-O-Na-OH

-Si-O-Na-OH^-+Ca²⁺——→-Si-O-Ca-OH+Na⁺

这说明了OH^-和Na⁺对水化硅酸钙的形成起催化作用。

由图9分析可得，当NaOH掺量为1％时对强度的提高作用最为明显，7天、14天、28天龄期的强度达到了13.5MPa、18.0MPa、20.4MPa，NaOH激发剂的加入起到了一定的效果。通过本试验把激发剂NaOH的含量定为1％，即粉煤灰、石灰、石膏、交联剂A、NaOH的比暂定为60：35.8：3：0.2：1。

7增强材料B的掺入对固化剂强度的影响

7.1试验目的与方法

为了使固化剂的强度更进一步的增加，固化效果更好，采用一种增强材料B掺入其中，看其是否能达到理想的强度。分别用10％、12％、14％的增强材料B替代石灰掺入固化剂中，即石灰含量变为25.8％、23.8％、21.8％，用此结合料按GB/T1767—1999《水泥胶砂强度检验方法》的规范进行胶砂试验测其无侧限抗压强度，步骤同上，养护龄期分别为7天、14天、28天。

2.7.2试验结果

掺入不同含量的增强材料B，在不同龄期的无侧限抗压强度，如表13和表14，以及图10和图11所示。

表13不同龄期不同增强材料B含量的无侧限抗压强度值

龄期(天)	7	14	28
				增强材料B含量为10％的强度(MPa)	20	25	29
增强材料B含量为12％的强度(MPa)	23	28.6	32.2
				增强材料B含量为14％的强度(MPa)	23.4	29.7	33.1

表14不同增强材料B在相同龄期的无侧限抗压强度值

7.3结果分析

由图11分析可得，加入增强材料B后固化剂强度有很明显的提升。28天龄期12％掺量相比10％掺量强度提升3.4MPa，14％掺量比12％掺量强度提升0.9MPa，由此可得掺量为12％时的增长幅度比较大，从工程造价的角度考虑还是选择12％比较合适。当掺量为12％时，7天、14天、28天的无侧限抗压强度达到了23.0MPa、28.6MPa、32.2MPa。

8水泥胶砂试验

8.1试验方法和结果

按照GB/T1767—1999《水泥胶砂强度检验方法》的规范用32.5的冀东水泥进行水泥胶砂试验，水胶比定为0.45，试验步骤同上。试验结果如表15和图12：

表15不同龄期的水泥的无侧限抗压强度值

龄期(天)	7	14	28
				强度(MPa)	22.1	28.3	33.9

8.2试验分析

由图12的水泥胶砂试验的结果可得，32.5冀东水泥7天、14天、28天龄期的无侧限抗压强度分别为22.1MPa、28.3MPa、33.9MPa。上述掺入12％增强材料B的高掺量粉煤固化剂7天、14天、28天龄期的无侧限抗压强度为23.0MPa、28.6MPa、32.4MPa，28天龄期内基本上达到水泥的无侧限抗压强度。随着龄期的增加高掺量粉煤灰固结材料的强度还会明显增加，所以从无侧限抗压强度考虑，此种配合比的固化剂能在工程中应用，相比水泥它的造价相对低廉、对环境更有利。通过试验确定了这种以粉煤灰为原料的固化剂的合成，其粉煤灰、石灰、石膏、交联剂A、激发剂NaOH、增强材料B的配合比定为60：23.8：3：0.2：1：12。

小结

1、用达拉特旗内蒙古某火力发电厂的Ⅰ级C类粉煤灰按水泥胶砂试验的方法进行了胶砂试验，对比分析各种水胶比的无侧限抗压强度，从合成材料来考虑，最终确定了0.45为所用的水胶比。

2、用粉煤灰和石灰合成不同的配比结合料，进行无侧限抗压强度试验，确定了粉煤灰为60％，石灰为40％。

3、在粉煤灰和石灰的基础上加入不同含量的石膏替换石灰，通过试验确定了石膏的最佳含量为3％。

4、在粉煤灰、石灰、石膏的基础上加入不同含量的交联剂A(高分子聚合物)替换石灰，通过试验确定了交联剂的最佳含量为0.2％。

5、在粉煤灰、石灰、石膏、交联剂的基础上用1％的激发剂NaOH替换石灰，通过试验可得，NaOH激发剂对强度的提高起了可观的作用，所以确定了激发剂NaOH的含量为1％。

6、在粉煤灰、石灰、石膏、交联剂A、激发剂NaOH的基础上再加入不同含量的增强材料B,通过试验对比增强材料B,对强度的提升相当明显。最终对比分析确定了增强材料B的含量为12％。

