專利名稱：土壤或地面增強(qiáng)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土壤或地面增強(qiáng)的處理方法，該方法是通過將生產(chǎn)鋼時(shí)的副產(chǎn)品氧化鐵細(xì)粉制成的Al-Fe氧化物混合物、熔煉鋁時(shí)的副產(chǎn)品紅泥同石灰混合，或者將添加氧化鈦的Al-Fe-Ti氧化物混合物同石灰混合以生產(chǎn)土壤或地面增強(qiáng)材料，并將其加到包括碎石、天然土壤等的土壤或地面上來提高土壤或地面的強(qiáng)度和粘彈性。
日本鋪砌道路的全長(zhǎng)接近770，000km或者說約占全部公路1，100，000km的70%，并且用瀝青混凝土(一種瀝青混凝土路面)鋪砌的道路約占鋪砌道路的95%。通過使上述混合物保持一定百分率(3-7%)的空氣泡可以維持瀝青混凝土的剪切強(qiáng)度。然而，瀝青的粘性阻力十分依賴于溫度，當(dāng)在炎熱的夏季阻力下降時(shí)，瀝青混凝土由于繁重的交通負(fù)載而致密，使空氣泡百分率下降。當(dāng)空氣泡百分率低于2%時(shí)，剪切強(qiáng)度急劇下降并且產(chǎn)生不固定的車轍而喪失路面功能。然而，若瀝青混凝土中空氣泡的百分率超過一定的百分率時(shí)，則混合物中的瀝青將同氧反應(yīng)并硬化，致使它失去粘性，在寒冷的冬季由于缺少柔韌性而產(chǎn)生斷裂破壞。
日本是一個(gè)由許多從北方延伸到南方的島嶼組成的狹長(zhǎng)鏈形島國，因?yàn)榈仄骄暥认嗖顦O大的地貌特點(diǎn)，由于在冬季日本北部和高山的大雪而在夏季環(huán)境溫度為30℃時(shí)瀝青混凝土表面溫度卻高達(dá)60℃，所以氣候條件對(duì)于瀝青路面十分嚴(yán)酷。而且交通狀況也十分擁擠在日本注冊(cè)的載重汽車比在歐洲主要國家注冊(cè)的載重汽車多10倍，因此對(duì)日本的公路帶來較大的破壞。為此在日本鋪砌道路要設(shè)計(jì)成耐用十年。
盡管如此，交通擁擠的道路也往往由于在炎熱夏季強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生不固定的車轍，交通相對(duì)不太擁擠的道路又由于瀝青老化致使柔韌性不夠，因此引起斷裂破壞而喪失路面功能。結(jié)果，這種一般區(qū)域內(nèi)交通擁擠的道路在開始投用后的3-4年內(nèi)就必須進(jìn)行維修，因?yàn)椴还潭ǖ能囖H達(dá)到了使用壽命的極限。已經(jīng)采取了許多改進(jìn)瀝青熱敏性防范不固定車轍的措施，但仍存在著經(jīng)常產(chǎn)生裂紋之類一些其它問題，而且也還未建立充分的措施。多年以來都采用添加石灰以增強(qiáng)土壤或地面的方法，其反應(yīng)機(jī)制是(1)通過土粒表面上的離子交換反應(yīng)使得土粒結(jié)成團(tuán)塊(2)通過形成碳酸鈣而產(chǎn)生硬化作用。然而，根據(jù)最近的研究(3)例如在土壤或地面內(nèi)形成粘土或膠體的硅石(SiO2)或鋁礬土(Al2O3)一類的非結(jié)晶物質(zhì)，同土壤或地面內(nèi)的石灰進(jìn)行水合反應(yīng)而產(chǎn)生硅酸鈣水合物或鋁酸鈣水合物。這些單質(zhì)形態(tài)或組合物形態(tài)的材料可用作粘結(jié)劑以提高強(qiáng)度和延長(zhǎng)使用壽命。
一般說來，這種反應(yīng)稱為石灰一凝硬反應(yīng)，可認(rèn)為用石灰進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的成功取決于這種石灰一凝硬反應(yīng)。
在由天然土添加石灰或水泥制成的土壤或地面增強(qiáng)材料用作筑路材料的情況下，強(qiáng)度和粘彈性的相互關(guān)系是彼此矛盾的。
例如，不可能同時(shí)獲得最大應(yīng)力時(shí)約1.0%的應(yīng)變和高于10kgf/cm2的單軸壓縮強(qiáng)度的性能。
目前，通過使用添加石灰的鐵氧化物混合物制取的土壤或地面強(qiáng)度材料就可以獲得上述性能，也可以初步實(shí)現(xiàn)要達(dá)到的目的。這種氧化鐵細(xì)粉、生石灰、熟石灰和石灰石粉的混合物的土壤或地面增強(qiáng)材料在本說明書下文中將稱之為“Fe石灰”。
