本文是一篇土木工程论文，笔者根据土凝岩固化黄土路用性能初步试验研究结果，得出以下结论：(1) 本文研究所用的土凝岩属于硅钙系胶凝材料，该胶凝材料物理力学性能满足现行规范要求。(2) 水胶比为 0.4 时，土凝岩净浆试件 3 天抗压、抗折强度小于水泥，28 天抗折抗压强度小于水泥。各掺量下土凝岩固化土的 7d 无侧限抗压强度大于水泥固化土和水泥、粉煤灰等稳定材料复合固化土。(3) 土凝岩固化土的水稳定性小于水稳碎石；土凝岩固化土的抗冻性大于水泥固化土，土凝岩固化土的抗冻性小于水泥稳定碎石；土凝岩固化土的冲刷后质量完整度与水泥固化土的冲刷后质量完整度十分接近，土凝岩固化土的抗冲刷性小于水泥稳定碎石；(4) 相同掺量下土凝岩固化土前期保水性优于水泥稳定土，土凝岩固化土干缩性能优于水泥固化土。
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
在天然砂砾、碎石日益短缺的情况下，道路工程将面临长距离运输成本增加和砂砾开采破坏环境等问题，寻找强度高、干缩和温缩小、耐久性好的新型路面结构层材料已经是道路工程领域中的重要课题，其中，固体废物再利用是重要的一个方向。钢渣、粉煤灰、赤泥、煤矸石等工业固废无害化、资源化综合利用的途径、进展已有大量报道[1-7]，钢渣是冶金工业中产生的废渣，钢渣中含有硅酸三钙、硅酸二钙及铁铝酸盐等活性矿物，可用作生产无熟料水泥、少熟料水泥的原料以及水泥掺合料[1]，但渣粉中的游离氧化钙和游离氧化镁造成钢渣体积安定性性不良，在富 CO2环境下，会在短时间内迅速硬化[2]。粉煤灰是由燃料(主要是煤)燃烧过程中排出的微小灰粒。我国粉煤灰年排放量在 1.6 亿吨以上，但综合利用率不高，存积的粉煤灰超过 10 亿吨，粉煤灰具有火山灰性质，通过化学激发其活性才会显著的表现[3]。赤泥亦称红泥，是从铝土矿中提炼氧化铝产生的工业固体废物，由于赤泥结合的化学碱难以脱除且含量大，又含有氟、铝及其他多种杂质等原因，无害化利用赤泥一直是难题[4]，其资源化综合利用因成本较高仍处于理论阶段[5]。煤矸石是夹在煤层中的岩石，是采煤和洗煤过程排出的废弃物，是我国排放量最大的工业废渣之一[6]，煤矸石的综合处理能力超过 4 亿吨/年，然而相对于其巨大的排出量，现有利用途径远远不够[7]。赤泥基土壤固化剂（土凝岩）是利用钢渣、粉煤灰、赤泥、煤矸石等工业固废研发出的一种新型利废材料[8-20]，该固化剂以及该类固化剂在工程应用中，与其他固废再利用材料面临着相似的问题，即存在各项路用性能指标及施工质量控制指标还未形成国家或行业质量控制标准、材料本身组分不稳定、生产控制和工程使用条件敏感、苛刻、现场试验段缺乏系统的检测数据和观测资料、土质变化随时需要调整配方、施工连续性和配合比稳定性有较大影响、存储方式和存储环境及保质期等缺乏相关研究和相应说明、缺少包括大气稳定性在内的长期耐久性数据等问题。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 赤泥基类固化剂国内外研究现状
赤泥基类固化剂作为一种固体废弃物再利用材料，与地质聚合物及碱激发胶凝材料相似，可归类于碱激发胶凝材料[21-23]。碱激发胶凝材料是指具有潜在活性的原料(矿渣、粉煤灰、高岭石等)在碱性激发剂作用下具有水硬活性的一类胶凝材料[24]，其制备过程耗能低、排放低，且具有与硅酸盐水泥相似的性能[25]。碱激发胶凝材料的应用可追溯到我国古代，即将高岭土、白云岩、草木灰以及硅石的混合物与水和强碱(NaOH、KOH等)拌和反应生成矿物聚合黏结剂[26]。1940 年，比利时的 Purdon 首次以矿渣为原料，以氢氧化钠或碱金属盐为激发剂制备了无熟料水泥[27]，拉开了研究碱激发胶凝材料的帷幕。研究表明，碱激发胶凝材料具有快速硬化、强度高[28]、耐高温[29]、耐酸腐蚀性[30-31]等优异性能，近十几年来，碱激发胶凝材料一直是国内外研究的热点。我国清华大学、中国建筑材料科学研究总院、哈尔滨工业大学、湖南大学、东南大学、西安建筑科技大学、武汉理工大学等科研团队对碱激发胶凝材料展开了较为深入的研究[24]。在介绍赤泥基类固化剂“固化机理”之前，先介绍国内研究人员对“凝石”[21-23]的认识与看法，清华大学孙恒虎教授发明了一种仿地成岩的新型建筑胶凝材料—“凝石”，是国家高新技术研究发展计划（863 计划）的一项研究成果。凝石产品研发者解释为在常温常压条件下仿火山喷发大地成岩过程配以少量成岩剂凝聚而成的新型材料。研究人员发现了这样一个自然现象，火山喷发出的大量火山灰几万年都保持稳定的性状，但如果在淡水中数千年间就开始发生变化，而在盐湖里几百年就可能形成岩石[23]。凝石技术是以自然界的这一现象为出发点，在钢渣、粉煤灰、煤矸石等类似火山灰的废弃物中添加成岩物质（含化学碱），使之在数小时乃至几十分钟内就凝聚成高强度的岩石[21-23]。