CN113480258A - 一种低收缩水泥稳定土 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种低收缩水泥稳定土，属于路基材料技术领域，其技术方案要点是，所述水泥稳定土原料主要由土、水泥、土凝岩、硅藻土、外加剂以100：（3‑6）：（11‑15）：（9‑21）：（3‑7）的质量比复配而成，达到降低水泥稳定土层的干缩性能的效果。

Description

一种低收缩水泥稳定土
技术领域
本申请路基材料领域，特别涉及一种低收缩水泥稳定土。
背景技术
近年来，在我国高等级公路中建设中，沥青路面占80-90％，其中95％的沥青路面采用半刚性基层，半刚性基层是采用无机结合料、碎石、土等形成的板体并具有一定抗弯强度的基层，包括水泥稳定土类、石灰稳定土类、工业废渣稳定土类等。水泥稳定土类作为半刚性基层常用的一种类型，具有较高的刚度、较好的抗压强度和抗弯拉强度，同时具备良好的水稳定性和较强的荷载扩散能力，使沥青面层弯拉应力值较小，符合沥青路面基层的要求，并且造价低，有较好的经济性。
由于自然环境引起的反复干湿循环及冻融循环使水泥稳定土层的强度逐渐衰减，且环境引起的反复干湿循环容易导致水泥稳定土层产生干缩效应，从而产生收缩裂缝，反射到沥青路面产生反射裂缝造成路面开裂，因此降低水泥稳定土层的干缩性能是提高沥青路面使用寿命的重要措施。
发明内容
为了降低水泥稳定土层的干缩性能，本申请提供一种低收缩水泥稳定土。
本申请提供的一种低收缩水泥稳定土采用如下的技术方案：
一种低收缩水泥稳定土，所述水泥稳定土原料主要由土、水泥、土凝岩、硅藻土、外加剂以100：(3-6)：(11-15)：(9-21)：(3-7)的质量比复配而成。
优选的，所述水泥稳定土原料主要由土、水泥、土凝岩、硅藻土、外加剂以100：(4-6)：(11-15)：(9-18)：(3-6)的质量比复配而成。
通过采用上述技术方案，水泥、土凝岩、硅藻土和外加剂的配合使用，可以有效降低土体层的收缩性能，其原因可能是水泥、土凝岩与土颗粒发生火山灰反应将土壤中的自由水固定，此过程会生成针状结晶体钙矾石，反应生成的钙矾石结晶填充土颗粒之间的孔隙，使得水泥稳定土更加密实，降低水泥稳定土层后期的干缩量，从而降低水泥稳定土层开裂的概率，同时针状的钙矾石凝胶分散在土颗粒周围，并连成一片，增强水泥稳定土层强度。
外加剂与硅藻土的配合使用，能够释放部分水分，使得水泥、土凝岩水化反应更加充分，有效填充水泥稳定土层中的孔隙，使得水泥稳定土的致密性显著增加，具备稳定的支撑结构，且大致上没有空洞、空隙的存在，说明持续产生的水化产物能够通过土颗粒表面进入到内部，发挥着骨架支撑作用，促进水泥稳定土层整体的力学性能有所提升。
优选的，所述土凝岩主要由赤泥、钢渣、磷石膏以5：(3-4)：(1-2)的质量比复配而成。
通过采用上述技术方案，土凝岩中赤泥、钢渣以及磷石膏按照5：(3-4)：(1-2)的质量比混合后，土凝岩的比表面积在3100-4500cm3/g的范围内，能够与水泥等发生充分的水化反应，降低水泥稳定土层的收缩量，从而有效提高水泥稳定土路基层的抗开裂性能，经过试验发现，其原因是赤泥、钢渣中SiO2和A12O3等活性矿物存在，其在水泥稳定土土样中形成不溶于水的晶体结构，从而可有效减少水泥收缩现象。且赤泥、钢渣、磷石膏等在水的作用下发生水化反应和水解反应产生水化铝酸钙、氢氧化钙等凝胶状水化物，随反应的进行，一些水化物会发生硬化形成骨架，一些与土颗粒作用粘结，凝胶物相互连接形成一种稳定的空间网状结构，从而提高土体强度。
优选的，所述硅藻土采用改性硅藻土，改性方法如下：
(1)将待处理的硅藻土置于容器中，向容器内加入体积浓度为10-15％的强酸溶液，在温度为80-90℃的条件下搅拌加热1-2h；
(2)洗涤至中性。
通过采用上述技术方案，将硅藻土与强酸溶液进行搅拌混合后，强酸溶液进入硅藻土的多孔中，并与硅藻土中的一些成分发生反应，使得硅藻土的表面积增大，能够吸收更多的水分，从而在水泥水化的过程中能够释放水，降低混凝土因为自然环境而导致的收缩开裂现象。
优选的，所述改性硅藻土的改性方法还包括将洗涤至中性的硅藻土浸泡在容有质量浓度为1-3％的有机树脂溶剂中，浸泡3-4h得改性硅藻土。