7、通过几种材料添加的试验最终确定了固化剂的合成，最佳配比为如下：粉煤灰：石灰：石膏：交联剂A：激发剂NaOH：增强材料B的含量比为60：23.8：3：0.2：1：12。而且通过此配合比研制出的固化剂进行胶砂试验7天、14天、28天的无侧限抗压强度分别达到23.0MPa、28.6MPa、32.2MPa。通过水泥胶砂试验分析，基本上已经达到冀东32.5水泥的无侧限抗压强度。

风积砂的工程性质

内蒙古鄂尔多斯库布其沙漠的风积砂是我们本次所研制固化剂要固化的砂体，所以我们也对这里的风积砂的工程性质做了研究。

1风积砂的密度试验

密度是指单位体积土的质量，是土的基本物理性指标之一，用它可以换算土的干密度、孔隙比、孔隙率、饱和度等指标，是计算土体自重应力的基本参数。风积砂的密度试验是分别测量试样体积和质量，然后计算干密度。质量一般采用具有一定精度的天平，只要精心操作，就能得到准确值。不同的土类有不同的体积测量方法，室内易于成型的土样用环刀法测定；对试样太小或者形状不规则的坚硬土，采用蜡封法测定；实际工程现场的试验方法为灌沙法或灌水法试验。本次试验是在沙漠中进行的，也是测其原状土的密度，所以比较易于成型，我们用环刀法测定。

1.1试验方法

风积砂的密度采用环刀法测定，试验方法按照JTG E40-2007《公路土工试验规程》中T0107-1993进行.

试验后按以下公式计算

式中：ρ—湿密度(g/cm³)，计算至0.01，m₁—环刀与土合质量，m₂—环刀质量，

V—环刀体积，ρ_d—干密度(g/cm³)，计算至0.01，ω—含水率(％)

上述试验完成后，用环刀削下来的土再做含水率试验，确定了含水率才能进一步的去计算干密度。测定含水率的方法很多，如酒精燃烧法、烘干法、比重法等，一般来说烘干法用的比较多，误差比较小，更精确。但由于现场作业条件有限，我们采用了酒精法，酒精燃烧法是将无水酒精倒入土样中，点燃酒精，使得酒精燃烧的同时带走土样中的水分，达到烘干的目的。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)进行了含水率的试验。

1.2试验结果

库布其沙漠风积砂的含水率、密度和干密度如表16所示。

表16库布其沙漠风积砂的含水率、密度及其干密度表

2风积砂的颗粒级配试验

颗粒级配试验一般采用筛分法，筛析法是利用一套孔径不同的标准筛来分离沙土中与筛孔孔径相应的粒组，通过称量和计算得到各组粒的相对百分含量。此方法适用于粒径为0.075mm到60mm的砂样。库布其沙漠的沙粒径小于0.075mm比较少，所以本试验用筛分法做。

2.1试验步骤

试验方法按照JTG E40-2007《公路土工试验规程》中T0115-1993进行.

(1)按照规程称取一定质量的砂样，将沙样通过2mm筛，砂样全部通过，则省略粗筛分析，直接进行细筛分析。

(2)将砂样从大孔到小孔依次筛分，筛子孔径分别为2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm，人工摇筛一分钟左右，使不同粒径的砂粒充分渗漏。摇筛后要用刷子轻轻将筛上的沙砂样刷干净。

(3)筛分完之后，留在每层筛子的砂土质量加上筛底质量之和与筛分前的试样质量不得相差大于1％。

(4)对于0.075mm以下粒径的土，烘干至恒重称量，若其含量大于总土质量的10％，还要对其各粒组组分采用密度计或者移液管法进一步测定；若小于10％，则记录一个总的百分数含量即可。

(5)按照下式来计算小于某粒径的颗粒质量百分数

式中X-小于某粒径颗粒的质量百分数(％)，精确至0.01，A-小于某粒径的颗粒质量(g)，B-试样的总质量(g)

(6)绘制土的颗粒大小级配曲线

以小于某一粒径土的颗粒质量占土样总质量的百分含量(％)为纵坐标，以土粒粒径为横坐标(对数比例尺)，根据公式3-3，求出小于某一粒径土的颗粒质量百分数绘制级配曲线。

(7)计算级配指标

风积砂的不均匀系数Cu是是反映组成土的颗粒均匀程度的一个指标，是限制粒径与有效粒径的比值。不均匀系数Cu反映粒径曲线坡度的陡缓，表明砂粒大小的不均匀程度。工程上常把Cu≤5的土称为匀粒土；反之Cu＞5的土则称为非匀粒土。一般不均匀系数＞1，其愈接近于1，表明土愈均匀。

