一种适用于道路基层的减缩增强材料

摘要

本发明公开了一种适用于道路基层的减缩增强材料，各组分所占质量百分比为：水泥65～84％，脱硫石膏10～20％，活性氧化镁2～10％，氯化镁2～5.5％，硬酯酸铵乳液1～2％；以上各组分的重量百分比之和为100％。本发明所述减缩增强材料可有效利用工业副产品和低能耗的膨胀材料，减小路面基层的收缩现象、提高其抗裂性能；采用该材料稳定的土体具有较高的强度、抗收缩性和稳定性，且涉及的材料成本低、制备方法简单，适合推广应用。

权利要求

1.一种适用于道路基层的减缩增强材料，其特征在于，各组分所占质量百分比为：水泥

65～84％，脱硫石膏10～20％，活性氧化镁2～10％，氯化镁2～5.5％，硬脂酸铵乳液1～

2％；以上各组分的重量百分比之和为100％；

所述硬脂酸铵乳液的制备方法包括以下步骤：1)将水加热至55～60℃，将无水碳酸钠、氢氧化钾溶于水中，并保持恒温，得混合液I；2)将硬脂酸置于三口烧瓶中，在55～60℃下加热融化，并升温至62～65℃保持恒温，得硬脂酸溶液；3)将乳化剂均匀溶解于混合液I中，然后加入硬脂酸溶液中，在55～60℃下进行皂化反应，并在6000～7500r/min的速度下搅拌5～10min；4)冷却至25～30℃，加入氨水搅拌均匀，得所述硬脂酸铵乳液，其中各原料所占体积百分比为：水85～92％，硬脂酸3～9％，氨水1～4％，无水碳酸钠0.1～0.3％，氢氧化钾

0.5～1％，乳化剂0.4～0.9％。

2.根据权利要求1所述的减缩增强材料，其特征在于，所述脱硫石膏中CaSO4·2H2O的质量含量≥90％。

3.根据权利要求1所述的减缩增强材料，其特征在于，所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

4.根据权利要求1所述的减缩增强材料，其特征在于，所述活性氧化镁由菱镁矿原料经

700～850℃煅烧制得的氧化镁，MgO的质量含量大于95％，比表面积大于450m2/kg。

5.根据权利要求1所述的减缩增强材料，其特征在于，所述乳化剂为非离子表面活性剂。

6.根据权利要求5所述的减缩增强材料，其特征在于，所述非离子表面活性剂为脂肪酸甲酯乙氧基化物。

说明书

一种适用于道路基层的减缩增强材料

技术领域

[0001] 本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种适用于道路基层的减缩增强材料。

背景技术

[0002] 在我国公路路面结构中，路面基层材料多采用石料。因石料需求量巨大，已不能满足日益增长的工程建设需求，不得不采取开山炸石、挖河采砂等方式获取原材料，给自然环境带来严重破坏。另一方面，采石场与施工现场距离较远，长距离的石料运输增加了工程造价。因此，为了节约石料使用，减少运输成本，国内外研究者充分利用来源最广泛的土壤资源，采用固化材料对道路基层土壤进行处理，使其满足工程设计要求。

[0003] 目前土壤固化材料已由传统的水泥、石灰、粉煤灰等发展为品类繁多的土壤固化剂。但这些土壤固化材料主要存在以下缺点：1)使用土壤固化材料后道路基层早期强度较低且发展缓慢，路面整体性差，影响施工进度。2)使用土壤固化材料对基层土壤处理后，道路基层稳定性和冻稳定性较差，易随着温度和湿度的季节性变化，产生较多的收缩裂缝，若不及时处理会导致路面面层出现反射裂缝，从而破坏路面结构，降低基层水稳定性能。因此，提高道路基层性能的土壤固化材料应具备以下几点：1)能有效减少土粒表面吸附水膜层厚度，使土团粒结合起来，堵塞土体毛细孔，封闭土体间空隙，形成稳定的联接，提高土体的密实性，增加土体的强度；2)能减少道路基层的收缩，使疏松的土体紧密结合起来，提高道路基层的路用性能和耐久性能。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术的上述不足，提供了一种适用于道路基层的减缩增强材料，所述材料有效利用了工业副产品和低能耗的膨胀材料，并可减小路面基层的收缩现象、提高其抗裂性能；采用该材料稳定的土体具有较高的强度、抗收缩性和稳定性，且涉及的原材料成本低、制备方法简单，适合推广应用。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种适用于道路基层的减缩增强材料，各组分所占质量百分比为：水泥65～84％，脱硫石膏10～20％，活性氧化镁2～10％，氯化镁2～5.5％，硬酯酸铵乳液1～2％；以上各组分的重量百分比之和为100％。

