CN107512891B - 一种路面基层材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种路面基层材料，它由下述质量配比的原材料构成：固化红粘土20‑40份，碎石60‑80份；所述的固化红粘土由所述的红粘土固化剂按质量份掺兑在红粘土内制成，掺兑的红粘土固化剂量占红粘土及红粘土固化剂混合物质量的7‑12%。采用红粘土固化剂固化改良后的红粘土与级配碎石复合制作的新型路面基层材料，不仅路用性能好，而且材料费用低，取得了很好的技术经济效果。

Description

一种路面基层材料
技术领域
本发明涉及一种路面基层材料，属于工程建筑材料应用技术领域。
背景技术
红粘土是岩土工程中的一种特殊土，属于石灰岩、白云岩等碳酸盐类岩石，在亚热带高温潮湿气候条件下，经风化作用形成的高塑性红色粘土，具有高分散性、高含水量、高塑性、胶体成分含量多等工程特性。贵州省是我国红粘土的主要分布区，受湿热交替气候的影响，红粘土会干缩形成裂隙，在地表多呈竖向开口的龟裂状，向下逐渐闭合形成网状裂隙面，从而破坏了土体的完整性，在雨季时，其天然含水量往往大于塑限，甚至接近液限，使得土体的强度急剧降低；但随着近几年贵州道路建设的高速发展，常会在红粘土地基基础上进行施工作业，但受红粘土自身特性的影响，需在红粘土地基上构建路面路基，针对上述问题，申请人设计了一种能有效利用红粘土的新的路面基层材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种成本低、性能好的采用固化改良后的红粘土与级配碎石复合制作的路面基层材料，可以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是：路面基层材料，它由下述质量配比的原材料构成：固化红粘土20-40份，碎石60-80份；所述的固化红粘土由所述的红粘土固化剂按质量份掺兑在红粘土内制成，掺兑的红粘土固化剂量占红粘土及红粘土固化剂混合物质量的7-12%。
前述的路面基层材料是，它由下述质量配比的原材料构成：固化红粘土30份，碎石70份，所述的固化红粘土由所述的红粘土固化剂按质量份掺兑在红粘土内制成，掺兑的红粘土固化剂量占红粘土及红粘土固化剂混合物质量的9%。
前述的路面基层材料是，所述的红粘土固化剂它由下述质量配比的原材料混合构成，粉煤灰45-50份；硅灰1-5份；硅酸盐水泥18-22份；石膏3-7份；碳酸钠8-12份；硅酸钠8-12份；氟硅酸钠0.1-1份；水溶性聚合物1-5份。
前述的路面基层材料是，所述的红粘土固化剂它由下述质量配比的原材料混合构成，粉煤灰46份；硅灰1-5份；硅酸盐水泥20份；石膏4份；碳酸钠10份；硅酸钠10份；氟硅酸钠0.3份；水溶性聚合物1-5份。
前述的路面基层材料是，所述的粉煤灰为粒径为0.9-5μｍ的超细粉煤灰。
前述的路面基层材料是，所述的水溶性聚合物为硅酸镁铝、硅酸镁锂、硅酸镁钠、膨润土、改性膨润土的其中一种或一种以上的混合物。
所述的碎石采用道路采石场的碎石，粒径<25mm，细集料含量约占20%。
与现有技术比较，受红粘土的地域分布影响，申请人采用固化改良后的红粘土与级配碎石复合制作了路面基层材料，为证明本路面基层材料的优越性，申请人进行相关实验，使用该路面基层材料后，根据相关技术规范对路基路面的强度、模量和承载力进行测试，各结构层指标检测结果如下：
表1 各结构层指标检测结果
Figure 967510DEST_PATH_IMAGE002
由表1及图13可以看出，在红粘土固化剂掺量不变的情况下，不同碎石掺量的各结构类型，弯沉及承载板检测结果都能满足设计要求，而基层顶面承载板实测结果更能表明，基层顶面回弹模量随碎石掺量的增加而增加。
为证明本新型路面基材的成本优势，申请人进行了不同材料的工程数量及费用对比，如下表所示：
表2 公路水泥稳定碎石、石灰+粉煤灰+碎石
与红粘土固化材料的材料费比较(1000m2)