本申請(qǐng)的發(fā)明人根據(jù)迄今獲得滿意成就的Fe石灰提出了若干發(fā)明。例如，這些發(fā)明是關(guān)于使用天然土、轉(zhuǎn)爐廢渣、氧化鐵細(xì)粉和熟石灰的混合物鋪砌路基軟底中間層的鋪砌筑路法(請(qǐng)參考日本專利公告公報(bào)No.52-7256)，是關(guān)于利用添加了氧化鐵細(xì)粉和熟石灰的天然土的化學(xué)反應(yīng)，在基底材料層和路基之間提供作為中間層的土壤或地面增強(qiáng)材料層的簡(jiǎn)易道路筑路法(請(qǐng)參考日本專利公告公報(bào)No.54-25738)和關(guān)于使用由添加氧化鐵細(xì)粉和熟石灰的天然土制成的增強(qiáng)土壤或地面材料增強(qiáng)路面和鋪砌一定厚度的可得到彈性系數(shù)低于建筑結(jié)構(gòu)臨界撓曲度的增強(qiáng)土壤或地面材料層以防止固結(jié)沉陷的方法(日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)No.63-134709)。使用Fe石灰的土壤或地面增強(qiáng)處理可以生產(chǎn)一種質(zhì)量十分良好的材料，因?yàn)榛旌狭薋e石灰的土壤(所用的土壤)是一種風(fēng)化花崗石，這是一種風(fēng)化后的花崗巖殘剩的土壤，它包含一些具有很大反應(yīng)活性的非結(jié)晶材料(例如SiO2、Al2O3和Fe2O3)。然而，如果所用土壤是一種由含粘土較少的以山石砂、河床泥沙、礫砂土一類的硅石砂為代表的SiO2組成的高結(jié)晶材料，或者主要礦物為火山玻璃和大多數(shù)成分是砂和稱為Sirsu的泥沙的未風(fēng)化火山碎屑物流出沉積物，則存在這樣一個(gè)問題，即該土壤幾乎不含非結(jié)晶材料，因此也不能獲得所要求的強(qiáng)度。
本發(fā)明的目的是通過制取具有特定組成但不限于使用特定土壤的土壤或地面增強(qiáng)材料，來提供一種對(duì)每一鋪砌層都能獲得所需強(qiáng)度和粘彈性的土壤或地面增強(qiáng)處理方法。例如，在所用土壤是一種風(fēng)化花崗巖的情形下，通過采用本發(fā)明的土壤或地面增強(qiáng)處理方法，可以大大地提高強(qiáng)度而不會(huì)削弱使用Fe石灰的普通增強(qiáng)土壤或地面材料的撓曲性能。因此，本發(fā)明就可能應(yīng)用于交通擁擠道路的基底上層，能顯著地降低路面的撓曲度并通過粘彈性的減震作用也能防止路面結(jié)構(gòu)破壞和不固定的車轍。
廣泛分布于日本九州南部的火山巖石渣床是一種火山噴發(fā)巖漿的凝結(jié)沉積物，它不能作為耕地的土壤，需要從該地區(qū)的主要農(nóng)耕地中清除出去。根據(jù)制定清除計(jì)劃期間收集的資料，(1)平均水含量為37%(在28-54%范圍內(nèi))，(2)切割試樣(4×4×16cm)的平均彎曲張力強(qiáng)度為2.3kgf/cm2(在1.4-4.3kgf/cm2范圍內(nèi)，使用Michael試驗(yàn)機(jī))，(3)根據(jù)機(jī)械清除試驗(yàn)，最有效的方法是從距火山巖渣床1米高處投下一種重2.7噸，寬3米，具有8個(gè)刀片(片距50cm)的釘齒耙若干次，以破碎火山巖渣床，然后拉起釘齒耙并使推土機(jī)推進(jìn)以取走火山巖渣板，然后重復(fù)上述操作。
這種方法和在鋪砌道路維修工程中清除比較厚的瀝青混凝土板采用的方法是完全一樣的，火山巖渣床不僅堅(jiān)硬而且具有類似于瀝青混合物床的粘彈性，在粒徑上也非常類似于瀝青混凝土。因此，從機(jī)械觀點(diǎn)考慮，摩擦阻力是由集聚作用以及由具有類似于瀝青的粘滯性或粘聚阻力的礦物而產(chǎn)生的粘彈性能所賦予的。
本發(fā)明首先計(jì)劃，假定若人工地生產(chǎn)一種其粘滯阻力類似于瀝青粘結(jié)劑的礦物，則可以獲得一種理想的土壤或地面增強(qiáng)材料。
本發(fā)明涉及一種土壤或地面的增強(qiáng)處理方法，該方法是將一種添加了石灰的氧化鋁和富含氧化鐵的Al-Fe氧化物混合物混合進(jìn)包含碎石、天然土等的土壤或地面中，最好該土壤或地面增強(qiáng)材料含有氧化鈦的Al-Fe-Ti氧化物混合物，該混合物除了其主要成分氧化鋁和氧化鐵和添加的石灰以外還含有氧化鈦，而且在土壤或地面增強(qiáng)材料中的Al-Fe-Ti氧化物混合物的含量應(yīng)能使氧化鋁含量在5-15%(重量)范圍，氧化鐵含量在15-35%(重量)范圍內(nèi)和氧化鈦含量在0.5-2%(重量)范圍內(nèi)。
(