曲率系数Cc是反映土的粒径级配累计曲线的斜率是否连续的指标系数。研究指出：Cc＜1的土往往级配不连续，细粒含量大于30％，且在d₃₀～d₆₀之间容易出现较大粒径土粒的缺失；Cc＞3的土级配也不连续，细粒含量小于30％，且在d₁₀～d₃₀之间容易出现较小粒径土粒的缺失；而在1＜Cc＜3时土粒大小级配的连续性较好。

以上两式中，d₁₀、d₃₀、d₆₀—土的特征粒径(mm)，在土的粒径分布曲线上，小于该粒径的土的土粒质量分别为总土质量的10％、30％、60％。

2.2试验结果

库布其沙漠风积砂的颗粒如表17和图13所示。

表17库布其沙漠风积砂的颗粒组成

筛孔(mm)	<0.075	0.075～0.25	0.25～0.5	0.5～1
					质量百分比(％)	4.4	77.1	15.7	2.8

2.3试验分析

由上面的试验结果分析，风积砂的粒径基本上都小于0.25mm，其中0.075～0.25mm占到77.1％，而小于0.075mm和0.5～1mm也不多，分别是4.4％和2.8％。按照上面的公式计算风积砂的颗粒不均匀系数Cu为2.28，曲率系数为1，风沙土的不均匀系数C_u<5，表明试验用的风积砂级配不良。

风积砂的不均匀系数C_u＝2.28<5和曲线曲率C_c＝1在1～3之间，从物理学的观点来看该风沙土是典型的不良级配。另外风积砂松散、聚合性差，成型困难等。风积砂砂粒表面对水几乎没有物理吸附性，而且其泌水作用十分明显，渗透系数大，由于水在沙层中直接往下渗，致使沙漠表面沙常常处于干燥状态。

3击实试验

3.1击实方法

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中T 0804-1994中关于无机结合料稳定材料击实试验方法的规定进行，试验采用重型击实，主要参数如表18。

表18重型击实主要参数

按照下式计算每次击实后稳定材料的湿密度

式中ρ_W为稳定材料的湿密度(g/cm³)，m₁为试筒与湿试样的总质量(g)，m₂为试筒的质量(g)，V为试筒的体积。

3.2试验结果与分析

库布其风积砂击实试验结果如表19和图14.

表19库布其风积砂击实试验结果

由图14分析可知，风积砂的干密度随着含水率的增加出现了双峰值，当含水率为0时，干密度为1.705g/cm³，随着含水率的增加干密度逐渐减小，当含水率为7.56％时，干密度减小到最小值1.682g/cm³。随后，随着含水率的增加干密度上升，当含水率为10.54％时，出现了峰值点，干密度达到最大值1.709g/cm³，这是风积砂的最优含水率和最大干密度。随着含水率的再次增加，干密度又随之降低。

4小结

1、通过酒精燃烧法和环刀试验求出了库布其沙漠风积砂的含水率、密度及其干密度。

2、通过筛分法得出库布其沙漠风积砂的粒径级配系数，颗粒不均匀系数是2.28，曲率系数是1，由此可知库布其沙漠风积砂级配不良。

3、通过重型击实试验得出风积砂含水率与干密度的变化曲线，出现了双峰值，风积砂的最大干密度为1.709g/cm³，最优含水率为10.54％。

固化剂在风积砂地基层中的应用

1固化风积砂最优含水率的确定

1.1试验方法

通过击实试验确定最优含水率和最大干密度，击实试验的方法和步骤同实施例2中风积砂击实试验一样，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中T 0804-1994中关于无机结合料稳定材料击实试验方法的规定去做，采用重型击实法。

1.2试验结果

不同固化剂产量(6％、8％、10％、12％、14％、16％和18％)的风积砂含水率和干密度，如表20至表26，以及图15至图21。

表20 6％固化剂掺量的风积砂含水率和干密度

表21 8％固化剂掺量的风积砂含水率和干密度

表22 10％固化剂掺量的风积砂含水率和干密度

表23 12％固化剂掺量的风积砂含水率和干密度

表24 14％固化剂掺量的风积砂含水率和干密度

表25 16％固化剂掺量的风积砂含水率和干密度

表26 18％固化剂掺量的风积砂含水率和干密度

固化剂掺入量和最优含水量见表27和图22。

表27固化剂掺量和最优含水率的关系

1.3试验分析

由上面的试验结果得到，6％固化剂掺量的最优含水率和最大干密度为11.05％和1.789g/cm³，8％的最优含水率和最大干密度为11.48％和1.797g/cm³，10％的最优含水率和最大干密度为11.73％和1.831g/cm³，12％的最优含水率和最大干密度为12.05％和1.8852g/cm³，14％的最优含水率和最大干密度为12.44％和1.883g/cm³，16％的最优含水率和最大干密度为12.76％和1.897g/cm³，18％的最优含水率和最大干密度为13.17％和1.936g/cm³。

