CN1163302A - 公路稳定粘性土复合固化材料 - Google Patents

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Abstract

本发明是在石灰、硅酸盐水泥熟料中添加合成含硫、铝、钙高性能无机吸水增强材料改性而成的复合粘性土固化材料，它与粘性土均匀拌和，有较好的吸水性，使土块砂质化，属延迟硬化的迟硬性材料，便于施工压实，具有早强性和长期强度增长特性，收缩性小以及高的抵抗干湿循环，冻融循环的耐久性，主要用于公路粘性土路基与路面基层的固化处理，也可用于湿软地基的加固处理。

Description

公路稳定粘性土复合固化材料
本发明涉及在石灰、水泥中添加合成硫、铝、钙无机材料改性而成的复合固化材料，主要用于公路粘性土路基与路面基层的固化处理，也可用于湿软地基的加固处理。
我国东南沿海与低洼潮湿地带，以及缺乏砂石地区，广泛分布有粘性土。这种土常具有天然含水量高、塑性指数大，含有机质等特点。国内外的资料表明，当进行地基处理、路基填筑、路面基层加固时，除可能翻晒或置换外，仍使用石灰、水泥、粉煤灰等结合料进行稳定处理，但对塑性指数大，含有机质的土，现有标准规范均规定不宜使用。水泥对粘土特别是含有机质的土稳定效果差，压实性不好；石灰稳定粘性土，当含水量高，加大剂量亦难奏效，且抗冻性能差，易疲劳衰减破坏，早期强度低；石灰粉煤灰则因吸水性差，早期强度低，处理效果不好。因此现有材料稳定粘性土的方法都有局限性，效果不太理想。
本发明是有效地利用石灰、水泥对粘土的有利因素，增加合成硫、铝、钙无机材料(具有高吸水性能和增强能力)改性而成的新型复合固化材料，它有利于施工，能够最有效地稳定粘性土(含有机质土)，达到加固公路路基、路面基层，以及湿软地基的目的。
本发明是一种新型复合粘性土固化材料(New type of Compositestabilizer for Cohesive soil)简称NCS。NCS的组份为石灰、硅酸盐水泥熟料，再添加一种“SCA”材料(一种含硫、铝、钙的高性能无机吸水增强材料)进行改性而成的固化材料。其中生石灰所起作用是吸水和使土粒砂质化，固化后期与土粒发生火山灰反应提供后期强度，硅酸盐水泥熟料的作用是提供强度和增强土团粒之间的联结，“SCA”起强烈吸取土中水分使土粒凝聚，促进土粒砂化，并生成针状矿物(钙矾石)，提供早期强度和具有“微型加筋”作用，针对过湿土、路面基层及地基的特点，以三者不同的最佳配比(其中SCA有不同组成配比)，可以有效地降低粘性土含水量，改善压实性，增强稳定土强度、水稳性及抗冻融能力，减少固化土的收缩，达到就地利用不同粘性土(含有机质土)直接加固路基修建路面基层的目的。
NCS固化材料的配比范围为石灰：硅酸盐水泥熟料：“SCA＝(35-60)∶(15-50)∶(10-40)。根据不同粘性土特性配制NCS固化材料系列产品：NCS-1适用于塑性指数为12-20的粘性土；NCS-2适用于塑性指数为15-25的粘性土、含有机质土、黑龙江黑土；NCS-3适用于塑性指数为10-17的粘性土、盐渍土、黄土；NCS-4适用于塑性指数为18-35的粘土、高含水量粘土、有机土、膨胀土。NCS系列产品组份配比(％)如表1：
表1
固化材料型号   生石灰 硅酸盐水泥熟料                      SCA
硫铝酸盐熟料 高铝水泥熟料     石膏
   NCS-1NCS-2NCS-3NCS-4   40～5040～5035～4540～60     20～3015～2540～5015～40 10～20     10～1515～205～15     10～1510～201～510～20
NCS系列产品添加剂“SCA”化学成分(％)如表2：
表2
  型号     SiO2     Al2O3   Fe2O3     CaO     MgO     SO3    烧失量     其它
 SCA-1SCA-2SCA-3SCA-4     4.572.185.808.93     49.1920.3932.8216.12     3.470.571.621.11     32.7535.4433.8336.58     0.720.641.011.65     3.9527.8615.8722.58     3.3510.957.9810.58     2.001.971.412.45
当粘性土中加入NCS固化材料后，土粒及NCS两者都发生了一系列物理、化学及物理化学的变化。
