CN111268951A

CN111268951A - 一种改良低液限粉土路基材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN111268951A
Application number: CN202010219427.6A
Authority: CN
Inventors: 包卫星; 陈锐; 苗金辉; 李迪; 李卓; 蹇永明; 黄翀垚; 郭兴会; 张利斌
Original assignee: Changan University; CCCC SHB Sixth Engineering Co Ltd
Current assignee: Changan University; CCCC SHB Sixth Engineering Co Ltd
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2040-03-25
Also published as: CN111268951B

Abstract

本发明公开了一种改良低液限粉土路基材料及其制备方法和应用，该路基材料通过在低液限粉土中增加碱激发材料，碱激发材料包括粉煤灰、钢渣、水泥和NaOH溶液；该路基材料将碱激发剂加入至路基材料中，碱激发剂具有耐低温，抗冻融循环能力强，抗渗性好等特点，而且还能保证强度符合要求；采用的钢渣和粉煤灰均为工业的废料，价格便宜，可以降低工程成本，本发明的耐低温，抗渗性好，抗冻融循环能力强。

Description

一种改良低液限粉土路基材料及其制备方法和应用

【技术领域】

本发明属于低液限粉土改良的技术领域，具体涉及一种改良低液限粉土路基材料及其制备方法和应用。

【背景技术】

路基作为公路的重要组成部分，它是路面的支撑体，承受由路面传递来的荷载，直接影响着路面的使用性能，要保证公路的整体性能，路基必须具有足够的强度、稳定性和耐久性。随着我国道路等级的提高，交通车辆的荷载迅速提高，对路基路面性能的要求也越来越高，而路基的性能主要由路基填料的性质所决定，而在修筑公路时，会经常遇到粉土，粉土广泛分布于我国的冲积平原、河流三角洲、沿海平原地区，粉土的颗粒均匀，粒径单一，粘性差，级配不良，液限值小，塑性指数低，强度低，加州承载比CBR(California BearingRatio)不易达到工程设计要求，是一种工程性质较差的筑路材料。这种低液限粉土的土样级配差，土体的强度不能满足作为路基材料的规范要求，且土体具有较高的压缩性和渗透性，即使经过高强度的压实之后，仍然有相对比较高的孔隙比，在雨水入渗的情况下，很快在土体内部很容易形成渗流通道，最终导致路基强度降低，路基路面变形，因此不能直接用于填筑路基。但是又由于采用远距离运土、换填等方案的不经济性，改性土路基在我国得到了大量应用。因此，为提高低液限粉土路堤的水稳定性，减少降雨等气候条件对粉土路堤的破坏，一般采用在路堤外侧铺筑包边土或对粉土进行改性处理的方法。在现有的改良技术中，而对于低液限粉土路基加固方法主要有：①挖土换填，②机械方法，如碾压、强夯等，③改良土和④包边土四类，对于第1类的挖土换填所需要的成本高，工作量大，不适宜长大公路，特别是在一些偏远山区，运输困难时，此方法更不可行；对于第2类的机械方法，虽然适合各类土质，但是由于低液限粉土的难压实性和渗透性，此种方法效果不太理想；对于第3类的改良土，一般通过在粉土中加砂砾或碱激发剂以对粉土进行改性，虽然通过改性使低液限粉土的性能已基本能够满足作为普通路基材料用于道路建设，但是由于粉土材料自身性能或改良配方的限制，导致现有的低液限粉土改良路基材料性能并不理想，存在改良成本高、水稳定性较差、力学性能不高等诸多缺陷，使现有的低液限粉土改良路基材料还不能用于高标准道路的路基建设，从而严重限制了低液限粉土在道路建设中的广泛应用，也增加了在粉土地域上进行道路建设的施工成本。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种改良低液限粉土路基材料及其制备方法和应用，用于解决现有的低液限粉土改良后的性能不佳，改良成本高，应用时水稳定性较差，力学性能不高的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种改良低液限粉土路基材料，包括低液限粉土、碱激发材料和水，所述碱激发材料和低液限粉土的质量比为(3-8):100；所述碱激发材料由粉煤灰、钢渣、水泥、水和NaOH溶液组成。