通过图22可知，最优含水率和最大干密度随着固化剂含量的增加而增加，因为固化剂中的粉煤灰、石灰、石膏等材料遇水后会发生火山灰等化学反应，风积砂中含SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等化学物质，风积砂与固化材料也会发生化学反应，这些反应都需要有水的参与，所以固化剂掺量增多反应强烈，需水量也增大。随着固化剂的增多，火山灰等化学反应强烈，形成的水化硅酸钙和水化铝酸钙等坚硬性物质增多，固化风积砂的干密度也随之增大，无侧限抗压强度提高。

2固化风积砂无侧限抗压强度试验

2.1试件的制备

前面根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的规范，通过击实试验确定了固化剂掺量为6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％的风积砂的最优含水率和最大干密度。这七种掺量共分为七组，每组要制备六个试件，试件采用直径50mm、高50mm的圆柱形小试件，每个试件的质量通过下面公式确定：

单个试件的标准质量

M＝V×ρ_max×(1+ω_opt)×γ (4-1)；式中V-试件体积；ρ_max—混合料最大干密度(g/cm3)；ω_opt—混合料最优含水量(％)；γ—混合料压实度标准(％)(一般为95％)。

每组试件根据最优含水率和最大干密度计算出结合料的质量以及加水量，固化剂不要一次性加进去，要预定一定的量，方便后面再加。加水量比最佳含水量小2％，加水拌料、闷料4h后，在试件成型前1小时把预定量的固化剂加入其中并拌合均匀，在拌和的过程中把那2％的水再加入结合料中，使混合料达到最佳含水量。将试模的下垫块放入试模下部，外露2cm左右，将规定质量的结合料一次性倒入试模中，然后将与试模的上垫块放入试模内，也应该外露2cm左右。将整个试模(连同上下垫块)放到压力机上，加载速率为1mm/min，上、下压块全部压入模具，停止挤压，保持压力2min。解压后，取下试模，2-6小时后脱模。脱模后称取试件质量，检查试件的高度和质量是否满足要求，不满足的试件废件，把满足要求的试件放到养护箱中。

2.2试验方法

试验试件成型后放到标准养护箱中养护，养护温度为20℃±2℃，相对湿度为95％，养护龄期为七天，前六天要在标准养护箱中养护，最后一天须浸水养护要把水没过试件2.5cm以上。在浸水之前，应称试件的质量。前6天养护期间试件的质量损失应不超过10g，质量超过此规定的试件应当作废。试验前为了避免试件在试验过程中出现应力集中，使试验数据出现误差，要把试件表面用刮刀刮平。将试件放在压力机上，试验加载速率应保持在1mm/min。

无侧限抗压强度按下式计算：

R_c＝P/A(MPa)(4-2)；P—试件破坏时的最大压力(N)；A—试件的截面积(A＝πr²,r—试件半径，单位mm)。

2.3试验结果

不同掺入量固化剂在不同龄期的风积砂的无侧限抗压强度如表28和表29，以及图23和图24所示。

表28不同掺入量固化剂在不同龄期的风积砂的无侧限抗压强度值

表29不溶固化剂含量在相同龄期的无侧限抗压强度值

2.4试验分析

由上述龄期与无侧限抗压强度的关系图可知，无侧限抗压强度随着龄期的增长而提高，而且在28天龄期之内提高的幅度相对较快，强度的增长规律几乎呈线性变化。根据上述试验结果，将各种固化剂掺量的风积砂的无侧限抗压强度R_c与龄期T的试验数据进行统计分析。按照一元线性回归方程的公式如下：R_c＝bT+a (4-3)；其中：R_c：无侧限抗压强度(MPa)；

T：养护龄期(天)；a、b：回归系数；固化剂含量为6％时，回归方程如下：R_c＝0.042T+0.84(r＝0.98)。

由上式可知无侧限抗压强度R_c与T有着线性关系。r为线性方程的相关系数，其越接近于1，曲线越拟合的越好。其他几种含量的固化剂风积砂也符合上述方程，其回归系数a、b以及相关系数r如下表30，

