CN113831097B - 一种含硅钙粉的路基材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于路基技术领域。本发明提供了一种含硅钙粉的路基材料，包含质量比为1～2:1的泥土和硅钙粉，所述泥土为软泥或软土。本发明还提供了一种路基材料的制备方法。本发明省去了氢氧化钙和水泥等无机结合料，消化了大量城市生活污泥制备路基材料，具有很高的环保价值；本发明的路基材料使道路路基具有较高的抗动载荷破坏的抗变形能力，无侧限抗压强度、承载能力和路基寿命显著提高；其中，无侧限抗压强度≥6.5MPa，承载能力(CBR值)≥140％。

Description

一种含硅钙粉的路基材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及路基技术领域，尤其涉及一种含硅钙粉的路基材料及其制备方法。
背景技术
市政建设中，交通线建设穿过含水率高的软泥或软土地带的情况经常发生。这种软泥或软土中的黄粘土含有大量硅、铝、铁等无机成分，其组成与很多建筑材料成分相似，合理利用其建筑材料特性，采取措施就地硬化，能够降低建设成本，提高应用价值。但是，软泥或软土为湿软土或粘土，含水率高，土质疏松，强度低，可压缩性大，易变形。直接采用软泥或软土建筑路基，粘土会在自重压力和动载荷的作用下，使路基或路面出现应力集中或变形积累，产生路面开裂、沉陷、移位和桥头跳车等现象，严重影响了道路的使用寿命和行车的安全性、舒适性。
目前提高软土路基的稳定性，大多采取两种方法，一种是采取施工处理路基即路基加固法，另一种是无机结合料。国外许多路基均采用无机结合料稳定路基，比如添加氢氧化钙、水泥、石屑、粉煤灰等，但是采用天然的无机结合料会大幅提高路基的成本，并且有些无机结合料水硬性很小甚至没有水硬性，不能真正提高路基的稳定性。
显然，含水率高的软土路基作为公路建设的主要病害问题，在施工过程降低含水率和提高软基强度的处理技术至关重要。若在加钙的前提下，软土地基中粘土可发生硅钙反应而加固的内在物性，在软土地基处理中通过增加硅钙类硬化剂能够有效地增强该路基的整体性、水稳性及强度。这种技术的广泛应用可以有效地提高施工的整体质量。因此，采用硅钙粉制备强度和承载力较高的路基材料，实现城市生活污泥的充分利用，并保证路基的稳定性和使用质量，具有非常重要的经济价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种含硅钙粉的路基材料及其制备方法。本发明省去了氢氧化钙和水泥等无机结合料，消化了大量城市生活污泥制备路基材料，具有很高的环保价值。本发明的路基材料使道路路基具有较高的抗动载荷破坏的抗变形能力，无侧限抗压强度≥6.5MPa，承载能力(CBR值)≥140％。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种含硅钙粉的路基材料，包含质量比为1～2:1的泥土和硅钙粉；所述泥土为软泥或软土。
作为优选，所述泥土含有黄粘土和水分，所述黄粘土和水分的质量比为30～50：50～70。
作为优选，所述硅钙粉的制备方法包含如下步骤：
1)将氧化钙粉末和城市生活污泥混合后进行干燥处理，得到泥灰土；
2)对泥灰土顺次进行干化、焚烧处理，得到硅钙粉。
作为优选，步骤1)中，所述氧化钙粉末和城市生活污泥的质量比为15～35:100；所述氧化钙粉末的粒径≤400μm。
作为优选，步骤1)中，所述城市生活污泥的含水量≤75％；所述泥灰土的含水量≤25％。
作为优选，步骤2)所述干化的温度为60～600℃，时间为1～3h；所述焚烧处理的温度为600～800℃，时间为0.5～2h；所述硅钙粉中，硅的质量分数为12～17％，钙的质量分数为78～85％。
作为优选，还包含土壤固化剂，所述土壤固化剂与硅钙粉的质量比为1～3：100。
作为优选，所述路基材料的含水量为4～7％。
