一种红粘土固化剂及其使用方法与流程

本发明涉及一种红粘土固化剂及其使用方法，属于材料添加剂及应用技术领域。

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，需对红粘土进行固化，使红粘土具有较好的应用价值，针对上述问题，需设计研制一种红粘土固化剂。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于土木工程，可增进红粘土地基力学强度的红粘土固化剂及其使用方法，可以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案是：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。

更优化的红粘土固化剂，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。

所述的粉煤灰为粒径为0.9-５μｍ的超细粉煤灰。

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。

本发明还公开了一种红粘土固化剂的使用方法，该方法是将如权利要求1-4任意一项所述的红粘土固化剂按质量份掺兑在红粘土内即可得固化红粘土，掺兑后其中红粘土固化剂量占固化红粘土质量的7-12%。

与现有技术比较，受红粘土的地域分布影响，为较好的利用红粘土，申请人根据红粘土的特性，设计研发了本红粘土固化剂，将它与红粘土混合制得的固化红粘土，在使用过程中可增进红粘土地基的力学强度，在贵州地区有较好的应用市场，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·nh2o+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，在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，能插入红粘土团粒的缝隙中，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，对固化红粘土的物理力学性质进行分析，具体如下：

含水量%

由表1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

由表2~4可见，固化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

由表5可见，随着红粘土固化剂含量的增加，固化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，由于配置的固化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

由图10和表6可见，随着红粘土固化剂含量的增加，在3%及5%时固化红粘土无侧限抗压强度有下降趋势，随后迅速增加；固化红粘土中固化剂含量为3%时，固化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%的固化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固化红粘土中固化剂含量较低时，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

由图11和7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

4、经济、社会环境效益

采用红粘土固化剂加固后的固化红粘土配碎石后替代某路面基层材料中的部分胶凝材料以及天然石料制备的集料，不同材料的工程数量及费用如下表所示：

从表9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固化红粘土与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回弹模量与红粘土固化剂含量的关系曲线图。

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0.9-５μｍ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700kg，红粘土9300kg混合均匀后即得。

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0.9-５μｍ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。

实施例2，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0.9-５μｍ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900kg，红粘土9100kg混合均匀后即得。

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。