专利名称：石灰改性土的配比以及确定配比的方法和配制使用方法
技术领域：
本发明涉及一种石灰改性土的配比以及确定配比的方法和配制使用方 法，应用于文物古建筑保护、土木工程、地基道路桥梁等领域。
背景技术：
使用石灰改性土在中国已有几千年的历史，曾有报道称世界上最古老的 混凝土就是采用石灰改性土，而今天，我们仍然能够看到用土砌筑的民居。
传统做法是添加20-30%的灰到土中(所谓2/8灰土和3/7灰土)，但是这类 灰土应用到干燥地区，如平遥的城墙顶部防渗时，经过若干年后强度有提高， 但是在用于墙面加固时，灰土的强度经过数年后仍然很低，所以在2000-2006 年间在平遥按照传统方法施工的补强后的墙面仍然发生不同程度的坍塌。由 于石灰等原材料的成本上涨，传统的2/8灰土， 3/7灰土不具有经济性，也不 节约资源，不符合低碳经济的趋势。
从1991到2005年的14年中，德国的多家研究机构对"石灰改性不耐冻土" 进行了全面细致的研究，阐明了石灰改性土的基本化学原理，对适合改性的 土的类型、适用的胶凝材料、配比、固化时间、达到的理想强度、夯筑厚度 等进行了比较详细的科学的分析。
由于德国没有黄土，德国研究的石灰改性土都是针对道路地基用土，这 些土与中国中西部的黄土没有可比性，而且德国交通部门关于改性土的研究 均是在封闭的无碳化的条件下进行的，在干燥开放条件下土的改性方面缺乏 科学的研究。到目前为止，中国还没有人对干旱条件下的石灰改性加固黄土 进行科学的研究及开发。
近几年我国的道路桥梁有关的研究单位对土的改性侧重于粉煤灰、水泥 等材料的研究。在解译石灰改性土的科学原理方面，以及在文物保护的基本 原则的前提下进行最佳的添加石灰类型及比例研究，在中国还是空白。
以平遥地区为代表的西部黄土含有较少的粘土，粘土含量在5-15%左右，
4该类土在工程上称为粉土，即含有很多微细粉砂的土。
粘土矿物是微小的层状硅酸盐，它吸水膨胀，干燥时收縮，它具有一定 的粘结作用，使得干燥的含水低的土具有一定的强度。但是，正是由于粘土 的吸水膨胀，使得没有改性加固的土不耐水，不耐冻，在水的作用下崩解。
用该类黄土夯筑的城墙、建筑等文物古迹很多，如何保护加固这些土质 的文物古迹成为今天最具有挑战的工作。
从化学角度来看，石灰改性土包含了黄土中的粘土矿物在石灰的作用下 的分解与石灰与分解的产物发生固结反应两个化学过程。
第一个过程为石灰分解粘土矿物在石灰的作用下，粘土矿物被分解掉，
即
Al203*2Si02*2H20+nH20—Al203*nH20+2Si02*nH20+nH20
(pH=>13)
分解出的Al203TiH20和Si0^nH20与石灰反应形成钙/铝硅酸盐， 一种类 似水泥的水化产物，胶结土中的粉沙颗粒，使土的强度整体提高。
我们称这个反应为分解-胶凝反应。分解反应破坏粘土矿物，胶凝反应生 成钙/铝硅酸盐，使土的强度提高。
胶凝反应的化学方程式为
2Si02.nH20+3Ca(OH)2+mH20—3Ca02Si02*3H20+nH20 2Al203*nH20+3Ca(OH)2+mH20—3Ca02Al203*6H20+nH20
根据上述理论，土中的石灰的最佳添加量应该是添加的石灰保证使粘 土矿物的分解彻底，并使胶凝反应充分完成。
发明内容
本发明提供的一种石灰改性土的配比以及确定配比的方法和配制使用方 法，生产出的石灰改性土的强度明显增加，在较短的时间内达到抗压、耐水、 耐冻，养护简单，质量容易控制，且节约资源，环保经济。
为了达到上述目的，本发明提供一种石灰改性土的配比，包含
重量比为90-94%的黄土；重量比为3-5%的生石灰粉； 重量比为3-5%的水硬性石灰；
所述的黄土为粘土含量为5-25%之间的砂土类、粉土类黄土 (山西、陕
西、河北等地的土)，其含水率小于4%;
所述的生石灰粉的颗粒大小S0.45mm，其含水率￡0.1%，所述的生石灰粉 包含
重量比为70-100%的CaO; 重量比为0-25%的Ca(OH)2; 重量比为0-5。/。的CaCO3; 所述的水硬性石灰包含 重量比为40-60%的氢氧化钙Ca(OH)2; 重量比为1-5%的硅酸三钙3CaOSi02; 重量比为20-35%的硅酸二钙2CaOSi02; 重量比为3-5%的铝酸三钙3CaOAl203; 重量比为5-15%的碳酸钙CaC03。