表30回归系数及相关系数

不同含量固化剂的风积砂的相关系数r都大于等于0.96，说明曲线拟合的好，无侧限抗压强度R_c与T呈线性关系。

无侧限抗压强度随着固化剂含量的增加也逐渐提高，风积砂主要含有石英、莫来石等，所以其SiO₂、AI₂O₃的化学成分就比较多。固化剂里以高钙粉煤灰、石灰为主，这些成分遇水后就会发生火山灰反应，风积砂的这些化学成分也参与了火山灰反应，在激发剂的作用下OH^-含量的增多更是促使了这种反应的发生，这样就会生产大量的水化硅酸钙和水化的铝酸钙。固化剂的颗粒与风积砂的颗粒形成最紧密堆积结构,使风沙土固化体系形成细观层次的自紧密状态。水化产物和风积砂之间通过固化剂的搭接，产生了强有力的“微集料填充”和“骨架支撑”作用，也就是固化风积砂中颗粒之间形成针状晶体连接，使颗粒之间弱连接变成胶体连间，固化风积砂体系的强度也随之提高。因为所发生的反应是持续的，所以被固化剂固化的风积砂的强度随时间呈递增趋势。

参照《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034-2000)，高速公路和一级公路中水泥稳定土做其底基层材料的标准是：7d其强度≧1.5-2.5(Mpa)，石灰工业废渣稳定土以及石灰稳定土底基层材料的标准是：7d其强度≧0.6(Mpa)。本试验中6％固化剂掺量的风积砂的强度是1.07MPa，10％的掺量更是达到2.39MPa,作为一种粉煤灰掺量高达60％的固化剂来说，不论是以二灰土稳定底基层为标准还是以水泥稳定底基层为标准，从无侧限抗压试验的角度来说都符合路面底基层的技术规范要求。

3固化风积砂的劈裂强度试验

劈裂强度试验也就是无机结合料的间接抗拉强度试验，抗拉强度是公路一个很重要的指标，公路不仅要有好的抗压强度，而且要有好的抗弯拉能力，保存路面的整体性，延长公路寿命。目前用来衡量抗拉强度的一个基本指标就是劈裂强度，它是材料结构设计安全与稳定性分析的一个控制参数。通过间接抗拉试验，即劈裂强度试验得到的劈裂强度来反映我们所固化风积砂的抗拉强度，也是衡量固化剂固化效果的一个重要指标。

3.1试验方法

本试验用的试件是φ50mm×50mm的小圆柱体试件，按固化剂掺量的不同，分为6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％共七组，每组18个试件，分为7天、28天、90天三个龄期，每个龄期每组6个试件。试验步骤：

(1)将试件放在温度为20℃±2℃，相对湿度为95％的养护箱中按照标准龄期养护，在养护结束的前一天将试件浸水24小时。

(2)将已浸水24小时的试件从水中取出，用软布吸去试件表面的可见自由水。并测量试件的高度h,精确到0.1mm。

(3)将试件放在压条上(也可以不用压条)，在试件的顶面也放一根压条(上下压条与试件的接触线必须是试件的平分线，并与升降台垂直)，并在压条上放置球形支座，球形支座应位于试件中部。本次试验没有使用压条。

(4)保持加载速率为lmm/min，记录试件破坏时最大压力。

试件的劈裂强度按下式计算：

有压条的情况

无压条的情况

式中：R_i—试件的劈裂强度(Mpa)；P—试件破坏时的最大压力(N)；d—试件的直径(mm)；h—浸水后试件的高度(mm)；α—半压条宽对应的圆心角(°)；a—压条宽度(mm)。

为了方便计算，上述公式也可简化为：

有压条的情况

无压条的情况

本次试验是无压条的情况，所以采用公式4-7

3.2试验结果

不同固化剂掺入量在不同龄期的劈裂强度见表31和表32，及图25和图26.

表31在不同龄期不同固化剂掺入量的劈裂强度值

龄期(天)	7	28	90
				固化剂掺入量为6％劈裂强度(MPa)	0.22	0.34	0.45
固化剂掺入量为8％劈裂强度(MPa)	0.3	0.44	0.55
				固化剂掺入量为10％劈裂强度(MPa)	0.36	0.52	0.66
固化剂掺入量为12％劈裂强度(MPa)	0.42	0.63	0.79
				固化剂掺入量为14％劈裂强度(MPa)	0.47	0.78	0.95
固化剂掺入量为16％劈裂强度(MPa)	0.55	0.91	1.11
				固化剂掺入量为18％劈裂强度(MPa)	0.62	1.05	1.3

表32不同固化剂掺入量在相同龄期的劈裂强度值

龄期	固化剂掺量(％)	6	8	10	12	14	16	18
									7天	荷载(N)	863.9	1180.5	1416.6	1652.7	1849.4	2164.2	2439.7
	强度(MPa)	0.22	0.3	0.36	0.42	0.47	0.55	0.62
									28天	荷载(N)	1120.9	1731.4	2046.2	2479	3069.3	3580.8	4131.7
	强度(MPa)	0.34	0.44	0.52	0.63	0.78	0.91	1.05
									90天	荷载(N)	1774.2	2164.2	2597.1	3108.6	3738.2	4367.8	5115.5
	强度(MPa)	0.45	0.55	0.66	0.79	0.95	1.11	1.3