[0007] 根据上述方案，所述脱硫石膏为工业副产品，其中CaSO4·2H2O的含量≥90wt％。

[0008] 根据上述方案，所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

[0009] 根据上述方案，所述活性氧化镁由菱镁矿原料经700～850℃煅烧制得的氧化镁，MgO的质量含量大于95％，比表面积大于450m2/kg。

[0010] 根据上述方案，所述硬酯酸铵乳液的结构式如式(1)所示。

[0011]

[0012] 上述方案中，所述硬脂酸铵的制备方法包括以下步骤：1)将水加热至55～60℃，将无水碳酸钠、氢氧化钾溶于水中，并保持恒温，得混合液I；2)将硬脂酸置于三口烧瓶中，在55～60℃下加热融化，并升温至62～65℃保持恒温，得硬脂酸溶液；3)将乳化剂均匀溶解于混合液I中，然后加入硬脂酸溶液中，在55～60℃下进行皂化反应，并在6000～7500r/min的速度下搅拌5～10min；4)冷却至25～30℃，加入氨水搅拌均匀，得所述硬脂酸铵乳液，其中各原料所占体积百分比为：水85～92％，硬脂酸3～9％，氨水1～4％，无水碳酸钠0.1～
0.3％，氢氧化钾0.5～1％，乳化剂0.4～0.9％。

[0013] 上述方案中，合成硬脂酸铵乳液所用水为软水(蒸馏水、纯净水、去离子水等)硬脂酸为十八烷酸，分子式为CH3(CH2)16COOH；所述乳化剂为非离子表面活性剂。

[0014] 根据上述方案，所述非离子表面活性剂为脂肪酸甲酯乙氧基化物。

[0015] 根据上述方案制备的减缩增强材料，适用于粉质粘土等道路基层。

[0016] 本发明的原理为：

[0017] (1)脱硫石膏的主要化学成分为二水石膏，呈中性或略偏碱性，是一种具有较高水化活性的胶凝材料，水泥水化早期与水泥矿物发生反应生成钙矾石晶体，钙矾石又是一种膨胀源，可用于补偿基层材料的早期收缩，提高材料的强度；其反应方程式为：

[0018] CaO+Al2O3+3(CaSO4·2H2O)+2Ca(OH)2+24H2O→3CaO+Al2O3+3CaSO4·32H2O[0019] (2)氧化镁与水发生水化反应，水解生成Mg2+和OH-，当达到饱和以后沉淀析出氢氧化镁(MgO+H2O→Mg(OH)2)；氢氧化镁晶体的生成和生长引起固体体积的增大，从而使稳定土形成一定的膨胀，减少稳定土各龄期内的自收缩，同时，生成的晶体还可有效填充土体的孔隙，致密稳定土结构；此外，孔隙水中的Mg2+离子与基层中粘土颗粒表面的低价阳离子(Na+、K+等)进行离子交换，使粘土颗粒表面吸附的离子由一价变成二价，减少了其表面吸附水膜厚度，使粘土颗粒更接近，分子引力随之增加，减少了吸水性，提高其水稳性，并可促使较小的土颗粒形成较大的团粒，提高土体强度。