本发明的进一步改进在于：

优选的，粉煤灰、钢渣、水泥和水的混合物为A液；碱激发材料中A液和NaOH的体积比为3:1。

优选的，A液中粉煤灰、钢渣和水泥的质量比为(1.5-2.5):(1.5-2.5):(0.8-1.5)；粉煤灰、钢渣和水泥的质量总和与A液中水的质量相等。

优选的，NaOH溶液的浓度为5-8mol/L。

优选的，当碱激发材料和低液限粉土的质量比为3:100时，低液限粉土路基材料的含水率为10.5％～12.5％。

优选的，当碱激发材料和低液限粉土的质量比为5:100时，低液限粉土路基材料的含水率为11.2％～13.2％。

优选的，当碱激发材料和低液限粉土的质量比为8:100时，低液限粉土路基材料的含水率为12.1％～14.1％。

一种上述的改良低液限粉土路基材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将粉煤灰、钢渣和水泥混合，再与水进行混合并搅拌均匀，制成A液；设定5～8mol/L的NaOH溶液为B液；

步骤2，将A液和B液混合制成碱激发材料；

步骤3，将碱激发材料和低液限粉土混合，制成低液限粉土路基材料。

一种上述的改良低液限粉土路基材料的应用，所述改良低液限粉土路基材料用于铺设路基时的包边材料。

优选的，改良低液限粉土路基材料用于包边材料时，参数为：

(1)当填土高度h＝2m时，设定包边土宽度b＝1～0.5m，；

(2)当填土高度h＝4m时，设定包边土宽度b＝1～1.5m；

(3)当填土高度h＝6m时，设定包边土宽度b＝1.5～2m；

(4)当填土高度h＝8m时，设定包边土宽度b＝2～2.5m。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种改良的低液限粉土路基材料，该路基材料通过在低液限粉土中增加碱激发材料，碱激发材料包括粉煤灰、钢渣、水泥和NaOH溶液；该路基材料将碱激发剂加入至路基材料中，碱激发剂具有耐低温，抗冻融循环能力强，抗渗性好等特点，而且还能保证强度符合要求；采用的钢渣和粉煤灰均为工业的废料，价格便宜，可以降低工程成本，本发明的耐低温，抗渗性好，抗冻融循环能力强。

进一步的，碱激发材料中设定了主体材料和碱性材料的体积比，保证粉煤灰能够与加入的氢氧化钠发生化学反应。

本发明还公开了一种改良低液限粉土路基材料的制备方法，该方法先制备碱激发材料，再将碱激发材料和低液限粉土混合，该制备方法简单，原料易得。

本发明还公开了一种改良低液限粉土路基材料在铺设路基时的应用，当用于铺设路基时，作为包边材料，在低液限粉土路堤外侧铺筑，提高土体的水稳性、抗冻性等，保证路基的耐久性、稳定性和其强度，该应用不但能在一定程度上缩短工期，加快施工进度，而且能够减少改良剂的使用量，从而减少工程成本和减少运距，保证质量。

【附图说明】

图1为本发明的包边结构图；

图2为使用本发明的包边材料的包边土宽度和填土宽度对边坡稳定的影响

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种基于严寒区碱激发材料的低液限粉土路基改良方法，该方法基于的上述包边土方法，采用包边土可以防止较高压缩性和渗透性的粉土崩塌，有效地保证粉土路基的稳定；增加路基边坡的稳定性，能够防止雨水和融雪水入渗到路基内部，从而防止路基冻融破坏，粉土的利用还可以节省投资。