Figure 478126DEST_PATH_IMAGE004
从表2材料费用的对比分析可以看出，每1000m2（压实厚度36cm）的红粘土固化材料基层与石灰+粉煤灰+碎石基层相比，节省材料费用18823.30元，节约费用约43%；每1000m2的红粘土固化材料基层与水泥稳定碎石基层相比，节省材料费用13102.40元，节约费用约35％。
综上所述，采用红粘土固化剂固化改良后的红粘土与级配碎石复合作为路面基层材料，不仅路用性能好，而且材料费用低，取得了很好的技术经济效果，具有很好的市场和应用前景。
同时申请人根据红粘土的特性，配置了设计研发了一种新的红粘土固化剂，它由多元单元材料组合形成，可增进红粘土地基的力学强度，同时本红粘土固化剂的效果可通过以下测试数据并结合理论体现
1）固化剂材料作用效果
①物理效应
采用微观分析方法，对红粘土固化剂各单元材料进行分析研究，并结合检测数据，所得结论如下：
a、微集料效应，如图1所示：结合图1及本固化剂配方，技术人员认为本固化剂同时采用了复合活性矿物超细粉煤灰、硅灰等掺合料，在胶凝材料的水化、凝结、硬化过程中产生的微集料效应，比单一矿物掺合料的微集料作用，更胜一筹。
b、形态效应，如图2所示：结合图2及本固化剂配方，技术人员认为同时采用了超细粉煤灰、硅灰、硅酸盐水泥等，可以起到形态互补的的效果，从微观结构起到改善红粘土固化剂宏观性能的效果。
c、火山灰效应，如图3所示：结合图3及本固化剂配方，技术人员认为本固化剂同时采用超细粉煤灰、硅灰、硅酸盐水泥等，水化过程中相互激发形成复合的胶凝体系，有助于红粘土固化剂良好微级配的形成，从而改善了红粘土固化剂的宏观性能。
d、界面效应，如图4所示：结合图4及本固化剂配方，技术人员认为粉煤灰、硅灰等颗粒尺寸较小保水性好，可抑制骨料周围水膜的形成，从而改善界面过渡区的结构，使的胶体一集料界面的黏结力增强。
②化学反应
a、火山灰反应
火山灰反应是本申请红粘土固化剂强度形成的最基本因素。在一定压实条件下，红粘土固化剂内部发生一些列物理、化学变化，其初期主要化学反应是在碱性激发剂与粉煤灰中的活性氧化硅和活性氧化铝之间，分别生成水化硅酸钙（3Ca·SiO2·nH2O）和水化铝酸钙（3CaO·Al2O3·nH2O），化学反应为：
3Ca(OH)2+SiO2+(n-3)H2O→3CaSiO2·nH2O
3Ca(OH)2+Al2O3+(n-3)H2O→3CaAl2O3·nH2O
其产物称为C-S-H凝胶，具有良好的水稳性和抗冻性。
b、钙矾石生成反应
火山灰反应生成的C-S-H凝胶并不是SSJY—NO.1红粘土固化剂最后的生成物，C-S-H凝胶中的水化铝酸钙将继续与磷石膏中的主要成分二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）进一步反应，生成三硫型水化铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O） （简称钙矾石AFt）。其化学反应式为：
3CaO·Al2O3·n H2O+3CaSO4•2H2O+(32-6-n) H2O
→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
生成的钙矾石晶体如图5所示，生长茂盛、发育完全，在颗粒间以柱（针）状结构充填，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，能赋予红粘土较好的强度，因此，随着固化材料的水化反应，红粘土中将形成牢固的、对土起增强作用的结晶网架结构。此外本申请的红粘土固化剂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***土团粒的缝隙中，起着一种“撤型加筋”的增强作用。
2）工程效果
通过正交试验，向红粘土中分别掺入0%、3%、5%、9%、11%、13%的红粘土固化剂，养护7天、28天、60天后，对红粘土的物理力学性质进行分析，具体如下：