通过采用上述技术方案，将中性的硅藻土浸泡在有机树脂溶剂中后，有机树脂渗入硅藻土的多孔中并形成薄膜，对硅藻土的多孔结构起到一定的封堵作用，减少硅藻土中的水在施工前期就流出，从而保证硅藻土中的含水量能够在后期不断的渗出参与水泥的水化反应，提高水泥稳定土层的强度以及抗开裂性能。
优选的，所述有机树脂为PVB树脂；溶剂为乙醇。
优选的，所述外加剂主要由聚乙烯醇、顺丁烯二酸酐、丙酮和硅烷偶联剂以(3-6)：(1.2-2.3)：(3-4):1的质量比复配而成。
通过采用上述技术方案，聚乙烯醇、顺丁烯二酸酐、丙酮和硅烷偶联剂以(3-6)：(1.2-2.3)：(3-4):1的质量比复配成外加剂后，不仅为水泥后期水化提供充足的水分，提高水泥稳定土层抗开裂的性能，同时还有助于提高水泥稳定层的强度。
优选的，所述外加剂主要由聚乙烯醇、顺丁烯二酸酐、丙酮、硅烷偶联剂、聚丙烯纤维以(3-6)：(1.2-2.3)：(3-4)：1：(0.6-0.8)的质量比复配而成。
通过采用上述技术方案，随着水化反应的进行，水泥稳定土层的密实度增加，同时水泥稳定土内部生成的结晶体也会不断增多，混合料间孔隙进一步被挤密，而且聚丙烯纤维的加入，使得聚丙烯纤维与土颗粒、钢渣、及水泥等胶凝物形成网络锚固结构，增强了颗粒间摩擦和胶结作用，有效约束了土颗粒的变形，从而对土稳定土层的微裂纹的扩张起到一定的约束作用，从而有效降低水泥稳定土层的抗开裂性能。
聚丙烯纤维含量低时，纤维与纤维间无法形成交联重叠，聚丙烯纤维对水泥稳定土的贡献主要以增强颗粒间的摩阻力为主，当聚丙烯纤维含量过高时，聚丙烯纤维在混合料间的分布均匀性极难控制，聚丙烯纤维间容易形成搅团现象，降低了纤维对混合料的交联嵌挤作用，因此本申请的聚丙烯纤维在外加剂中的占比能够有效提高水泥稳定土的抗压强度。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、水泥、土凝岩、外加剂等的配合使用，能够为水泥持续水化提供水分，降低水泥稳定土层的抗开裂性能；
2、改性硅藻土与聚乙烯醇、硅烷偶联剂、聚丙烯纤维的配合使用，使得水泥稳定土层内部的孔隙逐渐被挤密，同时当聚乙烯醇后期释放水后，改性硅藻土中水分的释放可以使得土层内部发生进一步的交联嵌挤作用，从而降低水泥稳定土层中的孔隙，且聚丙烯纤维的约束，有效提高水泥稳定土层的抗开裂性能，同时也能够有效提高水泥稳定土层的强度。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
水泥采用普通硅酸盐水泥P.O 42.5，购自金隅冀东水泥(唐山)有限公司；
硅藻土购自河北玖矿矿产品有限公司，硅藻土性能参数为：密度1.9-2.3g/cm3、比表面积40-65m2/g、孔体积0.45-0.98cm3/g；
聚乙烯醇购自河南誉恒化工有限公司，型号为L088-20；
聚丙烯纤维购自廊坊鹤翔建材有限公司，纤维长度为1.5-200mm；
本申请的土采用细粒土；
本申请的土凝岩由赤泥、钢渣和磷石膏混合而成，混合后的土凝岩的性能如下：
土凝岩性能参数表
Figure BDA0003170104440000031
Figure BDA0003170104440000041
制备例1
一种改性硅藻土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的硅藻土90kg置于容器中，向容器内加入体积浓度为10-15％的硫酸溶液，在温度为80-90℃的条件下搅拌加热1h；
(2)洗涤至中性。
制备例2
一种改性硅藻土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的硅藻土90kg置于容器中，向容器内加入体积浓度为15％的硫酸溶液，在温度为90℃的条件下搅拌加热2h；
(2)洗涤至中性。
制备例3
一种改性硅藻土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的硅藻土90kg置于容器中，向容器内加入体积浓度为15％的硫酸溶液，在温度为90℃的条件下搅拌加热2h；
(2)洗涤至中性，将中性的硅藻土置于质量浓度为1％的PVB乙醇溶液中浸泡3h得改性硅藻土。
制备例4
一种改性硅藻土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的硅藻土90kg置于容器中，向容器内加入体积浓度为15％的硫酸溶液，在温度为90℃的条件下搅拌加热2h；