该改良方法具体为：将粉煤灰、钢渣、水泥按质量比(1.5-2.5):(1.5-2.5):(0.8-1.5)进行混合，该比例优选值为2:2:1；再与等质量的水混合制成A液并搅拌均匀；将5～8mol/L的NaOH溶液为制成B液；然后将A液和B液按体积比3：1混合，制成碱激发材料；将碱激发材料掺入至低液限粉土中，碱激发材料和低液限粉土的体积比为(3-8)：100，再加入水，制备出改良后的低液限粉土，最终低液限粉土中的含水率为10.5％-14.1％，优选的，当碱激发材料和低液限粉土的体积比为3:10时，低液限粉土中的最佳含水率为10.5％～12.5％；当碱激发材料和低液限粉土的体积比为5:10时，低液限粉土中的最佳含水率为11.2％～13.2％；当碱激发材料和低液限粉土的体积比为8:10时，低液限粉土中的最佳含水率为12.1％～14.1％。

本发明中的粉煤灰质地致密，内比表面积小，对水的吸附力小，流动性好，在浆体中起到了“滚珠轴承”作用；粉煤灰可与加入的氢氧化钠发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，可以增加材料的强度和耐久性，粉煤灰的火山灰反应滞后于水泥熟料的水化。其滞后反应的二次产物填充于水泥水化物的孔隙中，大大降低了水泥粉煤灰浆体的孔隙率，导致孔径微细化和粒径细小化，显著地改善了硬化体的孔结构和界面特性。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相之中，阻止了水泥颗粒的相互粘聚，起到了类似减水剂的分散润滑作用，使水泥浆的絮凝结构被打破，有助于新拌浆体和硬化体均匀性的改善，有利于混合物的水化反应。同时细小的粉煤灰填充于浆体的毛细孔隙中，一方面使孔隙率降低，结构密实，另一方面使自由水增多，浆体的可塑性提高。同时掺加粉煤灰，可以减少水泥用量约10％～15％，因而可降低工程成本。掺入的钢渣主要来源于铁水与废钢中所含元素氧化后形成的氧化物，由于钢渣中含有和水泥相类似的硅酸三钙、硅酸二钙及铁铝酸盐等活性矿物质，具有水硬胶凝性，钢渣还具有密度大、强度高、表面粗糙、稳定性好、耐磨与耐久性好、与沥青结合牢固等特点，钢渣和水泥混合后具有耐磨、抗折强度高、耐腐蚀、抗冻、耐低温开裂等优良特性。在粉粒土掺入碱激发材料以后，生成的C(-A)-S-H凝胶物质填充了粉土颗粒间的孔隙，由疏松逐渐密实强化，空隙中不断有凝胶填入，结构密实性提高，强度增加。同时凝胶粒子还会吸附碱金属粒子，最终形成抗水性的碱金属化合物CaO-Al₂O₃-SiO₂-H₂O，使水稳定性和抗渗性得到增强。矿渣在碱性溶液中溶解度很高，在碱性激发剂溶液中大量溶解出OH-阴离子，形成碱金属阳离子和OH-离子胶体溶液，这些离子键力很快将Si-O-Si、Si-O-Al等共价键解体。由于单位体积内的胶体大量增加，多胶体缩聚就形成水化产物，进一步聚合结晶形成水泥石结构，由疏松逐渐密实强化，空隙中不断有凝胶填入，结构密实性提高，强度增加，使这种凝胶材料具有较高的强度和耐久性；且碱金属化合物可以合成抗水化合物。碱金属的硅酸盐水溶液在有多价金属铝的水溶胶存在时，由于前者带负电荷，后者带正电荷，正负电荷的水溶胶彼此抵消，或者电荷减少到它们的粒子聚集的极限，多价金属的溶胶就使硅酸溶胶凝结，凝胶粒子吸附碱金属粒子，最终形成抗水性的碱金属化合物，即不溶于水的CaO-Al₂O₃-SiO₂-H₂O四元系新化合物。