3.3试验分析

从图25到图26的关系图中反映出固化风积砂的劈裂强度随着龄期的增加而增加，28天龄期内，劈裂强度增长的较快，28天到90天龄期内增长幅度相比28天龄期内的有所降低，但增长的也比较明显。早期的劈裂强度比较低，这是因为7d龄期时在固化剂的作用下，凝聚结构在颗粒间才初步形成，这种凝聚结构对前期强度的贡献不是很大，再加上水化反应生成的凝胶物质，即硅酸钙、铝酸钙含量还较少，所以强度比较低。固化风积砂的强度的主要是依靠火山灰反应，一般情况下火山灰反应比较缓慢，而我们的固化剂中有激发剂的存在促进了火山灰反应的发生，所以在28天龄期内强度提升比较明显。结合料后期强度也在逐渐提高，虽然相比前期有所减慢，但还是有很明显的提升，这很大程度上还依赖于水化胶凝物质形成的凝聚结构向结晶结构的转变。伴随着水化物晶体的析出，当颗粒间的距离缩减到可以与原子相比拟时，在表面电层吸力的作用下，晶体发生并接与连生，进一步发展成为空间网架状的结晶结构。

劈裂强度随着龄期的增长而增长，两者之间的回归方程形式如下：

R_i＝b ln(T)+a (4-8)

其中：T：养护龄期(天)；R_i：劈裂强度(MPa)；a、b：回归系数。

表33列出了固化风积砂的回归方程的回归系数a、b，以及相关系数r，从下表中可以看出固化风积砂的相关系数都大于0.99，接近于1，说明固化风积砂的劈裂强度与龄期的对数有着很好地相关性。

表33劈裂强度回归系数及相关系数

固化剂含量(％)	6	8	10	12	14	16	18
								回归系数b	0.909	0.098	0.117	0.145	0.189	0.221	0.268
回归系数a	0.043	0.111	0.131	0.141	0.117	0.138	0.118
								相关系数r	0.999	0.999	0.999	0.999	0.993	0.993	0.994

从龄期与劈裂强度的关系也可得出，7天龄期劈裂强度和90龄期劈裂强度比值，如下表34：

表34固化风积砂7天龄期劈裂强度和90天龄期劈裂强度的比值

由表34可知，固化风积砂7天龄期劈裂强度与90天龄期劈裂强度的比值在47.7％到54.5％之间，平均值为51.1％，标准偏差为2.7％，偏差比较小。说明7天龄期的和90龄期的劈裂强度有着较好的相关性。

由图26可知，固化风积砂随着固化剂的增长也在不断增加，固化剂的掺量对其强度的影响也相当的明显，从固化剂含量与劈裂强度的关系图分析，对劈裂强度与固化剂的掺量进行幂函数回归，劈裂强度与固化剂掺量关系如下：

7天龄期劈裂强度：y＝0.0435x^0.9141；28天龄期劈裂强度：y＝0.0515x^1.0293；90天龄期劈裂强度：y＝0.0748x^0.9682

式中：x：固化剂含量(％)；y：劈裂强度(MPa)

劈裂强度随固化剂含量的增加呈有规律的增加，上述三个方程的相关系数r的平方分别为0.996、0.989、0.986，几乎都接近于1，曲线拟合的相当好。从线性来考虑，以90天龄期为例，当固化剂含量从6％增加到18％时，劈裂强度增加了0.85MPa,即增加了189％，也就固化剂含量增加1％，劈裂强度就增加15.8％，说明在90天龄期内固化剂含量对劈裂强度影响非常显著。

根据《公路路面基层施工技术规范》要求：基层材料劈裂强度设计值要求二灰土是0.2～0.3Mpa，水泥砂砾是0.4～0.6Mpa。我们所固化的风积砂当固化剂含量6％时，90天龄期的劈裂强度是0.45MPa,固化剂含量8％时，劈裂强度达到了0.55MPa,符合路面底基层技术规范要求。