土粒所起的变化  由于NCS固化材料与水接触后能释出较多的高价阳离子，如Ca2+和Al3+。这些阳离子能进入土的胶粒扩散层乃至吸附层中，中和胶核表面的负电荷使ζ电信下降，扩散层减薄，水分供NCS水化反应，致使土壤含水量下降。土粒之间互相靠近，加上微小的土粒子具有很高的比表面积，在表面能的作用下相互吸附，土粒之间接触点增多，土粒子移动受约束，从而彼此聚集成为几十微米的土团粒。土的结构逐渐由松散的凝聚结构转变成为更紧密、团粒化和砂质化的结构。
随着时间的推移，土粒在NCS水化反应产生的Ca(OH)2作用下，其主要成分即铝硅酸盐粘土矿物的结构开始解体，而释出SiO4 4-和AlO4 5-阴离子。这些阴离子在液相中与Ca2+离子产生化学反应便生成新的水化产物--水化硅酸钙和水化铝酸钙。这些水化产物的形成使土体结构进一步强化，使土表现出较好的后期强度和水稳性。
NCS产生的变化  石灰、硅酸盐水泥熟料和SCA三者合理配合的NCS固化材料，它加入粘性土中后，逐渐吸取土中游离水及土团粒扩散层变薄所释放出的水分，并且进行化学反应，反应方程式如下：
              分子量          56.08  18.02  74.10密度            3.34   1.00   2.23固相绝对体积    16.79         33.23
由此可计算得出，石灰水化后固相体积增大97.92％，水化所需水量为0.321。
同理，硅酸盐水泥熟料和SCA中主要矿物C3S、C3A、C4A3S水化反应时固相体积增加量和水化所需水量可由以下化学反应方程式计算得出：
        反应式                 固相体积增大    反应需水量
                                    ％2C3S+6H2O→2C1.5SH1.5+3Ca(OH)2     63.7          0.237C3A+3CaSO4·2H2O+26H2O→           132           0.595C3A·3CaSO4·32H2OC4A3S-+8CaSO·2H2O+6Ca(OH)2+74H2O→3C3A·3CaSO4·32H2O        122           0.548
以上化学反应式固相体积增大百分数和水化需水量分别为63.7、0.237；132、0.592；和122、0.548。因此，这些矿物组成均能较多地吸取原始土中的水分，特别是C3A和C4A3 S矿物，由于形成含32个结晶水的钙矾石，吸水量均达50％以上，固相体积增量均在120％以上。生成物固相体积的增加，则必然会填充土团粒间的孔隙，使加固土变得致密。
水泥熟料的主要水化产物为C-S-H凝胶，是纤维卷曲状及微小而不完整的微晶体。尺寸大小处于胶体范围，有极高的比表面积。因而单位体积内彼此接触点数目增多，除范德华引力外，还由于表面静电不平衡而形成化学键结合，因此提供整个加固土的强度。
NCS固化材料水化产生的钙矾石为针状晶体，当它密集连生和交叉结合在一起时，就构成为一个晶体骨架，与C-S-H凝胶和六方板状Ca(OH)2晶体交织在一起形成具有三维空间结晶网架的结构。此种结构有别于土的松散凝聚结构，而能赋予加固土较好的强度。因此，随着NCS固化材料的水化反应，加固土中形成一牢固的对土起增强作用的结晶网架结构。还有，NCS固化材料水化早期即能生成钙矾石，能提高早期强度。随钙矾石针状晶体的生长和伸展，能插入土团粒的缝隙中，起着一种“微型加筋”的增强作用。施工时应在合适的含水量条件下力求将土团打碎，使其与NCS固化材料充分搅匀，以减少大土团的夹杂而影响加固土的强度。
这里，还要指出石灰的主要作用。钙矾石晶体的形成与液相中的碱度有着密切的关系，当其在饱和CaO溶液中，钙矾石靠近原始矿物相表面成团生长，主要提供体积膨胀，对于填充孔隙有利，当其在不饱和CaO溶液中，钙矾石相在远离原始矿物的液相中生成析出，呈分散分布，交叉生长形成网架结构，主要对强度起作用。一般希望在固化早期有足够的膨胀来填充孔隙，后期当结构强度形成后，则要避免强烈膨胀而引起结构内局部应力而导致强度下降。为达到此目的，就通过石灰来调节，使之在固化初期，保证液相中CaO能饱和，后期随着石灰被土团的火山灰反应所消耗，液相中CaO浓度不断下降。另外，当CaO浓度下降时形成的低碱度C-S-H(C/S≤1.5)凝胶，与高碱度C-S-H凝胶相比具有更多的共价键Si-O和较少的Ca-O离子键，因而强度较高。
由上面的分析可以知道，只有当石灰、硅酸盐水泥熟料和SCA三者之间以合适的比例配合时才能使NCS固化材料能获得理想的固化效果。