①含水量%
表3 含水量变化
Figure 992284DEST_PATH_IMAGE006
由表3含水量变化可见，添加少量的红粘土固化剂，对含水量影响很小。无论是用60°的温度烘干，还是110°的温度烘干，红粘土的含水量随红粘土固化剂含量增加并无多少变化，并且也不随养护时间的增加而增大。
②液塑限
Figure 227307DEST_PATH_IMAGE008
由表4~6可见，红粘土的液限随红粘土固化剂含量增加而减小；塑限随红粘土固化剂含量增加变化很小；塑性指数随红粘土固化剂含量增加而减小。
③水稳性
表7 不同红粘土固化剂含量的红粘土浸水情况
Figure DEST_PATH_IMAGE010
由表7可见，随着红粘土固化剂含量的增加，红粘土的水稳性增强，随养护时间增加水稳性也增强。红粘土固化剂含量太低时，如含量为3%，5%时，由于红粘土不能全面固化，使固化部分与未固化部分膨胀性差异增大而很快破坏，以至于破坏速度超过了纯红粘土。
④膨胀及收缩性
由图6-9所示，随着红粘土固化剂含量的增加，自由膨胀率迅速降低，膨胀应力有降低趋势，收缩系数有减小趋势。
⑤无侧限抗压强度
表8无侧限抗压强度试验
Figure DEST_PATH_IMAGE012
由图10和表8可见，随着红粘土固化剂含量的增加，在3%及5%时无侧限抗压强度有下降趋势，随后迅速增加；纯土及固化剂含量为3%的红粘土强度随养护时间的增加，无侧限抗压强度保持不变；固化剂含量为5%的红粘土无侧限抗压强度随时间的增加而略有降低。经申请人研究认为在红粘土固化剂含量较低时，固化剂还不足以使与之混合的红粘土颗粒并存，而它们之间的粘结力低于红粘土颗粒之间的粘结力，固造成其凝聚力下降。
⑥抗剪强度
表9 抗剪强度试验
Figure DEST_PATH_IMAGE014
注：每个抗剪强度为均6件试样平均值.
由图11和9表可见，不同红粘土固化剂的抗剪强度变化规律与无侧限抗压强度一致。其由于红粘土固化剂的胶凝作用，使整个试样凝聚力增加，而使垂直应力对其影响相对减小。
⑦回弹模量
Figure DEST_PATH_IMAGE016
通过表10的统计表明：回弹模量随红粘土固化剂含量增加而迅速增大。
综上所述，采用红粘土固化剂固化改良后的红粘土与级配碎石复合作为路面基层材料，不仅路用性能好，而且材料费用低，取得了很好的技术经济效果。
另外，由于本路面基材材料大量采用了红粘土废弃物，并节约了水泥、石灰等资源；减轻了当地的工程废弃物污染；减少了公路工程开采天然土石料带来的山体和农田的破坏；可提高公路工程的质量，延长服役年限，因此，有利于环境保护，社会效益显著。
附图说明
图1 为本红粘土固化剂形成的微集料效应图；
图2 为本红粘土固化剂形成的形态效应图；
图3 为本红粘土固化剂形成的火山灰效应图；
图4 为本红粘土固化剂形成的界面效应图；
图5 为本红粘土固化剂形成的钙矾石晶体网架结构图；
图6 为自由膨胀率与本红粘土固化剂含量关系图；
图7 为膨胀应力与本红粘土固化剂含量关系图；
图8 为收缩系数与本红粘土固化剂含量关系图；
图9 为不同压力下膨胀率与本红粘土固化剂含量关系图；
图10 为无侧限抗压强度与固化剂含量关系图；
图11 为不同红粘土固化剂含量的抗剪强度曲线图；
图12 为回弹模量与红粘土固化剂含量的关系曲线图；
图13 为不同碎石掺量的复合材料与实测回弹模量的曲线图。
具体实施方式
实施例1，红粘土固化剂的制备：取粉煤灰45kg；硅灰1kg；硅酸盐水泥18kg；石膏3kg；碳酸钠8kg；硅酸钠8kg；氟硅酸钠0.1kg；水溶性聚合物1kg混合搅拌即可制得红粘土固化剂。所用的粉煤灰为粒径为0.9-５ μｍ的超细粉煤灰；所用的水溶性聚合物为硅酸镁铝、硅酸镁锂、硅酸镁钠、膨润土、改性膨润土的其中一种或一种以上的混合物。
固化红粘土的制备：取配好的红粘土固化剂70kg，红粘土930kg混合均匀即得固化红粘土。