圖1)該圖是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案將土壤或地面增強(qiáng)材料加到土壤中時(shí)說明化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的方程式。
化學(xué)反應(yīng)式
(圖2)該圖是一張根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案將土壤或地面增強(qiáng)材料加到硅石粉中的試樣0天時(shí)切割表面的顯微照片。
(圖3)該圖是一張根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案將土壤或地面增強(qiáng)材料加到硅石粉中的試樣4天時(shí)切割表面的顯微照片。
(圖4)
該圖是一張根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案將土壤或地面增強(qiáng)材料加到硅石粉中的試樣28天時(shí)切割表面的顯微照片。
(圖5)該圖是一張根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案將土壤或地面增強(qiáng)材料加到硅石粉中的試樣60天時(shí)切割表面的顯微照片。
(圖6)該圖是一張將普通熟石灰加到硅石粉中的試樣0天時(shí)切割表面的顯微照片。
(圖7)該圖是一張將普通熟石灰加入到硅石粉中的試樣4天時(shí)切割表面的顯微照片。
(圖8)該圖是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用添加有土壤或地面增強(qiáng)材料的風(fēng)化花崗巖土壤來進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的表示CBR試驗(yàn)結(jié)果的圖形。
(圖9)該圖是表示單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖，該曲線圖表示單軸強(qiáng)度和根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用添加有土壤或地面增強(qiáng)材料的風(fēng)化花崗巖土壤來進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理二者之間的相互關(guān)系。
(圖10)該圖是表示應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果的曲線圖，該曲線圖表示最大應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變和根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用添加有土壤或地面增強(qiáng)材料的風(fēng)化花崗巖土壤來進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的壽命二者之間的相互關(guān)系。
(圖11)該圖是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用添加有土壤或地面增強(qiáng)材料的Sirsu土壤來進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的CBR試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
(圖12)該圖是表示單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖，該曲線圖表示單軸強(qiáng)度和根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用添加有土壤或地面增強(qiáng)材料的Sirsu土壤來進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的壽命二者之間的相互關(guān)系。