[0020] 氧化镁的水化是不可逆的渐进反应，水化反应是连续稳定的。水化产物Mg(OH)2溶解度非常低，一旦生成便长期稳定存在，其化学稳定性好于氧化钙类的膨胀剂(膨胀源为氢氧化钙)，它的热稳定性与化学稳定性好于钙矾石，使氧化镁适应更高的温度环境。此外，氢氧化镁长期暴露在空气中时，会与空气、土体孔隙中的的二氧化碳发生反应，生成碳酸镁，具有较高的胶结强度，有利于提高稳定土的强度。

[0021] (3)氯化镁作为一种可溶性氯盐，可与水泥中的C3A作用生成不溶于水的水化氯铝酸盐，加速水泥中的C3A的水化。氯化镁还可与水泥水化所得Ca(OH)2反应生成难溶于水的氯酸钙，降低液相中Ca(OH)2的浓度，加速C3S的水化，并生成的复盐增加水泥浆中固相的比例，2+
形成坚强的骨架，有助于水泥石结构的形成。另外，氯化镁溶于水后可提供二价的Mg 离子，它将与粘土颗粒表面的低价阳离子(Na+、K+等)进行离子交换，促使较小的土颗粒形成较大的团粒，提高土体强度。此外，氯化镁溶液还可与部分氧化镁作用形成氯氧镁水泥，氯氧镁水泥水化生成不同的硬化体(主要成分是5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O和3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O晶相)，由两个水化相为主的晶体交叉连生而成为网状结构，提高土体的强度。

[0022] (4)硬脂酸铵中含有18个碳原子的长碳链，长链烃基为憎水基团，疏水性长碳链端会伸入水泥土毛细孔中改变毛细孔网络的表面张力，可使水泥土的毛细孔及土体表面成为憎水表面；硬脂酸铵中的羧基具有亲水特性，利用皂化反应Na+、K+及NH4+取代，形成的—COONa、—COOK及—COONH4与水泥水化产物氢氧化钙作用，形成不溶性钙皂的薄络合吸附层，从而堵塞土体中毛细孔，提高土体的抗渗性能和水稳定性能。

[0023] 与现有技术相比，本发明优点和有益效果：

[0024] 1.本发明根据脱硫石膏的特点(烟气脱硫工艺的废弃物脱硫石膏的纯度高、二水石膏含量高)，一部分脱硫石膏参与水泥水化生成钙矾石晶体，其余的脱硫石膏颗粒起微集料的填充作用，提高路面基层材料的强度，减少基层材料早期收缩，缓解电力企业的环保压力，实现工业废渣的有效再利用。

[0025] 2.本发明采用煅烧温度比水泥低的轻烧氧化镁，利用其水化产生体积膨胀的特性，补偿基层材料的早期自收缩，利用其特有的持续微膨胀性，又能在较长龄期内对基层材料的中后期自收缩起到有效补偿。

[0026] 3.本发明严格控制减缩增强材料中活性氧化镁的掺量(2～10％)，合理控制产品指标，降低成本，若活性氧化镁掺量大于10％，会降低基层的强度，不能满足技术要求。

[0027] 4.本发明采用少量的硬酯酸铵乳液，利用其特有的憎水亲水特性，降低土体毛细孔表面张力并形成不溶性钙皂的薄络合吸附层，使土体具有一定的憎水能力，提高土体的抗渗性能和水稳定性能。

[0028] 5.本发明所述氯化镁能与在土颗粒表面的低价金属离子进行离子交换的同时，还可促进水泥水化，与部分氧化镁发生反应生成网状晶体，具有增强作用。

[0029] 6.将本发明所述减缩增强材料应用于稳定土壤，所得稳定土体材料在降低水泥用量15～20％的情况下，强度没有下降，且收缩小、没有裂缝、稳定性和耐久性好，技术指标满足路基设计要求，节约资源。

具体实施方式

[0030] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步详细描述本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下的实例。

