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【摘要】本文以新乡市干线公路改建和大修工程为依据，系统研究了利用工业废物生产低温陶瓷固化剂固化路用典型沙土制备轻骨料技术研究，并提出了施工工艺与技术要点。
【关键词】砂土固化；低温陶瓷胶凝材料；轻骨料；实验研究
1. 引言
用粉煤灰、矿渣、赤泥、脱硫石膏等为原料制备的低温类陶瓷固化剂，该固化剂物理力学性能优良，生产过程不用高温煅烧，便于实现工业化生产。新乡市公路管理局与有关部门协作，就此问题展开研究，开发研制出以工业废渣为主要材料的低温陶瓷胶凝材料，并采用低温陶瓷胶凝材料固化粉砂土制备轻骨料铺筑路面基层，效果良好。研究项目2010年通过技术鉴定，属国内首创，该技术可为同类工程提供参考与借鉴。
2. 低温陶瓷胶凝材料对砂性土的作用机理
低温陶瓷胶凝材料固化体是硅铝、双硅铝长链为主的无机高分子聚合物，具有高温陶瓷的物理力学性能和优良的耐久性；在具有传统水泥泥基材料优良施工操作性的同时，最终物质之间的连接是以离子链和共价链为主，具有优良的尺寸稳定性、抗渗耐冻、耐腐蚀、耐高温、耐水热性能；它不同于水泥，不存在氢氧化钙和钙矾石的粗大晶体，不需水泥和陶瓷材料的高温烧结，而是接近常温条件下通过混合料各自的反应，制成的最终性能与陶瓷相似的一种高性能绿色环保材料。
2.1 低温陶瓷固化剂的组成。选择拜尔法，赤泥、粉煤灰、矿渣、脱硫石膏为主要原料，在掺加剂（CA）的激发作用下，通过废弃物活化，制备出低温陶瓷胶凝材料——固化剂。
2.2 固化机理。在粉砂土固化方案中，作为固化剂组成，矿渣、脱硫石膏、粉煤灰、赤泥、瓷化剂（CA）既独立发挥作用，也通过相互之间的作用产生叠加效果。因此，有必要讨论组成单独和协同条件下的固化机理。
2.2.1 粉煤灰的水化机理。粉煤灰的主要成分为氧化硅、氧化铝玻璃体，粉煤灰具有火山灰性质，即它能在碱性环境中溶解，与氧化钙的水化物反应生成具有强度的水化硅酸钙。粉煤灰的火山灰活性主要取决于玻璃体的化学活性，包括玻璃中可渗性SiO2、Al2O3的含量和玻璃网络聚集体的解聚能力，单纯的粉煤灰不会发生水化，必须在石膏或石灰的条件下才能发生水化产生固结。
2.2.2 矿渣的水化机理。高炉矿渣熔体经水淬或空气急冷后形成尺寸为0.5～5mm左右的颗粒状矿渣，其主要化学成份为氧化钙、氧化铝、氧化硅，氧化铝总量一般在90%以上，另外，还有少量的氧化镁、氧化亚铁和一些硫化物，如硫化钙、硫化亚铁等。试验表明，水淬矿硅是一种水化晶体物质，具有潜在活性。外界对它进行某种激发才能发生水化反应，常用的激发材料有熟料激发、碱激发和硫酸盐激发。因此，总体而言，化学活化机理是碱性激发剂通过提供OH-来改变混合材料颗粒周围的化学环境，使液体中碱度提高，使高聚合度的硅酸盐玻璃体网络进一步解聚，加速活性硅、铝的扩散，从而生成CSH、CAH等凝胶物质。
2.2.3 添加剂（CA）对赤泥的激发机理。赤泥为铝厂尾矿，主要成份是水化石榴石，其次为赤铁矿、钙钛矿等。向赤泥中加入CA后，赤泥颗粒表面将形成CSH片状晶体，使其颗粒表面的胶状物膜受到破坏，内部结构发生解离，释放出各种阳离子和阴离子团。各种阴阳离子通过化学反应形成水化产物，最终导致体系发生凝结、硬化、机械强度提高。
2.2.4 轻骨料制备方法。轻骨料制符方法为：将粉沙土和固化剂混合均匀，均衡地加入到成球机中，同时加入雾状水，混合料随成球机转动而转动，但当上升到一定度后向下跌落，并与上升物料混合，这样在不断翻滚过程中，混合料发生彼此粘结而成为一定尺寸的颗粒，由于颗粒自重大，在成球机下部逐渐堆积，当堆积到一定体积后就从成球机边沿落入到接料框中。成球颗粒的生强度以从1m高处跌落不散成粉末，且表面圆润光滑，球径一般在10一15mm之间。成球颗粒经静停数小时后，放入蒸压釜中养护，粒径为5mm～20mm，筒压强度大于3.5MPa。