(圖13)該圖是表示應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果的曲線圖，該曲線圖表示最大應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變和根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用添加有土壤或地面增強(qiáng)材料的Sirsu土壤進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的壽命二者之間的相互關(guān)系。
(圖14)該圖是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用添加有土壤或地面增強(qiáng)材料的硅石砂土壤來進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的CBR試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖形。
本發(fā)明實(shí)施方案詳述如下1)土壤或地面增強(qiáng)材料的制取
Al-Fe氧化物混合物(紅泥)(參考表2)原料是水含量約為30%的副產(chǎn)品。以特定的混合比混合適量(相對(duì)于原料干重的當(dāng)量比)的生石灰(CaO)和/或熟石灰(Ca(OH)2)對(duì)濕紅泥進(jìn)行干燥，可獲得具有如表3所示組成的土壤或地面增強(qiáng)材料(Al-Fe-Cu土壤或地面增強(qiáng)材料)。
生石灰和熟石灰是具有表4和表5所示化學(xué)組成的市售產(chǎn)品。
為對(duì)比起見，在表8、9、12、13和15中示出了普通Fe石灰的組成。
2)土壤或地面增強(qiáng)處理2-1)風(fēng)化花崗巖土壤的強(qiáng)度試驗(yàn)風(fēng)化花崗巖是一種風(fēng)化后的花崗巖石的殘剩沉積物，它廣泛地分布于西部日本。風(fēng)化花崗巖的技術(shù)性能是這樣的，有些根據(jù)風(fēng)化條件而顯著地變成粘土，但一般而言，它是一種砂質(zhì)土，其中5-10%部分包含大于2mm的礫石和小于0.005mm的粘土。所用土壤取自于日本Saga Prefecfure，Yamatomachi的Saga土壤工業(yè)有限公司的土壤貯藏所，其物理性能示于表6而化學(xué)性能示于表7。
將表3中所示土壤或地面增強(qiáng)材料以93%土壤和7%材料(干重組成)的混合比同土壤混合，根據(jù)JISA1211的CBR試驗(yàn)方法按CBR一層20次五層搗固(ofCBR 1 Layer 20 times 5 Layers by a Stick-hardening)制取試樣。CBR試驗(yàn)和單軸試驗(yàn)二者的搗固功Ec＝9.2cm·kgf/cm2，通過所用土壤的搗固試驗(yàn)結(jié)果規(guī)定了搗固的水含量為最佳含量(13.3%)。試樣的養(yǎng)護(hù)方法是在搗固后試樣不立即浸入水中，而在搗固后超過4天的試樣，立即浸入水溫保持在23℃的水中直到根據(jù)CBR試驗(yàn)進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試樣用薄膜密封后在恒溫(23℃)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)直到負(fù)載試驗(yàn)的前一天，試樣用真空脫氣水完全浸透30分鐘，然后根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)用水浸法(24小時(shí))進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。水浸CBR試驗(yàn)結(jié)果示于表8和9，單軸壓縮試驗(yàn)(該試驗(yàn)是按照土壤質(zhì)量工程協(xié)會(huì)的“JSF，T511-1990”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行)結(jié)果示于表9和圖9，應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果示于圖10。
正如試驗(yàn)結(jié)果明顯指出的那樣，根據(jù)試樣壽命和水浸CBR(%)之間的關(guān)系以及試樣壽命和單軸強(qiáng)度(kgf/cm2)之間的關(guān)系可以看出，使用Al-Fe-Ca土壤或地面增強(qiáng)處理土壤同使用常規(guī)Fe石灰土壤或地面增強(qiáng)處理土壤比較，前者的強(qiáng)度得到較大提高，較高的Al含量在任何試樣壽命時(shí)都具有較高的CBR強(qiáng)度。