4固化风积砂的收缩裂缝试验

由于沙漠地区气候干燥，昼夜温差相对较大，底基层在养生过程中容易出现裂缝，即使对这些裂缝进行灌缝处理，也可能会影响结构层的承载能力，影响下一步沥青层面的铺筑施工。

4.1试验方法

依据GB/T50082-2009中的非接触法测试目标试件180天的自收缩率。

试件一所用固化剂配方为：粉煤灰：石灰：石膏：聚丙烯酰胺：激发剂NaOH：PO.42.5冀东水泥的含量比为60：23.8：3：0.2：1：12。

试件二所用固化剂配方为：改性粉煤灰：石灰：石膏：改性聚丙烯酰胺：激发剂NaOH：PO.42.5冀东水泥的含量比为60：23.8：3：0.2：1：12。

所述改性粉煤灰使用如下粉煤灰进行改性：SiO₂的含量为粉煤灰质量的40.28％，Al₂O₃的含量为的含量为粉煤灰质量的18.15％，Fe₂O₃的含量为粉煤灰质量的8.56％，CaO的含量为粉煤灰质量的18.08％，MgO的含量为粉煤灰质量的2.34％，Na₂O的含量为粉煤灰质量的1.31％，K₂O的含量为粉煤灰质量的1.76％，SO₃的含量为粉煤灰质量的0.73％,CO₂的含量为粉煤灰质量的5.18％,TiO₂的含量为粉煤灰质量的0.95％,SrO的含量为粉煤灰质量的0.73％,余量为杂质；粉煤灰改性方法如下：将异丙基三(十二烷基苯磺酰基)钛酸酯溶于异丙醇制成浓度为10wt％的异丙醇溶液，将粉煤灰按照固液比为0.35g/mL加入到上述异丙醇溶液中，浸泡24小时后过滤，即得改性粉煤灰，密封保存备用。

所述改性聚丙烯酰胺的制备方法如下：将丙烯酸和聚乙烯醇分别加入到水中，搅拌并升温到95℃，加入甲醛，继续反应1小时，然后降温至30℃，加入氢氧化钠，搅拌混合均匀后，再加入丙烯酰胺、过硫酸铵、N,N,-亚甲基双丙烯酰胺和四甲基乙二胺,丙烯酸、水、丙烯酰胺、过硫酸铵、N,N,-亚甲基双丙烯酰胺和四甲基乙二胺的质量之比为16:200：16:0.05:0.3:0.05，氢氧化钠的加入量为丙烯酸物质的量的70％，聚乙烯醇和甲醛的质量之比为2:1，聚乙烯醇和甲醛的总质量为丙烯酰胺和N,N,-亚甲基双丙烯酰胺总质量的5倍。

4.2试验结果

试件一和试件二不同固化剂掺入量在180天龄期的自收缩率见表33。

表33试件一和试件二不同固化剂掺入量在180天龄期的自收缩率

固化剂含量(％)	6	8	10	12	14	16	18
								试件一(×10<sup>-6</sup>)	706	663	624	591	557	502	451
试件二(×10<sup>-6</sup>)	358	331	306	283	259	230	205

4.3试验分析

由表33可知：在试件一和试件二中，随着固化剂掺杂量的增加，自收缩率均逐渐减小，这是因为固化剂掺杂量的增加可以有效弥补风积砂级配不良的缺陷，更为重要的是，固化剂起到联接和固结风积砂颗粒的作用。

在固化剂基础配方与风积砂进行掺杂的时候，自收缩率比较大，实际应用中存在可能会有收缩裂缝产生；通过对粉煤灰进行改性处理以及改市售聚丙烯酰胺为自制的改性聚丙烯酰胺，使得固化剂在风积砂中可以形成稳固的固化网络，将风积砂颗粒稳固地包裹在固化网络中，可以大大降低试件的自收缩率，有效地避免了养生过程中收缩裂缝的产生。

5小结

1、通过击实试验得出风积砂在固化剂掺量为6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％时的最大干密度和最优含水率。

2、无侧限抗压强度随着龄期的增加而增加，在28天龄期之内基本上是呈线性增加的，无侧限抗压强度也随着固化剂掺量的增加有着很明显的提升。试件强度都满足《公路路面基层施工技术规范》规定7d强度标准。

3、龄期和固化剂的含量对劈裂强度也影响显著，6％固化剂含量和8％固化剂含量90龄期劈裂强度分别达到0.45MPa、0.55MPa，符合路面底基层的设计规范。

4、从无侧限抗压强度强度和劈裂强度来考虑，固化剂能应用在风积砂的底基层中。

5、从自收缩率来考虑，固化剂应用在风积砂的底基层中，虽不及现有技术中的水泥基底基层，但是通过对粉煤灰进行改性处理以及更换自制的改性聚丙烯酰胺，可以大大降低自收缩率，与现有技术中的水泥基底基层相当。

Claims

1.固化风积砂的固化剂，其特征在于，由如下组分组成:粉煤灰或改性粉煤灰、石灰、石膏、激发剂、交联剂A和增强材料B；

所述粉煤灰或改性粉煤灰的加入量为固化剂总质量的40%-80%，所述石膏的加入量为固化剂总质量的1%-5%，所述激发剂的加入量为固化剂总质量的0.5%-1.5%，所述交联剂A的加入量为固化剂总质量的0.1%-0.5%，所示增强材料B的加入量为固化剂总质量的10%-14%，余量为石灰；