当本发明中制备出的低液限粉土应用于路基包边材料时，包边土宽度一般为1～2m，参见图1，为包边土和砂砾填筑土位置图，本发明设置的粉土用于包边土时，具体设定值为：

(1)当填土高度h＝2m时，设定包边土宽度b＝0.5～1m，；

(2)当填土高度h＝4m时，设定包边土宽度b＝1～1.5m；

(3)当填土高度h＝6m时，设定包边土宽度b＝1.5～2m；

(4)当填土高度h＝8m时，设定包边土宽度b＝2～2.5m。

用作包边土时，包边方式采用平行四边形，具体包括以下步骤：

步骤1，基槽开挖，并及时进行基底的清理，并进行包边土施工；

步骤2，将粉土掺入40％的砂砾，洒水配制成最佳含水率为6.9％～8.9％的填筑料；

步骤3，从路基中向两侧摊铺步骤2所制得的填筑料；

步骤4，在路基边缘摊铺本发明制得的改良后的低液限粉土，包边土与填筑料同时分层碾压至指定压实度。保证包边土自下而上是一个整体，上下宽度基本一致，可以视为一个重力式挡土墙。

将实施例1的包边宽度材料进行抗滑移稳定测试和抗倾覆稳定测试，结果如图2所示，从图中可以看出，当填土高度一定时，随着坡比的增大，包边土厚度越大，路基边坡的抗滑移稳定性和抗倾覆稳定性就越高。

实施例1

将制作成的碱激发材料按3％的掺配比掺入低液限粉土中，加入适量的水制成含水率为10.5％～12.5％的包边材料。

其中碱激发材料中的制备过程为：将粉煤灰、钢渣和水泥按照质量比2:2:1混合，再与等质量的水混合制成A液并搅拌均匀，将浓度为5mol/L的NaOH设置为B液，将A液和B液按体积比3：1混合，制成碱激发材料。

实施例2

将制作成的碱激发材料按5％的掺配比掺入低液限粉土中，加入适量的水制成含水率为11.2％～13.2％的包边材料。

实施例3

将制作成的碱激发材料按8％的掺配比掺入低液限粉土中，加入适量的水制成最佳含水率为12.1％～14.1％的包边材料。

将实施例1～实施例3制备的路基包边材料，放入养护室进行标准养护(温度20±2℃，相对湿度≥95％)，检测其7d和28d的无侧限抗压强度和渗透系数。

试验结果下表1所示：

表1 实施例1-3的性能参数测试

从上表中可以看出，随着碱激发材料的增加，7天和28天的抗压强度逐渐提升，渗透系数逐渐降低，说明抗渗透能力增强。

将上述的三个实施例制得的包边材料和粉土、及40％的砂砾改良土(在粉土中加入40％的砂砾的土)进行基本参数变化和冻胀率、融沉系数变化对比，如下表2所示，可以看出，对于抗冻融能力，本发明制备的碱激发改良土＞砂砾改良土＞粉土。

表2 碱激发改良土、砂砾改良土和粉土的基本参数

将上述的三个实施例制得的包边材料和粉土、及40％的砂砾改良土(在粉土中加入40％的砂砾的土)进行基本力学对比，得到如下表3的基本力学指标值，从表3中可以看出，砂砾改良土≥碱激发改良土＞粉土。

表3 基本力学指标对比

	粉土	3％碱激发改良土	5％碱激发改良土	8％碱激发改良土	40％砂砾改良土
						CBR	3.3	18.4	32.1	56.8	44.1

实施例4

将制作成的碱激发材料按3％的掺配比掺入低液限粉土中，加入适量的水制成最佳含水率为10.5％～12.5％的包边材料。

其中碱激发材料中的制备过程为：将粉煤灰、钢渣和水泥按照质量比1.5:1.5:0.8混合，再与等质量的水混合制成A液并搅拌均匀，将浓度为7mol/L的NaOH设置为B液，将A液和B液按体积比3：1混合，制成碱激发材料。