例如，在前一種情況下(本實(shí)施方案)28天試樣的單軸強(qiáng)度(qu28)在16-20之間，而后一種情況(普通的)下的強(qiáng)度約為11，本實(shí)施方案最大應(yīng)力時(shí)應(yīng)變超過1.0%，這決不是低于后一種情況的數(shù)值。
2-2)使用Sirsu土壤的強(qiáng)度試驗(yàn)Sirsu是一種火山流出沉積物，它廣泛地分布于日本九州的南部，其大部分的復(fù)合粒子是火山玻璃和浮石。因此，該顆粒的比重(2.30-2.50)低于普通土壤，摩擦?xí)r易碎而且是可破碎的。它的主要成分是砂和含有少量大于2mm的礫石和小于0.005mm粘土的河沙。所用土壤取自鹿兒島市的貯藏所，土粒的比重和粒徑分布示于表10，而化學(xué)組成示于表11。將表3所示土壤或地面增強(qiáng)材料以7%和93%的混合比(干重)同上述土壤混合，根據(jù)JIS A1211CBR試驗(yàn)方法按照CBR一層20次五層搗固(by CBR 1Layer 20 Times 5 Layers stick-hardening)制取試樣。CBR試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)二者的搗固功為Ec＝9.2cm·kgf/cm2，通過所用土壤的搗固試驗(yàn)結(jié)果規(guī)定了搗固的水含量為最佳水含量。試樣的養(yǎng)護(hù)方法同使用風(fēng)化花崗巖土壤的情況下適用的方法完全相同。水浸CBR試驗(yàn)結(jié)果示于表12和圖11、單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果示于表13和圖12，應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果示于圖13。
正如試驗(yàn)結(jié)果明顯指出的那樣，根據(jù)試樣壽命和水浸CBR(%)之間的關(guān)系以及試樣壽命和單軸強(qiáng)度(kgf/cm2)之間的關(guān)系可以看出，使用Al-Fe-Ca土壤或地面增強(qiáng)處理土壤同使用常規(guī)Fe石灰土壤比較，前者的強(qiáng)度得到較大提高，換言之，較高Al含量的試樣在任何試樣壽命時(shí)具有更高的CBR強(qiáng)度。例如，在前一種情況下(本實(shí)施方案)28天試樣(que28)的單軸強(qiáng)度約為18-27，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后一種情況(常規(guī)的)接近13的強(qiáng)度，本實(shí)施方案的最大應(yīng)力時(shí)應(yīng)變約為1.15%，這也決不是低于后一種情況的數(shù)值。在將Sirsu用作土壤的情況下其單軸強(qiáng)度顯示出同圖9中風(fēng)化花崗巖土壤的單軸強(qiáng)度值幾乎完全相同。但是，強(qiáng)度的不同范圍極大地取決于土壤或地面增強(qiáng)材料的類型。換言之，在土壤或地面增強(qiáng)材料中Al含量對(duì)提高強(qiáng)度的作用在Sirsu用作土壤的情況下是最大的。在土壤或地面增強(qiáng)處理土壤中具有最大Al含量的Al-Fe-Ca No.3土壤或地面增強(qiáng)材料約有27kgf/cm2的最大應(yīng)力，而28天試樣的最大應(yīng)變約為1.13%。水泥含量為8%的28天試樣的單軸壓縮試驗(yàn)給出約17kgf/cm2的最大應(yīng)力和約0.65%的最大應(yīng)變。因此，應(yīng)用Al-Fe-Ca No.3土壤或地面增強(qiáng)土壤同添加水泥的土壤相比較，前者可以獲得1.6倍于后者的強(qiáng)度和1.8倍于后者的撓曲度。