(2)洗涤至中性，将中性的硅藻土置于质量浓度为3％的PVB乙醇溶液中浸泡4h得改性硅藻土。
实施例1-9的抗开裂水泥稳定土的配比如表1所示，使用时将实施例1-9中的各个原料混合，再加入原料总量的18％的水拌和。
表1实施例1-9水泥稳定土配比表单位：kg
Figure BDA0003170104440000042
Figure BDA0003170104440000051
实施例10
一种低收缩水泥稳定土，与实施例7的不同之处在于，外加剂总量不变，但外加剂中缺少硅烷偶联剂，外加剂中其余组分含量为聚乙烯醇25kg、顺丁烯二酸酐10kg、丙酮25kg。
实施例11
一种低收缩水泥稳定土，与实施例7的不同之处在于，外加剂中聚乙烯醇、顺丁烯二酸酐、丙酮和硅烷偶联剂的质量比为6:2.3:4:1，各组成具体量为聚乙烯醇27.1kg、顺丁烯二酸酐10.4kg、丙酮18kg、硅烷偶联剂4.5kg，其余不变。
实施例12
一种低收缩水泥稳定土，与实施例7的不同之处在于，外加剂总量不变，且在外加剂中加入聚丙烯纤维，其各组分含量为：聚乙烯醇20.5kg、顺丁烯二酸酐8.2kg、丙酮20.5kg、硅烷偶联剂6.8kg、聚丙烯纤维4kg，其余组分与实施例7相同。
实施例13
一种低收缩水泥稳定土，与实施例7的不同之处在于，外加剂总量不变，且在外加剂中加入聚丙烯纤维，其各组分含量为：聚乙烯醇20kg、顺丁烯二酸酐8kg、丙酮20kg、硅烷偶联剂6.7kg、聚丙烯纤维5.3kg，其余组分与实施例7相同。
实施例14
一种低收缩水泥稳定土，与实施例11的不同之处在于，硅藻土使用制备例1得到的硅藻土，其余不变。
实施例15
一种低收缩水泥稳定土，与实施例11的不同之处在于，硅藻土使用制备例2得到的硅藻土，其余不变。
实施例16
一种低收缩水泥稳定土，与实施例11的不同之处在于，硅藻土使用制备例3得到的硅藻土，其余不变。
实施例17
一种低收缩水泥稳定土，与实施例11的不同之处在于，硅藻土使用制备例4得到的硅藻土，其余不变。
对比例1
与实施例7的不同之处在于，水泥稳定土原料中无硅藻土，其余不变。
对比例2
与实施例7的不同之处在于，水泥稳定土原料中无外加剂，其余不变。
对照例
水泥稳定土由1000kg土和6kg水泥和181kg的水混合而成。
性能检测
对上述实施例1-17、对比例1-2和对照例得到的水泥稳定土按照JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行无侧限抗压强度和收缩性能试验，检测结果如下表所示。
表2实施例和对比例水泥稳定土干缩性能
Figure BDA0003170104440000061
表3实施例和对比例水泥稳定土强度性能表
Figure BDA0003170104440000062
Figure BDA0003170104440000071
当在实施例1的基础上增加土凝岩的含量后，从表2中可以看出，实施例2的水泥稳定土在前期时的收缩量相比于实施例1降低了，但是28天的收缩量、失水率相比于实施例1中的收缩量和失水率变化不大，其原因可能是赤泥、钢渣等与水泥一起参加水泥的水化反应，生成不溶于水的晶体，降低前期的收缩量，同时结合表3的数据可以看出，土凝岩的增加可以提高水泥稳定土的强度；
当在实施例1的基础上增加土凝岩和硅藻土的含量后，实施例3中水泥稳定土前期和后期的收缩量、失水率相比于实施例1均降低，主要上硅藻土中含有的水在中后期会缓慢的释放，使得水泥、赤泥、钢渣等充分反应，降低水泥稳定土层的干缩量，同时也从表3中可以看出，土凝岩和硅藻土同时升高后，水泥稳定土层的强度也升高，其原因可能是水化反应充分，填补了水泥稳定土层中的一些空隙，提高水泥稳定土层的密实度，从而提高水泥稳定土层的强度；
当同时增加土凝岩和外加剂后，实施例4的干缩量和失水率相比于实施例1是有所降低，但是其对水泥稳定土的前期的影响较小，其对水泥稳定土后期的影响较大，主要是聚乙烯醇、硅烷偶联剂与硅藻土的结合，释放储存的水分，使得水化反应更加充分，降低后期干缩量，也会提高水泥稳定土层的强度；
当水泥、土凝岩和外加剂的量同时增加后，实施例5中的干缩量和失水率均低于实施例1中的干缩量和失水率，水泥稳定土的强度相比于实施例1也升高；
