无机结合料稳定土

《道路材料》科课时授课计划

课题：无机结合料稳定材料组成及强度形成原理

目的要求：1．描述无机结合料稳定材料组成

2．叙述无机结合料稳定材料的形成原理

重点和难点：重点：对原材料的要求

无机结合料稳定材料常用作路面基层材料，是在粉碎或原状的土（或砂砾）中掺入一定量的无机胶结材料和适量的水，经拌和、压实与养生后，得到的具有较高后期强度，整体性和水稳定性均较好的材料。

由于无机结合料稳定材料耐磨性差，具有较大的变形能力，刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间，故常将这类材料称为半刚性材料，以此修筑的基层或底基层亦称半刚性基层（或底基层）。

一、无机结合稳定材料的组成

1．无机结合稳定材料的分类

1）根据无机结合稳定材料组成的集料将其分为两大类

①稳定土类

②稳定粒料类：在粉碎或原状松散的土中掺入一定量的无机结合材料形成的称为稳定土

类（如：水泥稳定土、等），在松散的碎石或砂砾中掺入一定量的无机结合材料形成的称为稳定粒料类（如：水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾等）。

2）按无机胶结材料的种类可分为四大类：

①用水泥稳定的混合料称为水泥稳定类（如：水泥稳定土、水泥稳定砂砾等）

②用石灰稳定的混合料称为石灰稳定类（如：石灰稳定土等）；

③同时用水泥和石灰稳定的混合料称为综合稳定类（如：综合稳定土、综合稳定砂砾等）；

④用一定量的石灰和工业废渣稳定的混合料称为石灰工业废渣稳定类。

2．无机结合料稳定土组成材料及要求

1）土

除有机质或硫酸盐含量高的土以外，各类砂砾土、砂土、粉土和粘土都可以用作无机结合稳定材料。一般规定用于稳定土的液限不大于40，塑性指数不大于20。级配良好的土用作无机结合稳定料时，既可以节约无机结合料的用量，又可以取得满意的效果。重粘土中粘土颗粒含量多，不易粉碎、拌和，用石灰稳定时，容易使路面造成缩裂。粉质粘土的稳定效果最佳。用水泥稳定重粘土时，同样因不易粉碎、拌和，会造成水泥用量过高，经济性差。2）无机结合料

（1）水泥

各类水泥都可以用于稳定土，水泥的矿物成分和分散度对其稳定效果有明显影响。对同一种土，硅酸盐水泥比铝酸盐水泥稳定效果好。在水泥矿物成分相同、硬化条件相似的情况下，其强度随水泥比表面积和活性的增大而提高。稳定土的强度还与水泥用量有关，一般说来：水泥剂量愈大，稳定土的强度愈高，但过多的水泥用量，虽获得了较高的强度，但在经济上不一定合理，在效果上也不明显，而且容易开裂。所以水泥用量不存在最佳水泥用量，而存在一个经济用量。通常在保证土的性质能起根本变化，且能保证稳定土达到所规定的强度和稳定性的前提下，取尽可能低的水泥用量。

（2）石灰

石灰剂量对石灰土强度影响显著，石灰剂量较低（小于3%～4%）时，石灰主要起稳定作用，土的塑性、膨胀性、吸水量减小，使土的密实度、强度得到改善。随着剂量的增加，强度和稳定性均提高，但剂量超过一定范围时，强度反而降低。石灰的最佳剂量，对粘性土和粉性土为干土重的8%～16%，对砂性土为干土重的10%～18%。剂量的确定应根据结构层技术要求进行混合料组成设计。

（3）工业废渣

① 粉煤灰

石灰粉煤灰可用来稳定各种粒料和土，又称二灰土。

粉煤灰中SiO 2、Al 2O 3和Fe 2O 3的总含量应大于70%，烧失量不应超过20%；其比面积宜大于2500cm 2/g 。干和湿粉煤灰都可以应用，湿粉煤灰的含水量不宜超过35%，干粉煤灰如堆积在空地上应加水，防止飞扬造成污染。使用时，应将凝固的粉煤灰块打碎或过筛，同时清除有害杂质。

② 煤渣

煤渣是煤经锅炉燃烧后的残渣，它的主要成分是SiO 2和Al 2O 3，它的松干密度在700～

水的铝酸钙，它们在水分作用下能够逐渐硬结，其反应式为：

()O H n SiO xCaO O nH SiO OH xCa 222221)(+⋅→++ ()O H n O Al xCaO O nH O Al OH xCa 23223221)(+⋅→++

4．碳酸化作用

灰土中的Ca(OH)2与空气中的CO 2作用，生成CaCO 3结晶，其化学反应式为： O H n CaCO O nH CO OH Ca 23222)1()(-+=++ CaCO 3是坚硬的结晶体，它和其生成的复杂盐类把土粒胶结起来，从而大大提高了土的强度和整体性。

结晶作用和碳酸化作用使石灰土的后期整体性、强度和稳定性得到提高。

由于石灰与土发生了一系列的相互作用，从而使土的性质发生根本的改变。在初期，主

要表现为土的结团、塑性降低、最佳含水量增大和最大密实度减少等，后要表现为结晶结构的形成，从而提高其整体性、强度和稳定性。

（二）水泥稳定土强度形成原理

在利用水泥来稳定土的过程中，水泥、土和水之间发生了多种非常复杂的作用，从而使土的性能发生了明显的变化。这些作用可以分为：

①化学作用：如水泥颗粒的水化、硬化作用，有机物的聚合作用，以及水泥水化产物与粘土矿物之间的化学作用等。

②物理-化学作用：如粘土颗粒与水泥及水泥水化产生物之间的吸附作用，微粒的凝聚作用，水及水化产物的扩散、渗透作用，水化产物的溶解、结晶作用等。

③物理作用：如土块的机械粉碎作用，混合料的拌和、压实作用等

现就其中的一些主要作用过程介绍如下：

1．硬凝反应

硬凝反应也是水泥的水化反应。在水泥稳定土中，首先发生的是水泥自身的水化反应，在选用水泥时，在其它条件相同情况下，应优先选用硅酸盐水泥，必要时还应对水泥稳定土进行“补钙”，以提高混合料中的碱度。

2．离子交换作用

当溶液中富含Ca2+时，因为Ca2+的电价高于Na+、K+等离子，因此与电位离子的吸引力较强，从而取代了Na+、K+，成为反离子，同时Ca2+的双电层电位的降低速度加快。因而使电动电位减小、双电层的厚度降低，使粘土颗粒之间的距离减小，相互靠拢，导致土的凝聚，从而改变土的塑性，使土具有一定的强度和稳定度。这种作用就称为离子交换作用。

3．化学激发作用

土的矿物组成基本上都属于硅铝酸盐，其中含有大量的硅氧四面体和铝氧八面体。在通常情况下，这些矿物具有比较高的稳定性，但当粘土颗粒周围介质的PH值增加到一定程度时，粘土矿物中的部分SiO2和Al2O3的活性将被激发出来，与溶液中的Ca2+进行反应，生成新的矿物，这些矿物主要是硅酸钙和铝酸钙系列。

4．碳酸化作用

水泥水化生成的Ca(OH)2，除了可与粘土矿物发生化学反应外，还可进一步与空气中的CO2发生碳化反应并生成碳酸钙晶体。