3. 主要试验研究
3.1 试验项目。室内试验主要项目有：砂性土物理化学性质，固化砂土混合料的无侧限抗压强度，试验材料基本技术性能。
3.1.1 低温陶瓷固化剂。细度5.8%（180目筛余）；凝结时间：初凝5h15min，终凝时间7h15min；3d强度：抗折3.68MPa，抗压12.3MPa；28d强度：抗折6MPa，抗压34.8MPa；胶砂流动度：136mm；标准稠度水胶比：0.22。
3.1.2 粉砂土。砂土材料取自河南新乡，其基本性能：干密度1.57g/cm3，液限27.1%，塑限18.4%，塑性指数8.7，直接剪切强度Cq最大值25KPa。
3.2 工程实例。试验路段设在新乡市干线公路大(中)修工程，工程采用二级平原微丘区标准进行设计，路基宽15m，行车道宽12m，路肩宽度：1.5m，行车道部分的路面结构总厚度为46.5cm，其中面层厚度为6.5cm沥青砼，底基层为20cm厚的水泥或二灰稳定碎石，底基层为20cm厚水泥石灰综合程土、路面设计的主要技术指标为：交通量增长率6.0％，标准轴载BZZ-100，设计率限内一个车道的累计当量轴次为250～350×104，路表设计弯沉值为0.35mm。主要大修工程内容有挖补、灌缝、铺设土工布，对有些路段病害严重的地方挖除基层，低温陶瓷稳定轻骨料混合料重做基层，并进行各种技术检测，以评定其效果。
3.3 施工工艺与要点。
（1）配合比：粉砂土：轻骨料=50:50，粒径为5mm～20mm，筒压强度大于3.5MPa，最大干密度rd=1.82g/cm3，最佳含水量W0=16%，压实度≥98%，按90%保证率，7d无侧限抗压强度Rc=2.75MPa，均方差S=0.039，偏差系数Cv=7.6%，R0.9=2.73MPa，固化剂掺量(干土重)8%。
（2）机械拌料：根据拌和机的拌料体积，计算出每斗混合料掺入固化剂的量，调试配比称重，拌料过程中要经常检查含水量，据此调节进料输入参数。
（3）碾压：首先用双钢轮压路机静压1～2遍，接着轻振二遍，然后采用振动力为30t的压路机振动碾压2～3遍，最后光轮静压收面，直至碾压横纹及轮沿痕迹消失，整个过程一般控制在4.5h内完成。
（4）养生：施工完后一个星期内要坚持洒水养生，也可以喷洒养护剂进行养生。
3.4 试验路检测及结果分析。
（1）现场检测：现场压实度≥98%，无侧限抗压强度2.91～3.38MPa，标准差0.272，偏差系数8.71，按0.95保证率为2.79MPa，基层回弹弯沉代表值为31.01mm（0.01），均满足技术规范要求。
（2）试验路段观测：试验路段主要观测项目有路面实测回弹弯沉值、平整度、沥青路面的裂缝。实测弯沉值19.03(0.01mm)，平整度平均值3.78mm，破损率0.015，路面状况指数PCI=91.5，评价等级为优。观测数据表明路面承载能力、抗裂性等路用性能均达到了预期目标。
4. 结语
（1）低温陶瓷固化轻骨料并做为路面基层结构可满足现行规范有关技术指标的要求，路用性能与二灰碎石和水泥碎石基层结构基本相同。
（2）本研究成果可用于实际生产中，施工工艺和技术方法与二灰稳定类相同，无需做调整。
（3）采用本课题的研究成果，路面基层造价降低30～47%，技术经济效益显著，具有广阔的推广前景。
参考文献
［1］ JTJ034-2000.公路路面基层施工技术规范［S］.
［2］ CJ/T3070-1998.土壤固化剂［S］.