2-3)硅石砂土壤的強(qiáng)度試驗(yàn)用表14中所示化學(xué)組成的硅石粉(小于0.074mm)制取試樣，將三種類型的天然硅石砂(5.0-0.074mm)以93%土和7%在表2中所示土壤或地面增強(qiáng)材料(干重組成)同根據(jù)JIS A1211 CBR試驗(yàn)方法按照CBR一層20次五層搗固(by CBR 1Layer 20 times 5 Layers Stick-hardening)制取的土壤混合，該土壤具有以已知粒徑曲線為基準(zhǔn)的綜合粒徑(一種普通砂質(zhì)土相對(duì)風(fēng)化分解的花崗巖)。養(yǎng)護(hù)方法是在風(fēng)化花崗巖土壤用作強(qiáng)度試驗(yàn)的相同條件下進(jìn)行。水浸CBR試驗(yàn)結(jié)果示于表15和圖14。試驗(yàn)結(jié)果考慮如下(1)同熟石灰處理土壤和Fe石灰或地面增強(qiáng)處理的土壤比較，本發(fā)明實(shí)施方案的Al-Fe-Ca土壤或地面增強(qiáng)處理土壤顯示出，4天試樣的CBR＝45-70%而14天試樣的CBR＝180-315%，直到60天的試樣的強(qiáng)度提高也是緩慢的，但此后強(qiáng)度急劇增加，120天試樣的CBR＝270-430%。CBR強(qiáng)度的增加同土壤或地面增強(qiáng)材料中的Al2O3含量成正比。(2)從14天到60天的試樣壽命期是從圖1所示土壤或地面增強(qiáng)土壤反應(yīng)機(jī)制中所述水合Al-Fe氧化物混合物形成膠質(zhì)態(tài)Al-Fe水合物(1)的時(shí)間。
在60天以后，由于氧的存在使得結(jié)晶再次發(fā)展，在復(fù)雜的結(jié)晶條件下，由于形成顯示同硅酸強(qiáng)結(jié)合的鋁一氧結(jié)合鏈和顯示粘彈性的鐵-氧結(jié)合鏈而獲得了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
因?yàn)镃BR強(qiáng)度同土壤或地面增強(qiáng)材料中的Al2O3含量成比例增加，如果土壤或地面增強(qiáng)材料僅僅根據(jù)強(qiáng)度或僅僅根據(jù)彈性系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，則應(yīng)優(yōu)選Al2O3含量較高的材料。然而，如同AASHO試驗(yàn)道路的結(jié)果來看，也必須考慮另一個(gè)重要因素-粘彈性或撓曲性。還有，所需要的強(qiáng)度和撓曲度是隨路面結(jié)構(gòu)位置的用途而變化的。如果該用途是作為軟路基的增強(qiáng)層，則應(yīng)該優(yōu)先考慮粘彈性而不是強(qiáng)度。如果該用途是作為緊接瀝青表面層下的基底層，則應(yīng)優(yōu)選考慮強(qiáng)度。對(duì)使用硅石砂作為地面增強(qiáng)處理用土壤的試樣壽命和單軸強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果獲知，該關(guān)系顯示了用風(fēng)化花崗巖土作為處理用土壤和Sirsu作為處理用土壤得到的數(shù)據(jù)之間的中間值。
本發(fā)明的土壤或地面增強(qiáng)處理方法使用一種添加石灰的氧化鋁和富含氧化鐵的Al-Fe氧化物混合物的土壤或地面增強(qiáng)材料，正如實(shí)施方案的結(jié)果所指出的那樣，土壤或地面增強(qiáng)材料中的氧化鋁混合物可提高土壤或地面增強(qiáng)處理土壤的強(qiáng)度，而氧化鐵混合物可增強(qiáng)土壤或地面增強(qiáng)處理土壤的粘彈性。
當(dāng)土壤或地面增強(qiáng)處理土壤用作筑路結(jié)構(gòu)材料時(shí)，強(qiáng)度增加能產(chǎn)生分散負(fù)載的作用，從而減輕車輪負(fù)載對(duì)路面造成的撓曲，而粘彈性吸收了運(yùn)輸車輛造成的振動(dòng)負(fù)載，從而防止路面結(jié)構(gòu)的破壞和瀝青路面材料的不固定車轍，因而大大地延長(zhǎng)了路面的使用壽命。本發(fā)明的有效用途是將Al-Fe氧化物混合物混合進(jìn)Al-Fe-Ca土壤或地面增強(qiáng)材料中，使其中的氧化鋁在5-15%(重量)范圍而氧化鐵在15-35%(重量)范圍內(nèi)，如果超過上述界限，則難以達(dá)到既極大地提高強(qiáng)度，同時(shí)又保持撓曲性的目的。熔煉鋁時(shí)的副產(chǎn)品紅泥除了含作為主要成分的氧化鋁(Al2O3)和氧化鐵(Fe2O3)外，還包含氧化鈦(TiO2)。當(dāng)包含氧化鈦的Al-Fe-Ti-Ca土壤或地面增強(qiáng)材料加入土壤中時(shí)，氧化鈦將根據(jù)圖1所示反應(yīng)對(duì)土壤或地面的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)產(chǎn)生附加的效果。在此情況下，土壤或地面增強(qiáng)材料中含量在0.5-2.0%(重量)的氧化鈦產(chǎn)生了極好的作用。