本发明提供一种确定石灰改性土配比的方法，包含以下步骤
步骤l、按照初始配方对石灰改性土进行配比，初始配方的重量比为3% 生石灰粉，3%水硬性石灰，94%的黄土；
用配比好的石灰改性土在砂浆三联模中夯筑40mmx40mmxl60mm试验 块， 一小时后，试验块即可脱模进行湿润养护；
步骤2、 7天后进行耐水试验，将试块浸入水中，水面高于试块3-5mm， 24小时后，若试块保持完整，无开裂，试块掉角两边总计尺寸S6mm，试块 掉角单边尺寸3mm，则为合格，进行步骤3;若试块有开裂或大块掉角，则 不合格，进行步骤7;'
步骤3、每天浇水湿润养护；
步骤4、 28天后，重复步骤2的耐水试验，若试验结果合格，则进行步 骤5，若不合格，则进行步骤7;
步骤5、参照砌筑砂浆标准进行抗压强度测试，若三个试块的平均抗压 强度22MPa，则为合格，进行步骤6，若不合格，则进行步骤7;
步骤6、进行耐冻融试验，将试验块放置在-15E条件下24小时，然后再放置在25'C条件下24小时，此为一个冻融循环，含饱和水的试块在经过6 个冻融循环后，若无开裂，试块掉角两边总计尺寸30mm，试块掉角单边尺 寸Smm，则此配方合格，可确定为最终配方，若有开裂或大块掉角，则不 合格，进行步骤7;
步骤7、修改配方，跳转进行步骤l。
本发明还提供一种石灰改性土的配制使用方法，包含以下步骤-步骤l、晒干并筛分黄土，使其含水率小于4%; 步骤2、按照生石灰+水硬石灰+黄土的配比混合材料； 步骤3、定量装袋或装桶；
步骤4、在配制好的石灰改性土中添加重量比为15%的水，并搅拌均匀；
步骤5、夯实，现场进行击实试验，确定需要的加水量和需要的夯实密 度， 一般经验是夯至表面有湿湿的效果(所谓出汗)即可；
步骤6、表面早晚两次喷淋清水进行湿润养护，28天后即可达到需要的 强度；
步骤7、若夯土面作为建筑外立面或城墙表面，在养护28天后表面喷淋 防护材料(为5%甲基丙烯酸树脂+5%异辛基三乙氧基硅烷溶剂的混合物)， 以降低改性灰土的吸水率，增加改性灰土的耐老化能力。
本发明生产出的石灰改性土的强度明显增加，抗压、耐水、耐冻，养护 简单，质量容易控制，且节约资源，环保经济，可应用于城墙、土质古建筑 等的加固补夯，也可以使用到高速公路、地基等的加固使用。
图1是本发明提供的一种确定石灰改性土配比的方法的流程图； 图2的图表说明了水硬性石灰的类型对石灰改性土强度的影响； 图3水硬性石灰添加量对强度的影响
图4的图表说明了添加3%生石灰时，不同养护条件对石灰改性土强度 的影响；
图5的图表说明了添加3%生石灰、3%水硬性石灰，在不同湿度条件下 养护的固化过程；
图6的图表通过石灰改性土击实试验来说明最佳加水率。
具体实施例方式
以下根据图1 图6具体说明本发明的较佳实施方式
如图l所示，本发明提供一种确定石灰改性土配比的方法，包含以下步 步骤l、按照初始配方对石灰改性土进行配比，初始配方的重量比为3%
生石灰粉，3%水硬性石灰，94%的黄土；
用配比好的石灰改性土在砂浆三联模中夯筑40mmx40mmxl60mm试验 块， 一小时后，试验块即可脱模进行湿润养护；
步骤2、 7天后进行耐水试验，将试块浸入水中，水面高于试块5mm， 24小时后，若试块保持完整，无开裂，试块掉角两边总计尺寸S6mm，试块 掉角单边尺寸S3mm，则为合格，进行步骤3;若试块有开裂或大块掉角，则 不合格，进行步骤7;
步骤3、每天浇水湿润养护；
步骤4、 28天后，重复步骤2的耐水试验，若试验结果合格，则进行步 骤5，若不合格，则进行步骤7;
步骤5、参照砌筑砂浆标准进行抗压强度测试(按照GB/T17671)，若三 个试块的平均抗压强度22MPa，则为合格，进行步骤6，若不合格，则进行 步骤7;
步骤6、进行耐冻融试验，将试验块放置在-15"C条件下24小时，然后 再放置在25。C条件下24小时，此为一个冻融循环，含饱和水的试块在经过6 个冻融循环后，若无开裂，试块掉角两边总计尺寸5lOmm，试块掉角单边尺 寸^5mm，则此配方合格，可确定为最终配方，若有开裂或大块掉角，则不 合格，进行步骤7;