[0031] 以下实施例中，水泥采用华新P.O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为336m2/kg；脱硫石膏中CaO含量为40.5wt％，SO3含量为54.4wt％；氯化镁的质量纯度不少于95％；活性氧化镁由菱镁矿煅烧制得的，菱镁矿产地为辽宁海城，其粒径为2～4cm；活性氧化镁的制备方法如下：

[0032] 1)先将菱镁矿破碎到一定的粒径，然后将破碎过的菱镁矿放入粉磨机中粉磨半小时，将粉料过200目筛，将粉料分别称100g放入瓷表面皿中；2)放入电子炉中，以8℃/min的升温速度，将炉温分别加热到700℃、750℃、800℃下，分别保温1h、1.5h、2h、2.5h；3)恒温设定时间之后取出，取出的轻烧氧化镁在干燥器中冷却；4)煅烧制得的氧化镁按《YB/T4019-2006》测定其活性。

[0033] 以下实施例中所使用的活性氧化镁，其煅烧温度为750℃，保温时间为1h，其中MgO的质量含量大于95％，比表面积为495m2/kg。

[0034] 以下实施例中，所针对的道路基层材料为粉质粘土，其风干含水量为9.5％，粒径≤4.75mm，所述减缩增强材料的掺量为20％(占粉质粘土和减缩增强材料总质量之和)。

[0035] 实施例1

[0036] 一种适用于道路基层的减缩增强材料，各组分所占质量百分比为：水泥77％，脱硫石膏10％，活性氧化镁8％，氯化镁4，硬酯酸铵乳液1％。

[0037] 本实施例中，所述硬脂酸铵乳液的制备方法包括以下步骤：1)将水加热至60℃，将无水碳酸钠、氢氧化钾溶于水中，并保持恒温，得混合液I；2)将硬脂酸置于三口烧瓶中，在58℃下加热融化，并升温至65℃后保持恒温，得硬脂酸溶液；3)将乳化剂脂肪酸甲酯乙氧基化物均匀溶解于混合液I中，然后缓慢加入硬脂酸溶液中，在58℃下进行皂化反应，并在
6500r/min的速度下搅拌8min；4)冷却至25℃，加入氨水搅拌均匀，得所述硬脂酸铵乳液，其中各原料所占体积百分比为：水90％，硬脂酸5％，氨水3.5％，无水碳酸钠0.2％，氢氧化钾
0.8％，乳化剂0.5％。

[0038] 将本实施例所述减缩增强材料应用于稳定道路基层(粉质粘土)，具体步骤如下：

[0039] 将粉质粘土进行闷料24h后倒入搅拌机中搅拌5s，再加入已拌合好的减缩增强材料，边搅拌边加入16％的水(按《JTG E51-2009中规程T 0804-1994》确定混合料的最佳含水量)，搅拌5～10s后，倒入直径50mm、高度50mm的标准模具，进行压制成型，然后在温度为20℃，相对湿度≥95％的养护室中养护至28天，得稳定土试样。

[0040] 测试所得试样的无侧限抗压强度，同一配比制作三个试样，取其测试强度的平均值作为结果；结果表明，采用本实施例所得减缩增强材料稳定的土体其28d强度为7.6MPa，而直接采用20％的水泥作为稳定材料所得稳定土(水泥占粉质粘土和水泥总质量的20％)的28d强度仅为3.2MPa。

[0041] 将本实施例所得试样进行干缩试验：在恒温保湿条件下，观测不同养护龄期的收缩变形值(抗压强度及收缩试验均按《JTG E51-2009》规程来进行)。干缩试验结果如表1所示。

[0042] 表1实施例1中所得减缩增强材料稳定的粘土干缩试验结果

[0043]

[0044] 实施例2

[0045] 一种适用于道路基层减缩增强材料，各组分所占质量百分比为：水泥74％，脱硫石膏15％，活性氧化镁6％，氯化镁4％，硬酯酸铵乳液1％。

[0046] 本实施例中，所述硬脂酸铵乳液的制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：硬脂酸铵乳液中各原料所占体积百分比为：水91％，硬脂酸4％，氨水3.5％，无水碳酸钠
0.2％，氢氧化钾0.8％，乳化剂0.5％。