本发明还提供了一种所述的含硅钙粉的路基材料的制备方法，将各组分混合后进行硬化成型，得到含硅钙粉的路基材料；所述硬化成型的时间为10～15d。
本发明的有益效果包括以下几点：
1)本发明省去了氢氧化钙和水泥等无机结合料，消化了大量城市生活污泥制备路基材料，具有很高的环保价值。
2)本发明的硅钙粉吸收泥土中的水分，生成氢氧化钙，使泥土快速固化呈碱性，同时反应放热，带走一部分水分；硅钙粉中含有的Ca2+与泥土中的SiO2、Al2O3作用生成硅酸钙和铝酸钙，这是硅钙粉与软泥或软土混合后胶结强度形成的基础。
3)本发明的路基材料使道路路基具有较高的抗动载荷破坏的抗变形能力，无侧限抗压强度、承载能力和路基寿命显著提高。
具体实施方式
本发明提供了一种含硅钙粉的路基材料，包含质量比为1～2:1的泥土和硅钙粉；所述泥土为软泥或软土。
本发明所述泥土和硅钙粉的质量比优选为1.25～1.75:1，进一步优选为1.5:1。
本发明所述软泥或软土优选建筑公路经过含水率高地带的泥土，所述软泥或软土优选含有黄粘土和水分；所述黄粘土和水分的质量比优选为30～50：50～70，进一步优选为35～45:55～65，更优选为40:60。
本发明的硅钙粉主要成分为氧化钙(氢氧化钙)、碳酸钙、二氧化硅，不含水分，易硬化，具有较强的胶结活性；硅钙粉微观结构为多孔结构，比表面积大，吸水性好。
本发明的硅钙粉和泥土混合后，硅钙粉吸收泥土中的水分，氧化钙粉末和泥土中的水反应，生成氢氧化钙，使泥土呈碱性，同时反应放热，带走一部分水分；硅钙粉中含有的Ca2+与泥土中的SiO2、Al2O3作用生成硅酸钙和铝酸钙，这是硬化软路基的胶结强度形成的基础。
本发明所述硅钙粉的制备方法优选包含如下步骤：
1)将氧化钙粉末和城市生活污泥混合后进行干燥处理，得到泥灰土；
2)对泥灰土顺次进行干化、焚烧处理，得到硅钙粉。
本发明步骤1)中，所述氧化钙粉末和城市生活污泥的质量比优选为15～35:100，进一步优选为20～30:100，更优选为23～27:100；所述氧化钙粉末的粒径优选≤400μm。
本发明步骤1)中，所述城市生活污泥优选来自于城市生活污水处理厂的生活污泥；所述城市生活污泥的含水量优选≤75％；所述泥灰土的含水量优选≤25％。
本发明步骤2)所述干化的温度优选为60～600℃，进一步优选为100～500℃；所述干化优选以3～6℃/min的升温速率进行升温，进一步优选为4～5℃/min；所述干化的时间优选为1～3h，进一步优选为2h；所述焚烧处理的温度优选为600～800℃，进一步优选为650～750℃，更优选为700℃；所述焚烧处理优选以2～4℃/min的升温速率进行升温；所述焚烧处理的时间优选为0.5～2h，进一步优选为1～1.5h。
本发明所述干化、焚烧处理优选采用旋转窑炉，所述泥灰土在旋转窑炉前段预热干化，在旋转窑炉焚烧段进行焚烧处理；窑炉前段至焚烧段温度逐渐升高；高温下泥灰土中的有机质焚烧分解，混合在一起的硅钙物质发生硅钙反应，生成具有粘结性的硅钙粉。
本发明步骤2)所述硅钙粉中，硅的质量分数优选为12～17％，进一步优选为14～16％；钙的质量分数优选为78～85％，进一步优选为80～83％。
本发明所述路基材料优选还包含土壤固化剂，所述土壤固化剂与硅钙粉的质量比优选为1～3：100，进一步优选为2:100；所述土壤固化剂优选为B类土壤固化剂。
本发明所述土壤固化剂能够改变泥土中土壤表面电荷的特性，降低土壤颗粒间的排斥力，提高土壤颗粒间的吸附力。
本发明所述路基材料的含水量优选为4～7％，进一步优选为5～6％。
本发明还提供了一种所述的含硅钙粉的路基材料的制备方法，将各组分混合后进行硬化成型，得到含硅钙粉的路基材料；所述硬化成型的时间为10～15d。