步骤7、修改配方，跳转进行步骤l。
本发明还提供一种石灰改性土的配制使用方法，包含以下步骤 步骤l、晒干并筛分黄土，使其含水率小于4%; 步骤2、按照生石灰+水硬石灰+黄土的配比混合材料； 步骤3、定量装袋或装桶；
步骤4、在配制好的石灰改性土中添加重量比为15%的水，并搅拌均匀；步骤5、夯实，现场进行击实试验(参照JTJ051-93)，确定需要的加水 量和需要的夯实密度， 一般经验是夯至表面有湿湿的效果(所谓出汗)即可；
步骤6、表面早晚两次喷淋清水进行湿润养护，28天后即可达到需要的 强度；
步骤7、若夯土面作为建筑外立面或城墙表面，在养护28天后表面喷淋 5%甲基丙烯酸树脂+5%异辛基三乙氧基硅烷溶剂的混合物，以降低改性灰土 的吸水率，增加改性灰土的耐老化能力。
如图2所示，说明了水硬石灰类型对强度的影响，NHL2为按照欧洲标 准DINEN459-1/2002的天然水硬性石灰，其28天抗压强度为2-7Mpa。 HL5 为按照欧洲标准DINEN459-1/2002的水硬性石灰，28天抗压强度为5-15Mpa。 从图中看出，HL5对灰土的早期强度提高比NHL2要好。
如图3所示，说明了添加3%生石灰时，再添加1%的水硬性石灰对强度 的影响不明显，而添加3%的水硬性石灰见5时，强度增加明显。
如图4所示，说明了石灰改性土在不同湿度条件下的固化过程；研究证 明，同样配比的灰土，浸水养护的灰土强度明显高于干燥条件下的灰土强度， 说明潮湿养护的重要性。
如图5所示，通过近一年的观测，粘土含量10-15%的黄土，添加了3% 生石灰和3%水硬性石灰后，其强度可以在较短的时间内达到耐水、耐冻的 要求，最终强度可以达到或超过8Mpa。
如图6所示，通过石灰改性土击实试验来说明最佳加水率，试验表明， 夯实后的灰土最高干密度可以达到1.8-1.9g/cm3，最佳添水量为13-15%之间， 考虑到中西部地区的干燥气候，确定15%为最佳的添水率。
根据黄土中的粘土含量，本发明提供的石灰改性土的具体配比如下
配比l:针对粘土含量不大于5%的粉土、砂土
重量比为92%的黄土；
重量比为3%的生石灰粉；
重量比为5%的水硬性石灰HL5;
配比2:针对粘土含量为10-15%的粉土 重量比为94%的黄土；
9重量比为3%的生石灰粉； 重量比为3%的水硬性石灰HL5;
配比3:针对粘土含量为25%的粘性土
重量比为92%的黄土； 重量比为5%的生石灰粉；
重量比为3%的水硬性石灰HL5;
上述配比所述的黄土为粘土含量为5-25%之间的砂土类、粉土类黄土(山 西、陕西、河北等地的土)，其含水率小于4%;
上述配比所述的生石灰粉的颗粒大小^).45mm，其含水率50.1%，所述的 生石灰粉包含-
重量比为70-100%的CaO;
重量比为0-25%的Ca(OH》；
重量比为0-5%的CaC03;
上述配比所述的水硬性石灰包含
重量比为40-60%的氢氧化钙Ca(OH)2; 重量比为1-5%的硅酸三钙3CaOSi02; 重量比为20-35%的硅酸二钙2CaOSi02; 重量比为3-5%的铝酸三钙3CaOAl203; 重量比为5-15%的碳酸铞CaC03。
2007年6月至2007年8月，在平遥古城的东城墙按照本发明提供的石 灰改性土配比工艺，完成了长3米，高8米，深0.6-0,8米的试验段，通过雨 季及2008年初的冬季的考验，试验段的灰土强度很高，没有出现任何的损伤， 该配比的科学性得到了验证。2008年3-4月，在平遥古城西城墙的下西门段 抢险工程中，长22米，高10米，深2米的440m3的夯土采用本发明的配比 与工艺，取得了很好的效果，进一步验证了本发明的科学性、可操作性及资 源节约性。发明人采用该方法研究采自东北吉林珲春一带的用于保护古城遗 址的土进行改性加固的最佳方法，也取得非常好的效果。本发明提供的石灰改性土与其他工艺材料相比，具有重要的优点
1、 添加的量比较少，和传统方法比较，石灰的添加量降低了 12-24%, 更节约资源，更环保经济；