[0047] 将本实施例所述减缩增强材料应用于稳定道路基层(粉质粘土)，具体步骤如下：

[0048] 将粘性土进行闷料24h后倒入搅拌机中搅拌5s，再加入已拌合好的减缩增强材料，边搅拌边加入16.2％的水(按《JTG E51-2009中规程T 0804-1994》确定混合料的最佳含水量)，搅拌5～10s后，倒入直径50mm、高度50mm的标准模具，进行压制成型，然后在温度为20℃，相对湿度≥95％的养护室中养护至28天。

[0049] 测试所得试样的无侧限抗压强度，同一配比制作三个试样，取其测试强度的平均值作为结果；结果表明，采用本实施例所得减缩增强材料稳定的土体其28d强度为7.4MPa，而直接采用20％的水泥作为稳定材料所得稳定土的28d强度仅为3.2MPa。

[0050] 将本实施例所得试样进行干缩试验：在恒温保湿条件下，观测不同养护龄期的收缩变形值(抗压强度及收缩试验均按《JTG E51-2009》规程来进行)。干缩试验结果如表2所示。

[0051] 表2实施例2中所得减缩增强材料稳定的粘土干缩试验结果

[0052]

[0053] 实施例3

[0054] 一种适用于道路基层的减缩增强材料，各组分所占质量百分比为：水泥81％，脱硫石膏10％，活性氧化镁3.8％，氯化镁4％，硬酯酸铵乳液1.2％。

[0055] 本实施例中，所述硬脂酸铵乳液的制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：硬脂酸铵乳液中各原料所占体积百分比为：水89％，硬脂酸5％，氨水4％，无水碳酸钠
0.3％，氢氧化钾1％，乳化剂0.7％。

[0056] 将本实施例所述基层稳定材料应用于稳定道路基层(粉质粘土)，具体步骤如下：

[0057] 将粘性土进行闷料24h后倒入搅拌机中搅拌5s，再加入已拌合好的减缩增强材料，边搅拌边加入16.5％的水(按《JTG E51-2009中规程T 0804-1994》确定混合料的最佳含水量)，搅拌5～10s后，倒入直径50mm、高度50mm的标准模具，进行压制成型，然后在温度为20℃，相对湿度≥95％的养护室中养护至28天。

[0058] 测试所得试样的无侧限抗压强度，同一配比制作三个试样，取其测试强度的平均值作为结果；结果表明，采用本实施例所得减缩增强材料稳定的土体其28d强度为7.6MPa，而直接采用20％的水泥作为稳定材料所得稳定土的28d强度仅为3.2MPa。

[0059] 将本实施例所得试样进行干缩试验，将试样在恒温保湿条件下观测不同养护龄期的收缩变形值(抗压强度及收缩试验均按《JTG E51-2009》规程来进行)。干缩试验结果如表3所示。

[0060] 表3实施例3中所得减缩增强材料稳定的粘土干缩试验结果

[0061]

[0062] 对比实例(采用20％的水泥作为稳定材料所得稳定土)的干缩试验结果如下表4所示。

[0063] 表4采用20％的水泥作为稳定材料所得稳定土的干缩试验结果

[0064]

[0065] 表1～3和表4对比可知，本发明所述减缩增强材料稳定的土体干缩应变随时间增大的变化规律基本一致，干缩应变均随着时间的增加而变大，而增大幅度比水泥稳定土体的干缩应变值小；采用本发明所述减缩增强材料稳定土体的干缩系数随时间的增大呈不同程度的减小趋势，比水泥稳定所得土体的干缩系数小很多。

[0066] 综上所述，采用本发明提供的减缩增强材料稳定的土体具有抗压强度高、干缩系数小、水稳定性好等的特点，满足技术要求；能够提高道路基层材料的抗裂性能，防止出现裂缝，提高基层材料的路用性能和耐久性能，保证结构稳定。

[0067] 显然，上述实例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方案予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。