路面基层材料的制备：取碎石600kg，固化红粘土400kg混合即得路面基层材料。
施工严格遵守相关技术规范，清除底基原表面的石块等杂物，在集料摊铺前，底基层表面应洒水，使其表面湿润，但不应过分潮湿而造成泥泞；路面基层材料洒水拌和后经过充分润料，洒水量采用最佳含水量；每一段稳定层碾压完成后经压实度检查合格后立即开始养生，养生期不宜少于7天。
实施例2，红粘土固化剂的制备，取粉煤灰50kg；硅灰5kg；硅酸盐水泥22kg；石膏7kg；碳酸钠12kg；硅酸钠12kg；氟硅酸钠1kg；水溶性聚合物5kg混合搅拌即可制得红粘土固化剂。所用的粉煤灰为粒径为0.9-５ μｍ的超细粉煤灰；所用的水溶性聚合物为硅酸镁铝、硅酸镁锂、硅酸镁钠、膨润土、改性膨润土的其中一种或一种以上的混合物。
固化红粘土的制备：取红粘土固化剂120kg，红粘土880kg混合均匀后即得固化红粘土。
路面基层材料的制备：取碎石800kg，固化红粘土200kg混合即得路面基层材料。
施工严格遵守相关技术规范，清除底基原表面的石块等杂物，在集料摊铺前，底基层表面应洒水，使其表面湿润，但不应过分潮湿而造成泥泞；路面基层材料洒水拌和后经过充分润料，洒水量采用最佳含水量；每一段稳定层碾压完成后经压实度检查合格后立即开始养生，养生期不宜少于7天。
实施例3，红粘土固化剂的制备：取粉煤灰460kg；硅灰50kg；硅酸盐水泥200kg；石膏40kg；碳酸钠100kg；硅酸钠100kg；氟硅酸钠3kg；水溶性聚合物50kg混合搅拌即可制得红粘土固化剂。所用的粉煤灰为粒径为0.9-５ μｍ的超细粉煤灰；所用的水溶性聚合物为硅酸镁铝、硅酸镁锂、硅酸镁钠、膨润土、改性膨润土的其中一种或一种以上的混合物。
固化红粘土的制备：取红粘土固化剂90kg，红粘土910kg混合均匀后即得固化红粘土。
路面基层材料的制备：取碎石700kg，固化红粘土300kg混合即得路面基层材料。
施工严格遵守相关技术规范，清除底基原表面的石块等杂物，在集料摊铺前，底基层表面应洒水，使其表面湿润，但不应过分潮湿而造成泥泞；路面基层材料洒水拌和后经过充分润料，洒水量采用最佳含水量；每一段稳定层碾压完成后经压实度检查合格后立即开始养生，养生期不宜少于7天。
为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种路面基层材料，其特征在于：它由下述质量配比的原材料构成：固化红粘土20-40份，碎石60-80份；所述的固化红粘土由所述的红粘土固化剂按质量份掺兑在红粘土内制成，掺兑的红粘土固化剂量占红粘土及红粘土固化剂混合物质量的7-12%；所述的红粘土固化剂它由下述质量配比的原材料混合构成，粉煤灰45-50份；硅灰1-5份；硅酸盐水泥18-22份；石膏3-7份；碳酸钠8-12份；硅酸钠8-12份；氟硅酸钠0.1-1份；水溶性聚合物1-5份；所述的水溶性聚合物为硅酸镁铝、硅酸镁锂、硅酸镁钠、膨润土、改性膨润土的其中一种或一种以上的混合物。
2.根据权利要求1所述的路面基层材料，其特征在于：它由下述质量配比的原材料构成：固化红粘土30份，碎石70份，所述的固化红粘土由所述的红粘土固化剂按质量份掺兑在红粘土内制成，掺兑的红粘土固化剂量占红粘土及红粘土固化剂混合物质量的9%。
3.根据权利要求1或2所述的路面基层材料，其特征在于：所述的红粘土固化剂它由下述质量配比的原材料混合构成，粉煤灰46份；硅灰1-5份；硅酸盐水泥20份；石膏4份；碳酸钠10份；硅酸钠10份；氟硅酸钠0.3份；水溶性聚合物1-5份。
4.根据权利要求1或2所述的路面基层材料，其特征在于：所述的粉煤灰为粒径为0.9-5μｍ的超细粉煤灰。
5.根据权利要求1或2所述的路面基层材料，其特征在于：所述的碎石采用道路采石场的碎石，粒径<25mm，细集料含量占20%。
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