实施例5

将制作成的碱激发材料按5％的掺配比掺入低液限粉土中，加入适量的水制成最佳含水率为10.5％～12.5％的包边材料。

其中碱激发材料中的制备过程为：将粉煤灰、钢渣和水泥按照质量比2.5:2.5:1.5混合，再与等质量的水混合制成A液并搅拌均匀，将浓度为8mol/L的NaOH设置为B液，将A液和B液按体积比3：1混合，制成碱激发材料。

实施例6

将制作成的碱激发材料按8％的掺配比掺入低液限粉土中，加入适量的水制成最佳含水率为10.5％～12.5％的包边材料。

其中碱激发材料中的制备过程为：将粉煤灰、钢渣和水泥按照质量比1.5:2.2:1混合，再与等质量的水混合制成A液并搅拌均匀，将浓度为6.5mol/L的NaOH设置为B液，将A液和B液按体积比3：1混合，制成碱激发材料。

实施例7

其中碱激发材料中的制备过程为：将粉煤灰、钢渣和水泥按照质量比2.2:1.8:1.2混合，再与等质量的水混合制成A液并搅拌均匀，将浓度为6mol/L的NaOH设置为B液，将A液和B液按体积比3：1混合，制成碱激发材料。

实施例8

其中碱激发材料中的制备过程为：将粉煤灰、钢渣和水泥按照质量比1.8:2.2:1.1混合，再与等质量的水混合制成A液并搅拌均匀，将浓度为5.5mol/L的NaOH设置为B液，将A液和B液按体积比3：1混合，制成碱激发材料。

实施例9

其中碱激发材料中的制备过程为：将粉煤灰、钢渣和水泥按照质量比1.9:1.7:1.3混合，再与等质量的水混合制成A液并搅拌均匀，将浓度为7.5mol/L的NaOH设置为B液，将A液和B液按体积比3：1混合，制成碱激发材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。

Claims

1.一种改良低液限粉土路基材料，其特征在于，包括低液限粉土、碱激发材料和水，所述碱激发材料和低液限粉土的质量比为(3-8):100；所述碱激发材料由粉煤灰、钢渣、水泥、水和NaOH溶液组成。

2.根据权利要求1所述的一种改良低液限粉土路基材料，其特征在于，粉煤灰、钢渣、水泥和水的混合物为A液；碱激发材料中A液和NaOH的体积比为3:1。

3.根据权利要求2所述的一种改良低液限粉土路基材料，其特征在于，A液中粉煤灰、钢渣和水泥的质量比为(1.5-2.5):(1.5-2.5):(0.8-1.5)；粉煤灰、钢渣和水泥的质量总和与A液中水的质量相等。

4.根据权利要求1所述的一种改良低液限粉土路基材料，其特征在于，NaOH溶液的浓度为5-8mol/L。

5.根据权利要求1所述的一种改良低液限粉土路基材料，其特征在于，当碱激发材料和低液限粉土的质量比为3:100时，低液限粉土路基材料的含水率为10.5％～12.5％。

6.根据权利要求1所述的一种改良低液限粉土路基材料，其特征在于，当碱激发材料和低液限粉土的质量比为5:100时，低液限粉土路基材料的含水率为11.2％～13.2％。

7.根据权利要求1所述的一种改良低液限粉土路基材料，其特征在于，当碱激发材料和低液限粉土的质量比为8:100时，低液限粉土路基材料的含水率为12.1％～14.1％。

8.一种权利要求1所述的改良低液限粉土路基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2，将A液和B液混合制成碱激发材料；

9.一种权利要求1所述的改良低液限粉土路基材料的应用，其特征在于，所述改良低液限粉土路基材料用于铺设路基时的包边材料。

10.根据权利要求9所述的改良低液限粉土路基材料的应用，其特征在于，改良低液限粉土路基材料用于包边材料时，参数为：

(1)当填土高度h＝2m时，设定包边土宽度b＝1～0.5m，；

(2)当填土高度h＝4m时，设定包边土宽度b＝1～1.5m；

(3)当填土高度h＝6m时，设定包边土宽度b＝1.5～2m；

(4)当填土高度h＝8m时，设定包边土宽度b＝2～2.5m。