表1示出了火山巖渣床的化學(xué)分析(摘自“Character-istic Soilin Kyrshu and Okinawa”Compiled by The Society of Soil Quality Engineering of Japan，Kyushu Branch and Published by The u-niversity of Kyushu Publishing Committee)。火山巖渣床的化學(xué)組成以氧化鋁(Al2O3)和氧化鐵(Fe2O3)為其特征，已獲知這非常類似于紅泥(用氫氧化鈉處理鋁礬土來生產(chǎn)高純鋁礬土的剩余物)的化學(xué)分析結(jié)果。
表2示出了Al-Fe-Ti氧化物混合物(紅泥)的化學(xué)分析結(jié)果(按照日本鋼鐵聯(lián)合公司TAC分析中心的分析)。
圖1顯示了含有上述Al-Fe氧化物混合物和熟石灰的土壤或地面增強(qiáng)材料加入土壤中時(shí)的反應(yīng)機(jī)制。
當(dāng)把Al-Fe氧化物混合物和熟石灰的混合物加入土壤中時(shí)，熟石灰溶解在土壤濕氣中，結(jié)果顯示出強(qiáng)堿性，在堿性條件下，Al-Fe氧化物混合物進(jìn)行水合，生成了活性鋁-鐵水合物(I)，該水合物分散在膠體形態(tài)的集聚土粒之間。然后由于例如壓縮的物理作用使結(jié)晶繼續(xù)發(fā)展，由于氧氣存在隨著時(shí)間而發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)變化，從而形成具有鋁同硅酸強(qiáng)結(jié)合能的鋁-氧結(jié)合鏈和具有鐵特有的粘彈性的鐵-氧結(jié)合鏈，這些結(jié)合鏈的結(jié)合形成復(fù)雜的結(jié)晶條件(H)從而增強(qiáng)土壤或地面的結(jié)構(gòu)。
加入土壤中的由Al-Fe氧化物混合物和熟石灰組成的土壤或地面增強(qiáng)材料(在下文中稱為Al-Fe-Ca土壤地面增強(qiáng)材料)的電子顯微研究敘述如下在將7%(干重量)的熟石灰加到不含有非結(jié)晶材料的高結(jié)晶硅石粉中的情況下，該粉狀試樣進(jìn)行粘性一硬化處理并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，然后在110℃的爐內(nèi)干燥。然后冷卻到環(huán)境溫度并用樹脂密封，該試樣切割表面照片分別示于圖6(0天)和圖7(4天)。
該圖指出在老化試樣的顆粒結(jié)構(gòu)中沒有發(fā)生變化。
然而，如果將含量為7%(干重量)的Al-Fe-Ca土壤或地面增強(qiáng)材料(同表3中的實(shí)施例Al-Fe-Ca-No.2相同)加到上述的硅石粉中，在圖2(0天)、圖3(4天)、圖4(28天)、圖5(60天)所示相同條件下，將它們的切割表面照片進(jìn)行比較顯示出，表示在搗固后立即浸水條件的圖2看起來同硅石砂試樣材料的圖6非常相似，而在4天試樣的圖3中沒有觀察到結(jié)晶現(xiàn)象。28天試樣的圖4顯示出Al-Fe氧化物混合物發(fā)生水合反應(yīng)并分散呈膠體狀態(tài)，還從60天試樣的圖5觀察到，在氧氣存在下包覆硅石的Al-Fe水合氧化物的結(jié)晶發(fā)展。
相應(yīng)于這種反應(yīng)機(jī)制的強(qiáng)度和粘彈性顯示了今后要討論的在單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變之間的深刻的相互關(guān)系，因此，可以根據(jù)長(zhǎng)期的強(qiáng)度要求，使用那些其機(jī)械性能在普通水泥-混凝土彈性材料和瀝青-混凝土粘彈材料之間的材料筑路。
如上所述，本發(fā)明的土壤或地面增強(qiáng)處理方法是，將主要成分是添加有石灰的氧化鋁、氧化鐵和氧化鈦的Al-Fe-Ti氧化物混合物的土壤或地面增強(qiáng)材料混合進(jìn)碎石、天然土等的土壤中，并通過土壤或地面增強(qiáng)處理以提高強(qiáng)度和獲得粘彈性的減震作用。
因而，本發(fā)明應(yīng)用于筑路材料時(shí)可增加負(fù)載分散作用，以減低車輪負(fù)載造成的路基撓曲，并吸收和減輕由運(yùn)輸車輛產(chǎn)生的振動(dòng)負(fù)載(通常約為路面設(shè)計(jì)靜止車輪負(fù)載的1.8倍)。因此，本發(fā)明的土壤或地面增強(qiáng)處理方法應(yīng)用于軟路基上的增強(qiáng)層可以減輕振動(dòng)負(fù)載或路基的顫動(dòng)，以防止路基疲勞或軟化。這種減震作用對(duì)道路上不固定車轍顯示了劃時(shí)代的阻止作用，這種路面上的不固定車轍一直是我國瀝青筑路工程中的一個(gè)致命問題。