当水泥、土凝岩、硅藻土和外加剂的量全部增加后，实施例6-8中的干缩量和失水率相比于实施例1均降低，同时实施例6-8中的干缩量和失水率也均低于实施例2-5中的干缩量和失水率，可见，水泥、土凝岩、硅藻土和外加剂四者协调配合时，前期和后期的干缩情况均有良好的改善，同时从实施例6-8中可以看出，实施例8中的各组分含量均高于实施例7中的含量，但是其干缩量、失水率降低不明显，且从表3中可以看出，实施例7的水泥稳定土的强度相比于实施例2也提高，由此可见推断出实施例7中的配比为较优的配备；
实施例9与实施例7相比，当土凝岩中各组分的含量发生变化时，实施例9的水泥稳定土的干缩量和失水率相比于实施例7变化不大，但水泥稳定土的强度相比于实施例7的强度有所提高；
实施例10与实施例7相比，当外加剂中缺少硅烷偶联剂后，水泥稳定土前期和后期的干缩量、失水率都上升，说明实施例10的水泥稳定土的干缩性能差，也由此可以看出，硅烷偶联剂的添加可以有效提高水泥稳定土的干缩性能，从而提高混凝土的抗开裂性能；
实施例11中的外加剂总量不变时，外加剂中各组分的比例发生变化时，其对水泥稳定土层前期的干缩量和失水率影响不大，但可以提高混凝土后期的干缩性能，到达低收缩的效果；
实施例12-13与实施例7相比，外加剂中增加聚丙烯纤维后，其对水泥稳定土前期的干缩量和失水率影响不大，主要是能够降低水泥稳定土后期的干缩量和失水率，同时从表3中可以看出，实施例11和实施例12中的水泥稳定土的强度也高于实施例7中的水泥稳定土的强度，其原因可能是聚丙烯纤维能够有效约束水泥稳定土颗粒的变形，减小混合料间颗粒空隙，使其形成交联嵌挤的整体，同时聚丙烯纤维形成的网络锚固结构，对土粒的后期变形起到一定的约束作用，同时网络结构还可以增加水泥稳定土的强度；
实施例14-17与实施例11相比，硅藻土使用预处理的硅藻土后，实施例14-17中水泥稳定土早期、后期的干缩量和失水率均有降低，且抗压强度也得到明显的改善，其原因可能是，硅藻土经过预处理后，硅藻土缓慢释放水分，使得水泥、赤泥钢渣后期的水化反应更加充分，弥补混凝土中的孔隙，提高混凝土的抗开裂性能以及强度；
对比例1-2与实施例7相比，其干缩量、失水率和强度均低于实施例7中的干缩量、失水率和强度，可见，本申请中硅藻土、外加剂与水泥、土凝岩的配合使用，可以有效提高水泥稳定土的收缩性能，同时也能够提高水泥稳定土的强度。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低收缩水泥稳定土，其特征在于：所述水泥稳定土原料主要由土、水泥、土凝岩、硅藻土、外加剂以100：（3-6）：（11-15）：（9-21）：（3-7）的质量比复配而成。
2.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥稳定土，其特征在于：所述水泥稳定土原料主要由土、水泥、土凝岩、硅藻土、外加剂以100：（4-6）：（11-15）：（9-18）：（3-6）的质量比复配而成。
3.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥稳定土，其特征在于：所述土凝岩主要由赤泥、钢渣、磷石膏以5：（3-4）：（1-2）的质量比复配而成。
4.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥稳定土，其特征在于：所述硅藻土采用改性硅藻土，改性方法如下：
（1）将待处理的硅藻土置于容器中，向容器内加入体积浓度为10-15%的强酸溶液，在温度为80-90℃的条件下搅拌加热1-2h；（2）洗涤至中性。
5.根据权利要求4所述的一种低收缩水泥稳定土，其特征在于：所述改性硅藻土的改性方法还包括将洗涤至中性的硅藻土浸泡在容有质量浓度为1-3%的有机树脂溶剂中，浸泡3-4h得改性硅藻土。
6.根据权利要求5所述的一种低收缩水泥稳定土，其特征在于：所述有机树脂为PVB树脂；溶剂为乙醇。
7.根据权利要求6所述的一种低收缩水泥稳定土，其特征在于：所述外加剂主要由聚乙烯醇、顺丁烯二酸酐、丙酮和硅烷偶联剂以（3-6）：（1.2-2.3）：（3-4）:1的质量比复配而成。
8.根据权利要求7所述的一种低收缩水泥稳定土，其特征在于：所述外加剂主要由聚乙烯醇、顺丁烯二酸酐、丙酮、硅烷偶联剂、聚丙烯纤维以（3-6）：（1.2-2.3）：（3-4）：1：（0.6-0.8）的质量比复配而成。
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