上述解释显然把仿成岩理论简单化了，在盐湖中也要几百年才可能形成岩石，而凝石技术在数小时内就凝聚成高强度的岩石，“仿成岩”而且形成“理论”不能这样简单地推断，应当进行岩石化学的研究，例如固结指数、钙碱指数、镁铁指数、结晶指数等[23,32]。在地质学理论中，成岩作用包括沉积物的压实作用、胶结作用、结晶作用等[33]，当成岩物质被覆盖后，在厌氧细菌的作用下，有机质腐烂分解，产生 H2S、CH4、NH3、CO2等气体，碳酸基矿物溶解为重碳酸盐，高价氧化物还原为低价硫化物，酸性氧化介质变为碱性还原介质，此时沉积物发生重新分配、组合，胶体矿物脱水陈化、压缩胶结，最终固结为岩石[34]，“地质聚合物” [35-36]（geopolymer）、“凝石”等硅铝体系胶凝材料的化学碱激发原理来源于此。凝石商业生产企业通化蓝资科技有限公司生产的产品有凝石Ａ和凝石Ｃ，凝石Ａ的主要成分为矿渣 65%，水泥熟料 30%和成岩剂 5%，凝石Ｃ只用工业废弃物和成岩剂制备[32]，显然，凝石 A 是少熟料水泥加了 5%成岩剂，凝石 C 是无熟料水泥[32,37]，凡是具有胶凝性的不含水泥熟料的物质而又通过碱激发的材料统称为无熟料水泥[38-39]，在硅酸盐词典中，赤泥基类固化剂脱离不了无熟料水泥的范畴。
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第二章 试验材料与试验方案
2.1 试验材料基本物理力学性能
本文试验材料有试验用土、土凝岩，以及混合料性能对比试验用的水泥、粉煤灰、石粉等。
2.1.1 土
试验用土取自甘肃省二车公路芦家湾连接线改移道路土凝岩底基层试验段，试验段起止桩号为 K0+000~K0+192.5，试验段长 192.5m。对试验土料进行了基本物理性能指标试验，包括液塑限试验、击实试验等。
（1）液塑限试验
土体的液限和塑限是用于划分土类、计算天然稠度和塑性指数，是公路工程设计和施工使用的重要指标之一。本文采用液塑限联合测定仪测定土样的液限与塑限，试验仪器见下图 2-1，根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）要求，本试验进行两次平行测定，取其算术平均值，试验结束后，依据式（2-1）计算土的塑性指数，土样单次液塑限试验结果见表 2-1。
图 2-1 液塑限联合测定仪
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2.2 试验方案
通过参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009），开展水泥稳定土、土凝岩固化土这两种混合料的路用性能指标试验，围绕强度特性、力学特性、耐久性对试验结果进行系统的对比分析，对照《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）、《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）中的路用性能指标参考值，论证土凝岩固化土用于公路工程的技术可行性。
2.2.1 赤泥基土凝岩固化土无侧限抗压强度试验方案
（1）击实试验
经初步对甘肃长丰科技发展有限公司提供的技术资料分析，土凝岩掺量在 10%以下时，部分路用性能指标不完全符合现行路面基层规范中对高等级公路的要求。拟设 4%、6%、8%、10%、12%、14%六个掺量(外掺法)分别进行最大干密度最佳含水率对比试验，确定不同掺量下土凝岩固化土、水泥粉煤灰等复合固化土的最大干密度与最佳含水率，对比试验结合料掺量见表 2-5。
表 2-5 对比试验无机结合料掺量表
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第五章 土凝岩固化土底基层现场验证分析
5.1 试验段工程概况
甘肃省二车公路芦家湾连接线改移道路土凝岩底基层试验段于 2020 年 6 月 30 日施工，试验段起点桩号为 K0+000，与芦家湾连接线 K2+350 处相交，试验段终点桩号为K0+192.5，试验段长 192.5m，甘肃省二车公路芦家湾连接线改移道路属于三级公路，采用路拌法施工，设计灰剂量 10%（外掺），松铺厚度 0.25m，混合料室内击实试验最大干密度为 1.910g/cm3，最佳含水率为 13.5%，现场压实度检测结果为 96%，目前还在跟踪观测阶段。施工过程见图 5-1。
图 5-1 施工过程
本路段道路呈东西走向，芦家湾乡连接线起点与主线 K52+350 处相接，终点至芦家湾乡政府所在地，长 192.50 m。本路段位于陇东黄土高原区，该区是我国黄土高原地貌特征表现最为典型的地区之一，也是全国黄土平均厚度最大的地区之一。该地区的黄土具有湿陷性，侵蚀残塬分布较广。在流水的侵蚀作