［3］ JTGD50-2006.公路沥青路面设计规范［S］.
［4］ JTJ051-93.公路土工试验规程［S］.
【关键词】砂土固化；低温陶瓷胶凝材料；轻骨料；实验研究
1. 引言
用粉煤灰、矿渣、赤泥、脱硫石膏等为原料制备的低温类陶瓷固化剂，该固化剂物理力学性能优良，生产过程不用高温煅烧，便于实现工业化生产。新乡市公路管理局与有关部门协作，就此问题展开研究，开发研制出以工业废渣为主要材料的低温陶瓷胶凝材料，并采用低温陶瓷胶凝材料固化粉砂土制备轻骨料铺筑路面基层，效果良好。研究项目2010年通过技术鉴定，属国内首创，该技术可为同类工程提供参考与借鉴。
2. 低温陶瓷胶凝材料对砂性土的作用机理
低温陶瓷胶凝材料固化体是硅铝、双硅铝长链为主的无机高分子聚合物，具有高温陶瓷的物理力学性能和优良的耐久性；在具有传统水泥泥基材料优良施工操作性的同时，最终物质之间的连接是以离子链和共价链为主，具有优良的尺寸稳定性、抗渗耐冻、耐腐蚀、耐高温、耐水热性能；它不同于水泥，不存在氢氧化钙和钙矾石的粗大晶体，不需水泥和陶瓷材料的高温烧结，而是接近常温条件下通过混合料各自的反应，制成的最终性能与陶瓷相似的一种高性能绿色环保材料。
2.1 低温陶瓷固化剂的组成。选择拜尔法，赤泥、粉煤灰、矿渣、脱硫石膏为主要原料，在掺加剂（CA）的激发作用下，通过废弃物活化，制备出低温陶瓷胶凝材料——固化剂。
2.2 固化机理。在粉砂土固化方案中，作为固化剂组成，矿渣、脱硫石膏、粉煤灰、赤泥、瓷化剂（CA）既独立发挥作用，也通过相互之间的作用产生叠加效果。因此，有必要讨论组成单独和协同条件下的固化机理。
2.2.1 粉煤灰的水化机理。粉煤灰的主要成分为氧化硅、氧化铝玻璃体，粉煤灰具有火山灰性质，即它能在碱性环境中溶解，与氧化钙的水化物反应生成具有强度的水化硅酸钙。粉煤灰的火山灰活性主要取决于玻璃体的化学活性，包括玻璃中可渗性SiO2、Al2O3的含量和玻璃网络聚集体的解聚能力，单纯的粉煤灰不会发生水化，必须在石膏或石灰的条件下才能发生水化产生固结。
2.2.2 矿渣的水化机理。高炉矿渣熔体经水淬或空气急冷后形成尺寸为0.5～5mm左右的颗粒状矿渣，其主要化学成份为氧化钙、氧化铝、氧化硅，氧化铝总量一般在90%以上，另外，还有少量的氧化镁、氧化亚铁和一些硫化物，如硫化钙、硫化亚铁等。试验表明，水淬矿硅是一种水化晶体物质，具有潜在活性。外界对它进行某种激发才能发生水化反应，常用的激发材料有熟料激发、碱激发和硫酸盐激发。因此，总体而言，化学活化机理是碱性激发剂通过提供OH-来改变混合材料颗粒周围的化学环境，使液体中碱度提高，使高聚合度的硅酸盐玻璃体网络进一步解聚，加速活性硅、铝的扩散，从而生成CSH、CAH等凝胶物质。
2.2.3 添加剂（CA）对赤泥的激发机理。赤泥为铝厂尾矿，主要成份是水化石榴石，其次为赤铁矿、钙钛矿等。向赤泥中加入CA后，赤泥颗粒表面将形成CSH片状晶体，使其颗粒表面的胶状物膜受到破坏，内部结构发生解离，释放出各种阳离子和阴离子团。各种阴阳离子通过化学反应形成水化产物，最终导致体系发生凝结、硬化、机械强度提高。
2.2.4 轻骨料制备方法。轻骨料制符方法为：将粉沙土和固化剂混合均匀，均衡地加入到成球机中，同时加入雾状水，混合料随成球机转动而转动，但当上升到一定度后向下跌落，并与上升物料混合，这样在不断翻滚过程中，混合料发生彼此粘结而成为一定尺寸的颗粒，由于颗粒自重大，在成球机下部逐渐堆积，当堆积到一定体积后就从成球机边沿落入到接料框中。成球颗粒的生强度以从1m高处跌落不散成粉末，且表面圆润光滑，球径一般在10一15mm之间。成球颗粒经静停数小时后，放入蒸压釜中养护，粒径为5mm～20mm，筒压强度大于3.5MPa。