上述分析亦可说明，NCS固化材料的效果较之单独掺加石灰或水泥更为优越。单掺石灰，虽有吸水使土凝聚的作用，但需靠后期火山灰反应才能提供较高的强度。且固相体积增加和充填孔隙的程度稍差，无法提供合适的晶胶比显微结构。单掺水泥时，虽然水化产物C-S-H凝胶本身具有较好的强度，但其水化释出的Ca(OH)2数量相对地减少，为满足后期火山灰反应所需石灰，就得借助于多掺水泥。此外，当土中有机质含量多时，将与水泥水化释出的CaO形成有机酸钙覆盖于水泥颗粒表面而妨碍水泥的进一步水化，从而影响加固土强度。NCS固化材料消除了上述两种弊病，因此必然更适合于过湿土和有机土的固化。
在湿粘土中掺入不同剂量的NCS-1固化材料，进行液限、塑限试验，结果列于表3。表明随着固化材料剂量的增加，塑限增加较多，液限有所减少，塑性指数降低，其中以4％-6％剂量时变化较为明显。这是由于固化材料与粘土拌和产生物理化作用，使粘粒成分粗粒化，微团粒的数量增多，改变了土的粒径成分，使土的塑限增加5个百分点，则增强了土的可压实性，较好地改善了湿粘土的压实条件。
表3        NCS-1固化材料不同剂量时的稠度状态
NCS-1的剂量％     0     3     4     5     6     12
    液限w1％     57.0     55.5     55.1     54.5     54.0     54.0
    塑限wp％     26.0     29.5     30.6     30.8     31.0     28.2
    塑性指数Ip     31.0     26.0     24.5     23.7     23.0     25.8
NCS固化材料属于能延迟硬化时间的迟硬性结合料，这对于现场施工是十分有利的。用4％剂量的NCS-1号料掺拌湿粘土按Kh90的干密度以不同延时进行制件，从0-24小时，并于24小时后将试件扰动后制件，其7天(在压件前浸水24小时)平均无侧限抗压强度R(MPa)值如表4。用NCS-7、NCS-8(前种配方中用水淬渣代替水泥熟料)固化材料6％剂量掺拌湿粘土按Kh93的干密度从0-6天延时制件，其7天(在压件前浸水24小时)平均无侧限抗压强度R(MPa)值如表5。上述试件均为湿法成型，试验结果说明三种NCS固化材料配方延时制件对其强度没有什么影响，而第2天、3天的R值更好一些，这是初期水化引起微团粒增加形成粗粒化有利于压实而取得较高强度，这种缓凝性固化材料十分有利于现场施工，可以在2-3天内碾压完毕，大大增加了施工的灵活性，可以充分压实满足要求。
表4    7天4％剂量NCS固化土R(MPa)值
延时制件天数(h)   0     1     2     3     4     6     8     10     24   24扰动后
 NCS-1(Kh90)  0.82   0.75   0.70   0.72   0.76   0.82   0.79   0.79   0.74     0.77
表5    7天6％剂量NCS固化土R(MPa)值
延时制件天数(d)     0     1     2     3     4     5     6
  NCS-7(Kh93)     1.59     1.90     1.92     1.54     1.59     1.56     1.64
  NCS-8(Kh93)     1.79     1.86     1.90     1.57     1.57     1.53     1.60
NCS-1固化材料、石灰掺入湿粘土，按不同剂量用于法与湿法制件，其7天(内压件前浸水24小时)不同干密度时的无侧限抗压强度R值如表6。试验结果表明石灰于法的R值大于湿法的R值，由于风干土碾细后与石灰拌和均匀，微团粒间结合紧密，而湿法制件的土团及其间石灰掺拌后，土团表面灰土形成硬壳较慢，且团粒的强度初期显得不足，因而混合料试件的R值较面灰土形成硬壳较慢，且团粒的强度初期显得不足，因而混合料试件的R值较小。而NCS-1固化材料试件试验结果的干法与湿法R值基本相同，4％、5％剂量时的R值接近，6％剂量时湿法试件较干法试件的R值高，因为混合料土团表面被NCS固化材料包裹后，土团水分被吸收而收缩，土的稠度增加，同时团块表层固化形成硬壳，在大小土团间有固化材料联结，生成的钙矾石在加固土内起到微加筋作用，以及固相体积增大，均逐渐使加固土整体强度提高，也是NCS固化材料使湿粘土粗粒化改善压实性的具体结果。因此，NCS固化材料稳定粘性土时可以减少收缩，作为路面上、下基层使用，在已建成的NCS固化粘性土上、下基层的黑龙江双城市及哈尔滨市试验段，路面经过一至两年后均未发现横向裂缝。
表6NCS、石灰6％剂量时干法、湿法制件7天浸水强度(MPa)
Figure A9710406500071
NCS稳定粘性土的浸水强度随干密度加大，龄期增长、剂量增加而提高。
