基于计算材料学原理的路堤填料无机固化剂设计理论研究

土是一种矿物材料，依托具体工程项目研究地质成因，分析其工程性能指标不能满足路堤填料设计要求的主要因素。测定填料的矿物化学成分，应用无机化学反应检索数据库，寻找常温、常压条件下与原填料中矿物化学成分能够发生自发化学反应的无机物，在此基础上，依据Gibbs自由能最小原理，选择添加哪些无机物质成分，能使原填料体系的Gibbs自由能大幅度降低，提高填料的性能稳定性。结合具体工程环境、经济和施工等条件，通过优化分析，从理论上确定无机固化剂的化学成分和配比。采用现代测试分析、显微数字图像处理技术，研究水土相互作用下，改性前后填料微观构特征和变化规律，建立微观结构评价指标与宏观试验指标的关系，分析改性填料的物性和水稳性。多学科交叉，建立基于计算材料学理论的路堤填料无机固化剂成分设计理论体系，改变目前路用固化剂选用依据大量宏观试验的现状，变粗放式的填料改性为精细式，做到"对症下药"，服务于具体工程项目。

当土作为路基填料，人们已将其作为一种材料在利用，材料的组织与结构、成分和加工制备三者共同支撑材料的性能。而公路路堤的使用性能要求是明确的，施工工艺是成熟的，因此，科学、合理地改变土的组成与结构是改变土工程性能的重要方法。在公路建设中，存在大量不能满足路堤填料设计要求的弃方，基于计算材料学等相关学科的基本原理，科学提出填料的改性设计方案，是本项目的研究目标。.采用地质成因分析方法、XRD(X射线衍射分析)分析苏北废黄河冲积粉土和广东湛江花岗岩残积土，认为粉土的级配不良和花岗岩残积土中富含黏土矿物、级配不良是影响其工程性质的主要因素。.应用无机化学反应检索数据库，寻找常温、常压条件下与原填料中矿物化学成分能够发生自发化学反应的无机物。.在富含粘土矿物的湛江黏土中分别加入十种不同配方，都能够与原土发生自发反应；依据Gibbs自由能最小原理、元素（离子）渗出率试验、接触角试验等综合判断，CaF2+Ca3(PO4)2+CaO的组分处理效果较好。.苏北废黄河冲积粉土分别加入11种不同配方，都能够与原土发生自发反应；依据Gibbs自由能最小原理、溶液的ICP试验、溶液PH值分析、XRD试验对改性前后的土进行矿物成分分析、比表面积分析、孔径分析以及宏观的颗分曲线分析，以及CBR试验，认为碱性条件下云母、钾长石发生溶蚀，导致K、Ca离子释放；粘土矿物中Ca与K、Na发生离子交换；硅酸钙的沉淀析出；硅酸钠发生水化反应、原硅酸缩合；原硅酸与偏铝酸盐缩合呈网络结构。Ca、Al等离子与有活性的SiO2、硅酸盐发生化学反应。Si-O之间、Si-O与Al-O之间缩合形成的大分子矿物呈现空间结构并具有胶结作用，优化了土的性能。综合判断，NaOH+Na2SiO3+Ca(OH)2的组分处理效果较好。.基于富勒曲线，编制了可为工程实践直接采用的掺砂改性设计计算程序。.采用微焦点计算机断层扫描系统（简称微焦点X-CT）获取土体的微观结构二维和三维图像，可较方便的进行土体微结构参数的测定。.应用PFC2D软件以介质内部结构（颗粒）为基本单元，模拟土体中颗粒团聚结合状态以及受力后的变化趋势等，研究土体的力学特性。.建立基于计算材料学理论的路堤填料无机固化剂成分设计理论体系，改变目前路用固化剂选用依据大量宏观试验的现状，变粗放式的填料改性为精细式，可做到“对症下药”，服务于具体工程项目。