所述激发剂为NaOH；所述石膏为α半水石膏；所述交联剂A为高分子聚合物，所述高分子聚合物为改性聚丙烯酰胺；所述增强材料B为水泥，所述水泥为PO.42.5冀东水泥；所述石灰中，CaO的含量是石灰质量的65%-75%；

所述改性聚丙烯酰胺的制备方法如下：将丙烯酸和聚乙烯醇分别加入到水中，搅拌并升温到85-95℃，加入甲醛，继续反应1-2小时，然后降温至20-30℃，加入氢氧化钠，搅拌混合均匀后，再加入丙烯酰胺、过硫酸铵、N,N^,-亚甲基双丙烯酰胺和四甲基乙二胺,丙烯酸、水、丙烯酰胺、过硫酸铵、N,N^,-亚甲基双丙烯酰胺和四甲基乙二胺的质量之比为10-20:200：10-20:0.01-0.1:0.1-0.5:0.01-0.1，氢氧化钠的加入量为丙烯酸物质的量的65-75%，聚乙烯醇和甲醛的质量之比为1.5-3:1，聚乙烯醇和甲醛的总质量为丙烯酰胺和N,N^,-亚甲基双丙烯酰胺总质量的2-6倍。

2.根据权利要求1所述的固化风积砂的固化剂，其特征在于，所述粉煤灰中，SiO₂的含量为粉煤灰质量的40.28%，Al₂O₃的含量为的含量为粉煤灰质量的18.15%，Fe₂O₃的含量为粉煤灰质量的8.56%，CaO的含量为粉煤灰质量的18.08%，MgO的含量为粉煤灰质量的2.34%，Na₂O的含量为粉煤灰质量的1.31%，K₂O的含量为粉煤灰质量的1.76%，SO₃的含量为粉煤灰质量的0.73%,CO₂的含量为粉煤灰质量的5.18%,TiO₂的含量为粉煤灰质量的0.95%,SrO的含量为粉煤灰质量的0.73%,余量为杂质。

3.根据权利要求1所述的固化风积砂的固化剂，其特征在于，所述改性粉煤灰使用如下粉煤灰进行改性：SiO₂的含量为粉煤灰质量的40.28%，Al₂O₃的含量为的含量为粉煤灰质量的18.15%，Fe₂O₃的含量为粉煤灰质量的8.56%，CaO的含量为粉煤灰质量的18.08%，MgO的含量为粉煤灰质量的2.34%，Na₂O的含量为粉煤灰质量的1.31%，K₂O的含量为粉煤灰质量的1.76%，SO₃的含量为粉煤灰质量的0.73%,CO₂的含量为粉煤灰质量的5.18%,TiO₂的含量为粉煤灰质量的0.95%,SrO的含量为粉煤灰质量的0.73%,余量为杂质；粉煤灰改性方法如下：将异丙基三（十二烷基苯磺酰基）钛酸酯溶于异丙醇制成浓度为5-15wt%的异丙醇溶液，将粉煤灰按照固液比为0.1-0.5g/mL加入到上述异丙醇溶液中，浸泡12-24小时后过滤，即得改性粉煤灰，密封保存备用。

4.根据权利要求1所述的固化风积砂的固化剂，其特征在于，所述粉煤灰或改性粉煤灰的加入量为固化剂总质量的60%，所述石膏的加入量为固化剂总质量的3%，所述激发剂的加入量为固化剂总质量的1%，所述交联剂A的加入量为固化剂总质量的0.2%，所示增强材料B的加入量为固化剂总质量的12%，所述石灰的加入量为固化剂总质量的23.8%。

5.固化风积砂的方法，其特征在于，在风积砂中加入应加水量的2%的水、搅拌均匀、闷料，掺入权利要求1-4任一所述的固化剂，搅拌过程中，加入余下的水；固化剂的掺入量为风积砂和固化剂总质量的6%-18%，水的加入量为风积砂和固化剂总质量的11.05%-13.17%。

6.风积砂底基层，其特征在于，由风积砂和权利要求1-4任一所述的固化剂组成，固化剂的量为风积砂和固化剂总质量的6%-18%，并加入风积砂和固化剂总质量的11.05%-13.17%的水，养生即得。

7.根据权利要求6所述的风积砂底基层，其特征在于，风积砂的含水率为7-9%、干密度为1.3-1.5 g/cm³，风积砂的颗粒组成为：粒径小于0.075mm的颗粒的质量百分比为4.4%，粒径大于或等于0.075mm且小于0.25mm的颗粒的质量百分比为77.1 %，粒径大于或等于0.25mm且小于0.5mm的颗粒的质量百分比为15.7%，粒径大于或等于0.5mm且小于1mm的颗粒的质量百分比为2.8%。