当4％剂量时，强度(R，MPa)与时间(T，日)的相关式：
          R＝0.452T0·19(相关系数为0.98)
NCS稳定土用石灰：硅酸盐水泥熟料：SCA＝30∶50∶20的NCS固化材料，稳定土的干密度1.58g/cm3含水量22％，其不同剂量(x％)的强度相关式：
          R＝0.253x+0.1 (相关系数为0.99)
NCS不同稳定土的7天浸水强度R(MPa)如表7：
表7
Figure A9710406500072
按美国AASHTO标准冻融试验法，NCS稳定土7天龄期的抗冻融循环系数为0.65-0.77。
黑龙江哈同二出口路NCS稳定粘性土路面基层试验段。7天浸水强度NCS剂量6％、8％时为0.87、0.98MPa，现场基层为NCS7％剂量，取现场施工混合料成型，养生28天浸水强度为3.01-3.58MPa，沥青路面(厚4cm)竣工后50天测定平均弯沉值为1.45mm(基层厚20cm)、0.67mm(基层厚40cm)。
黑龙江桦石路NCS稳定土试验段。下基层施工现场取料4％剂量7天浸水强度0.84-1.28MPa，上基层施工现场取料8％剂量7天浸水强度1.54-2.20MPa，上下基层各厚15cm，竣工后一个月测得轴重60kN的平均弯沉为0.46mm，(路基弯沉为1.2mm)。
黑龙江双城NCS稳定土试验段。路面为5cmNCS10％剂量稳定碎石土磨耗层，基层为15cmNCS6％剂量稳定土，竣工后路面平均弯沉为0.61mm(轴重60kN)，路基平均弯沉为0.98mm。
NCS固化材料比常用的石灰、水泥材料有更好的吸水性，同时使粘土的塑限增加、液限降低，稠度提高，粘土团块易于粉碎，被材料包裹土团的表层硬化，其内部趋向缩限，明显改善了土的压实条件。由于它属于延迟硬化时间的迟硬性固化材料，有2-3天时间允许混合料充分拌和，可达到最好的压实效果，实现最佳的压实工艺，增强了粘土的可压实性。由于NCS固化材料加固土早期水化作用及后期火山反映的持续进行，改进了石灰类稳定粘性土半刚性材料早期强度低的不足，用它作路面底基层的剂量仅为石灰土剂量的一半，为就地使用湿粘土直接铺筑半刚性基层开拓了新的途径。
现行规范规定水稳定土的塑性指数在12以下，石灰稳定土的塑性指数在20以下，NCS固化材料稳定土试验路的塑性指数超过20，而且含水量高，其加固处理效果十分理想，实际上综合扩大了石灰、水泥稳定土的优点，既能使湿粘土快速粗粒化，还具有较好的早期强度与后期强度，较好地解决了过湿土路基填筑，以及无砂地区就地利用粘性土修建路面基层的问题，工艺简单，便于推广使用，经济性好，应用前景广阔。

Claims (1)

  1. 独立权利要求如下：
    本发明是一种新型复合粘性土固化材料(New type of Compositestabilizer for Cohesive soil)简称NCS。NCS的组份为石灰、硅酸盐水泥熟料，再添加一种“SCA”材料(一种含硫、铝、钙的高性能无机吸水增强材料)进行改性而成的固化材料。其中生石灰所起作用是吸水和使土粒砂质化，固化后期与土粒发生火山灰反应提供后期强度，硅酸盐水泥熟料的作用是提供强度和增强土团粒之间的联结，“SCA”起强烈吸取土中水分使土粒凝聚，促进土粒砂化，并生成针状矿物(钙矾石)，提供早期强度和具有“微型加筋”作用，针对过湿土、路面基层及地基的特点，以三者不同的最佳配比(其中SCA有不同组成配比)，可以有效地降低粘性土含水量，改善压实性，增强稳定土强度、水稳性及抗冻融能力，减少固化土的收缩，达到就地利用不同粘性土(含有机质土)直接加固路基修建路面基层的目的。
    NCS固化材料的配比范围为石灰：硅酸盐水泥熟料：“SCA＝(35～60)∶(15～50)∶(10～40)。根据不同粘性土特性配制NCS固化材料系列产品：NCS-1适用于塑性指数为12～20的粘性土；NCS-2适用于塑性指数为15～25的粘性土、含有机质土、黑龙江黑土；NCS-3适用于塑性指数为10～17的粘性土、盐渍土、黄土；NCS-4适用于塑性指数为18-35的粘土、高含水量粘土、有机土、膨胀土。NCS系列产品组份配比(％)如下： 固化材料型号   生石灰 硅酸盐水泥熟料                     SCA 硫铝酸盐熟料 高铝水泥熟料     石膏    NCS-1NCS-2NCS-3NCS-4   40～5040～5035～4540～60     20～3015～2540～5015～40 10～20     10～1515～205～15     10～1510～201～510～20
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