本发明所述硬化成型的时间优选为12～14d，进一步优选为13d。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将1.5kg氧化钙粉末(粒径为400μm)和10kg城市生活污水处理厂的生活污泥(含水量为75％)混合均匀后进行干燥处理，得到含水量为25％的泥灰土。对旋转窑炉以4℃/min的速率升温至500℃，对泥灰土干化处理2.5h；继续对旋转窑炉以2℃/min的速率升温至650℃，对泥灰土焚烧处理2h，得到硅的质量分数为12％、钙的质量分数为83％的硅钙粉。
将5kg建筑公路经过含水率高地带的泥土(黄粘土和水分的质量比为35:65)和5kg硅钙粉混合均匀后进行硬化成型，硬化成型的时间为12d，得到含硅钙粉的硬化路基材料。
实施例1的路基材料能够满足道路基层施工规范的抗压强度和承载能力，对实施例1的路基材料试块进行测试，12d无侧限抗压强度≥6.5MPa，承载能力(CBR值)≥140％。
实施例2
将3.5kg氧化钙粉末(粒径为370μm)和10kg城市生活污水处理厂的生活污泥(含水量为72％)混合均匀后进行干燥处理，得到含水量为23％的泥灰土。对旋转窑炉以6℃/min的速率升温至600℃，对泥灰土干化处理2h；继续对旋转窑炉以4℃/min的速率升温至800℃，对泥灰土焚烧处理0.5h，得到硅的质量分数为17％、钙的质量分数为78％的硅钙粉。
将10kg建筑公路经过含水率高地带的泥土(黄粘土和水分的质量比为50:50)、0.1kg B类土壤固化剂和5kg硅钙粉混合均匀后进行硬化成型，硬化成型的时间为14d，得到含硅钙粉的硬化路基材料。
实施例2的路基材料能够满足道路基层施工规范的抗压强度和承载能力，对实施例2的路基材料试块进行测试，14d无侧限抗压强度≥7MPa，承载能力(CBR值)≥145％。
实施例3
将2.5kg氧化钙粉末(粒径为350μm)和10kg城市生活污水处理厂的生活污泥(含水量为70％)混合均匀后进行干燥处理，得到含水量为22％的泥灰土。对旋转窑炉以5℃/min的速率升温至550℃，对泥灰土干化处理2h；继续对旋转窑炉以3℃/min的速率升温至700℃，对泥灰土焚烧处理1h，得到硅的质量分数为15％、钙的质量分数为82％的硅钙粉。
将7.5kg建筑公路经过含水率高地带的泥土(黄粘土和水分的质量比为40:60)和5kg硅钙粉混合均匀后进行硬化成型，硬化成型的时间为15d，得到含硅钙粉的硬化路基材料。
实施例3的路基材料能够满足道路基层施工规范的抗压强度和承载能力，对实施例3的路基材料试块进行测试，15d无侧限抗压强度≥7.5MPa，承载能力(CBR值)≥150％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种含硅钙粉的路基材料，其特征在于，包含质量比为1～2:1的泥土和硅钙粉；所述泥土为软泥或软土；
所述泥土含有黄粘土和水分，所述黄粘土和水分的质量比为30～50：50～70；
所述硅钙粉的制备方法包含如下步骤：
1)将氧化钙粉末和城市生活污泥混合后进行干燥处理，得到泥灰土；
2)对泥灰土顺次进行干化、焚烧处理，得到硅钙粉；
步骤2)所述干化的温度为60～600℃，时间为1～3h；所述焚烧处理的温度为600～700℃，时间为0.5～2h；所述硅钙粉中，硅的质量分数为12～17％，钙的质量分数为78～85％。
2.根据权利要求1所述的路基材料，其特征在于，步骤1)中，所述氧化钙粉末和城市生活污泥的质量比为15～35:100；所述氧化钙粉末的粒径≤400μm。
3.根据权利要求1或2所述的路基材料，其特征在于，步骤1)中，所述城市生活污泥的含水量≤75％；所述泥灰土的含水量≤25％。
4.根据权利要求3所述的路基材料，其特征在于，还包含土壤固化剂，所述土壤固化剂与硅钙粉的质量比为1～3：100。
5.根据权利要求4所述的路基材料，其特征在于，所述路基材料的含水量为4～7％。
6.根据 权利要求1～5任意一项所述的含硅钙粉的路基材料的制备方法，其特征在于，将各组分混合后进行硬化成型，得到含硅钙粉的路基材料；所述硬化成型的时间为10～15d。
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