3. 主要试验研究
3.1 试验项目。室内试验主要项目有：砂性土物理化学性质，固化砂土混合料的无侧限抗压强度，试验材料基本技术性能。
3.1.1 低温陶瓷固化剂。细度5.8%（180目筛余）；凝结时间：初凝5h15min，终凝时间7h15min；3d强度：抗折3.68MPa，抗压12.3MPa；28d强度：抗折6MPa，抗压34.8MPa；胶砂流动度：136mm；标准稠度水胶比：0.22。
3.1.2 粉砂土。砂土材料取自河南新乡，其基本性能：干密度1.57g/cm3，液限27.1%，塑限18.4%，塑性指数8.7，直接剪切强度Cq最大值25KPa。
3.2 工程实例。试验路段设在新乡市干线公路大(中)修工程，工程采用二级平原微丘区标准进行设计，路基宽15m，行车道宽12m，路肩宽度：1.5m，行车道部分的路面结构总厚度为46.5cm，其中面层厚度为6.5cm沥青砼，底基层为20cm厚的水泥或二灰稳定碎石，底基层为20cm厚水泥石灰综合程土、路面设计的主要技术指标为：交通量增长率6.0％，标准轴载BZZ-100，设计率限内一个车道的累计当量轴次为250～350×104，路表设计弯沉值为0.35mm。主要大修工程内容有挖补、灌缝、铺设土工布，对有些路段病害严重的地方挖除基层，低温陶瓷稳定轻骨料混合料重做基层，并进行各种技术检测，以评定其效果。
3.3 施工工艺与要点。
（1）配合比：粉砂土：轻骨料=50:50，粒径为5mm～20mm，筒压强度大于3.5MPa，最大干密度rd=1.82g/cm3，最佳含水量W0=16%，压实度≥98%，按90%保证率，7d无侧限抗压强度Rc=2.75MPa，均方差S=0.039，偏差系数Cv=7.6%，R0.9=2.73MPa，固化剂掺量(干土重)8%。
（2）机械拌料：根据拌和机的拌料体积，计算出每斗混合料掺入固化剂的量，调试配比称重，拌料过程中要经常检查含水量，据此调节进料输入参数。
（3）碾压：首先用双钢轮压路机静压1～2遍，接着轻振二遍，然后采用振动力为30t的压路机振动碾压2～3遍，最后光轮静压收面，直至碾压横纹及轮沿痕迹消失，整个过程一般控制在4.5h内完成。
（4）养生：施工完后一个星期内要坚持洒水养生，也可以喷洒养护剂进行养生。
3.4 试验路检测及结果分析。
（1）现场检测：现场压实度≥98%，无侧限抗压强度2.91～3.38MPa，标准差0.272，偏差系数8.71，按0.95保证率为2.79MPa，基层回弹弯沉代表值为31.01mm（0.01），均满足技术规范要求。
（2）试验路段观测：试验路段主要观测项目有路面实测回弹弯沉值、平整度、沥青路面的裂缝。实测弯沉值19.03(0.01mm)，平整度平均值3.78mm，破损率0.015，路面状况指数PCI=91.5，评价等级为优。观测数据表明路面承载能力、抗裂性等路用性能均达到了预期目标。
4. 结语
（1）低温陶瓷固化轻骨料并做为路面基层结构可满足现行规范有关技术指标的要求，路用性能与二灰碎石和水泥碎石基层结构基本相同。
（2）本研究成果可用于实际生产中，施工工艺和技术方法与二灰稳定类相同，无需做调整。
（3）采用本课题的研究成果，路面基层造价降低30～47%，技术经济效益显著，具有广阔的推广前景。
参考文献
［1］ JTJ034-2000.公路路面基层施工技术规范［S］.
［2］ CJ/T3070-1998.土壤固化剂［S］.
［3］ JTGD50-2006.公路沥青路面设计规范［S］.
［4］ JTJ051-93.公路土工试验规程［S］.