無機處治風積沙強度特性及工程應用研究

冉 武 平， 趙 杰， 黃 文 薏， 于 江 波

( 新疆大學 建筑工程學院， 新疆 烏魯木齊 830047 )

0 引 言

風積沙作為荒漠地區的一種特殊道路建筑材料，在西部地區特別是在新疆地區廣泛分布．但由于其級配不良，顆粒無黏性，一方面松散不易壓實，穩定性差，另一方面工程力學性質較差，主要表現在回彈模量較低、穩定性較差[1]，故而限制了風積沙的應用，尤其是在路面結構層中的應用．因此如何改善風積沙的工程特性和力學特性，從而將其廣泛應用于道路工程建設是荒漠地區公路建設所面臨的共同難題．

目前關于無機處治穩定料的相關研究已開展了很多．Attoh-Okine[2]對石灰改良紅土的效果開展了試驗研究；Bell[3]對石灰處治有機質軟土的力學特性和硬化特征開展了研究．Al-Abdul Wahhab等[4]開展了干旱區高速公路建設過程中對不良填料水泥石灰處治關鍵技術的研究；Miller 等[5-6]對土料用水泥窯粉塵改良后的性能進行了研究，指出塑性指數越大其無側限抗壓強度增大的幅度越小；Al-Rawas等[7]研究了石灰、水泥和人造火山灰處治膨脹土的效果，提出石灰處治效果最優，且石灰含量達到6%時，膨脹土的膨脹量和膨脹壓力均減小到零．在國內，沙慶林[8]早在20世紀70年代就在我國多地開展了一系列石灰土、二灰土改良效果的試驗研究．自此國內很多學者針對無機膠結料處治風積沙等不良土質借助數值模擬和試驗開展了強度形成機理、強度特性以及路用性能等研究[9-12]．

綜上所述，在公路建設項目中風積沙作為路基材料甚至是鹽漬土地區鹽漬化處治的應用已有了研究，但如何通過處治后，根據其不同的力學特性將其應用于路面結構中還亟須進行深入研究．為此，本文借助室內試驗，針對風積沙開展石灰處治、水泥石灰處治和石灰粉煤灰(二灰)處治的試驗研究，明確其力學特性，為其在道路結構工程全面應用提供理論基礎．

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料的選擇

試驗采用的石灰為鈣質生石灰，用滴定試驗測得有效氧化鈣、氧化鎂含量為56.73%；水泥選取普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5R；粉煤灰為二級干灰，燒失量小于20%， SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量大于總量的70%，粉煤灰的比表面積大于2 500 cm2/g，滿足規范要求．

風積沙取自托克遜縣境內的天然沉積風積沙，相對密度為1.62，其級配組成如圖1所示．通過計算可知，風積沙的最大粒徑小于5 mm，94.65%的粒徑小于0.5 mm，僅有6.08%的粒徑小于0.074 mm；從曲線中可以看到該風積沙的粒徑主要集中在0.074～0.500 mm，經計算風積沙的不均勻系數為3.57，不均勻系數小于5屬于級配不良的勻粒土．

圖1 風積沙級配曲線Fig.1 The aeolian sand grading curve

1.2 試驗段道路結構及路基材料

本研究擬對風積沙采用石灰處治、水泥石灰處治和二灰處治3種處治方案．根據文獻調研可知：石灰穩定細粒土的石灰用量一般控制在15%以內[13]，考慮到風積沙黏粒含量少，為充分發揮石灰的膠凝作用和獲取較高的干密度，故選擇如表1所示的石灰用量；而對于水泥石灰處治風積沙，水泥固化反應后具有較大的干縮性[14]，為防止開裂水泥用量一般控制在4%～6%[15]，本研究則將水泥最大劑量控制在5%以下，水泥石灰配比控制在1∶1.5，故選擇如表2所示的水泥石灰

表1 石灰處治風積沙方案Tab.1 The plan of lime treated aeolian sand

表2 水泥石灰處治風積沙方案Tab.2 The plan of cement lime treated aeolian sand

混合劑量；細粒土的二灰最佳摻量一般為30%～40%，其中石灰和粉煤灰的配比為1∶2左右時，處治土的性能較好[16-17]，鑒于此，本研究選擇如表3所示的配比方案，展開無機膠結料處治風積沙的回彈模量和無側限抗壓強度試驗研究．