2、 强度增加明显，28天的抗压强度达到3-3.5MPa，达到了抗冻的要求;
3、 养护简单，只要保持28天湿润，有足够的水分，用石灰改性的土的 强度就有保证；
4、 质量容易控制。
权利要求
1.一种石灰改性土的配比，其特征在于，包含重量比为90-94％的黄土；重量比为3-5％的生石灰粉；重量比为3-5％的水硬性石灰。
2. 如权利要求1所述的石灰改性土的配比，其特征在于，所述的黄土为粘土 含量为5-25%之间的砂土类、粉土类黄土，其含水率小于4%。
3. 如权利要求1所述的石灰改性土的配比，其特征在于，所述的生石灰粉的 颗粒大小S0.45mm，其含水率^).1%，所述的生石灰粉包含重量比为70-100%的CaO， 重量比为0-25%的Ca(OH)2， 重量比为0-5%的CaC03。
4. 如权利要求1所述的石灰改性土的配比，其特征在于，所述的水硬性石灰 包含重量比为40-60%的氢氧化钙Ca(OH)2; 重量比为1-5%的硅酸三钙3CaOSi02; 重量比为20-35%的硅酸二钙2CaOSi02; 重量比为3-5%的铝酸三钙3CaOAl203; 重量比为5-15%的碳酸钙CaC03。
5. —种确定石灰改性土配比的方法，其特征在于，包含以下步骤步骤l、按照初始配方对石灰改性土进行配比，初始配方的重量比为 3%生石灰粉，3%水硬性石灰，94%的黄土；用配比好的石灰改性土在砂浆三联模中夯筑40mmx40mmxl60mm 试验块， 一小时后，试验块即可脱模进行湿润养护；步骤2、7天后进行耐水试验，将试块浸入水中，水面高于试块3-5mm， 24小时后，若试块保持完整，无开裂，试块掉角两边总计尺寸S6 mm， 试块掉角单边尺寸3mm，则为合格，进行步骤3;若试块有开裂或大块 掉角，则不合格，进行步骤7;步骤3、每天浇水湿润养护；步骤4、 28天后，重复步骤2的耐水试验，若试验结果合格，则进行步骤5，若不合格，则进行步骤7;步骤5、参照砌筑砂浆标准进行抗压强度测试，若三个试块的平均抗 压强度22MPa,则为合格，进行步骤6，若不合格，则进行步骤7;步骤6、进行耐冻融试验，将试验块放置在-15'C条件下24小时，然 后再放置在25'C条件下24小时，此为一个冻融循环，含饱和水的试块在 经过6个冻融循环后，若无开裂，试块掉角两边总计尺寸S10mm，试块 掉角单边尺寸"mm，则此配方合格，可确定为最终配方，若有开裂或大 块掉角，则不合格，进行步骤7;步骤7、修改配方，跳转进行步骤l。
6. —种石灰改性土的配制使用方法，其特征在于，包含以下步骤步骤l、晒干并筛分黄土，使其含水率小于4%; 步骤2、按照生石灰+水硬石灰+黄土的配比混合材料； 步骤3、定量装袋或装桶；步骤4、在配制好的石灰改性土中添加重量比为15%的水，并搅拌均匀；步骤5、夯实，现场进行击实试验，确定需要的加水量和需要的夯实 密度；步骤6、表面早晚两次喷淋清水进行湿润养护，28天后即可达到需要 的强度；步骤7、如果夯土面作为建筑外立面或城墙表面，在养护28天后表 面喷淋防护材料进行增强憎水处理，以降低改性灰土的吸水率，增加改性 灰土的耐老化能力。
7. 如权利要求6所述的石灰改性土的配制使用方法，其特征在于，所述的步 骤5中，夯至表面有湿湿的效果，即所谓出汗，即可。
8. 如权利要求6所述的石灰改性土的配制使用方法，其特征在于，所述的步 骤7中的防护材料为5%甲基丙烯酸树脂+5%异辛基三乙氧基硅垸溶剂的 混合物。
全文摘要
一种石灰改性土的配比以及确定配比的方法和配制使用方法，确定采用重量比为90-94％的黄土，重量比为3-5％的生石灰粉和重量比为3-5％的水硬性石灰来生产石灰改性土，利用本发明生产出的石灰改性土的强度明显增加，在较短的时间内达到抗压、耐水、耐冻，养护简单，质量容易控制，且节约资源，环保经济。
文档编号B28B1/04GK101549989SQ200910057190
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月7日 优先权日2009年5月7日
发明者张德兵, 戴仕炳, 李树盛, 贾忠照 申请人:上海德赛堡建筑材料有限公司;平遥县文物局