以應(yīng)用于軟路基上道路鋪砌的情況來解釋本發(fā)明的土壤或地面增強(qiáng)處理方法的優(yōu)選實(shí)施方案，但是本發(fā)明的處理方法可以應(yīng)用于更多方面，例如房屋建筑、停車場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和機(jī)場(chǎng)地面。
為了便于參考，以下附出表1-15的名稱表1火山巖渣床的化學(xué)分析表2Al-Fe氧化物混合物(紅泥)的化學(xué)分析表3土壤或地面增強(qiáng)材料的主要成分表4生石灰的化學(xué)組成表5熟石灰的化學(xué)組成表6風(fēng)化花崗巖土的物理性能表7風(fēng)化花崗巖土的化學(xué)組成表8;用風(fēng)化花崗巖土進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的CBR試驗(yàn)結(jié)果表9用風(fēng)化花崗巖土進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表10Sirsu土的比重和粒經(jīng)組成表11Sirsu土的化學(xué)組成表12用Sirsu土來進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的CBR試驗(yàn)結(jié)果表13使用Sirsu土來進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表14硅石粉的化學(xué)組成和粒徑分布表15用硅石砂土來進(jìn)行土壤或地面增強(qiáng)處理的CBR試驗(yàn)結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種土壤或地面增強(qiáng)處理方法，其特征在于，將主要成分是添加有石灰的氧化鋁和氧化鐵的Al-Fe氧化物混合物的土壤或地面增強(qiáng)材料混合進(jìn)碎石、天然土等的土壤中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的土壤或地面增強(qiáng)處理方法，其中土壤或地面增強(qiáng)材料是Al-Fe-Ti氧化物混合物，其主要成分是氧化鋁和氧化鐵并包含氧化鈦和添加的石灰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的土壤或地面增強(qiáng)處理方法，其中，在土壤或地面增強(qiáng)材料中Al-Fe氧化物混合物所占的比率是，氧化鋁在5-15%(重量)范圍和氧化鐵在15-35%(重量)范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的土壤或地面增強(qiáng)處理方法，其中，在土壤或地面增強(qiáng)材料中的氧化鈦含量在0.5-2.0%(重量)范圍內(nèi)。
全文摘要
將一種Al-Fe氧化物混合物的土壤或地面增強(qiáng)材料和添有石灰的混合物加進(jìn)碎石、天然土等土壤中，該增強(qiáng)材料的主要成分是由鋼生產(chǎn)中的副產(chǎn)品氧化鐵細(xì)粉構(gòu)成的氧化鐵和熔煉鋁中的副產(chǎn)品紅泥構(gòu)成的氧化鋁，并將氧化鈦混進(jìn)上述土壤或地面增強(qiáng)材料，以生產(chǎn)添有石灰的Al-Fe-Ti氧化物混合物，將這種材料混進(jìn)含有碎石、天然土等的土壤或地面中，從而提高它們的強(qiáng)度和粘彈性。土壤或地面增強(qiáng)材料中的氧化鈦含量在0.5—2.0％(重量)范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)E01C7/36GK1088650SQ9310564
公開日1994年6月29日 申請(qǐng)日期1993年5月10日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月15日
發(fā)明者井月夫, 井彬, 井清, 溝口孝芳 申請(qǐng)人:株式會(huì)社愛福易石灰工業(yè)所