表3 二灰處治風積沙方案Tab.3 The plan of two ash treated aeolian sand

2 試驗結果分析

2.1 無機處治風積沙最大干密度

最大干密度ρdmax和最佳含水量C是施工質量評定的重要指標參數，通過擊實試驗得出不同無機處治風積沙的最大干密度和最佳含水量如圖2所示．

由圖2(a)可知，石灰處治風積沙隨石灰用量w增加，最佳含水量不斷增加．而在石灰用量小于10%時，隨著石灰用量增加最大干密度不斷增加；當石灰用量超過10%時，隨著石灰用量增加最大干密度不斷減小，在石灰用量達到10%左右時干密度最大，且可達1.9 g/cm3．這主要是由于石灰含量較少時，石灰的添加大大改善了風積沙的液塑限，從而提高了處治料的黏聚性，減小了孔隙率，干密度總體增加；隨著石灰用量的繼續增加，由于石灰自身的密度小，較疏松，處治料的需水量大大增加，導致干密度反而減小．

由圖2(b)可知，水泥石灰處治風積沙隨膠結料含量增加，最佳含水量不斷增加，最大干密度也總體在增大．但在水泥石灰含量較低時，隨著膠結料含量增加，最大干密度增幅較大，而當用量超過10%時，最大干密度增幅減小．這主要是因為在膠結料中將40%的石灰用水泥替代，不僅改善了混合料的顆粒級配，同時由于水泥較強的膠結作用，在一定的擊實功下，顆粒之間更容易達到密實狀態．但隨著膠結料總用量不斷增加，其中的石灰用量也不斷增加，故而石灰對處治料的密度影響不斷加劇，使干密度的增長速度逐漸減緩．

由圖2(c)可知，當二灰含量超過28%時，隨二灰含量的增加，最佳含水量不斷增加，最大干密度不斷減小，且含量越高干密度減小速度越快．這是因為粉煤灰微觀結構系空心球體，粉煤灰和石灰細度大、自身密度小，且處治料需水量增大，故而隨著二灰用量的增加，處治料的最佳含水量增加，最大干密度則呈顯著的減小趨勢．

(a) 石灰處治風積沙

(b) 水泥石灰處治風積沙

(c) 二灰處治風積沙

圖2 無機膠結料處治風積沙的最大干密度和最佳含水量

Fig.2 Maximum dry density and optimum moisture content of inorganic binder treated aeolian sand

2.2 無機處治風積沙回彈模量

回彈模量作為道路結構設計的重要參數，直接影響道路結構組合和厚度的選擇．因而開展無機處治風積沙回彈模量的研究，可明確不同膠結料處治的風積沙結構力學性能及其適用性．本研究利用強度儀法研究了7 d齡期的石灰處治、水泥石灰處治、二灰處治風積沙回彈模量，具體研究結果見圖3．

由圖3(a)可知，石灰處治風積沙7 d回彈模量，在4%的石灰用量時為15.1 MPa，隨著石灰用量增加至6%、8%、10%和12%時，較4%石灰用量，其回彈模量分別增加了13.2%、31.1%、42.4%和47.0%．也即隨著石灰用量的增加石灰處治風積沙的回彈模量總體在不斷增大，只是當石灰用量較低時，增幅較大，而當石灰用量較高時增幅較小．這是由于處治料中石灰的鈣離子與風積沙中的硅鋁物質發生離子交換，絮團凝聚作用使得風積沙的散粒狀結構發生了變化，從而達到穩定風積沙的效果[9]，提高了其回彈模量．但是隨著石灰用量的不斷增加，風積沙中的硅鋁物質含量卻不變，影響到了膠凝反應的效率．因而出現了隨石灰用量增加，回彈模量增長速度先快后緩的現象．

(a) 石灰處治風積沙

(b) 水泥石灰處治風積沙

(c) 二灰處治風積沙

圖3 無機膠結料處治風積沙7 d回彈模量

Fig.3 7 d resilient modulus of inorganic binder treated aeolian sand

由圖3(b)可知，水泥石灰處治風積沙7 d回彈模量，在6%的水泥石灰用量時為59.8 MPa；隨著水泥石灰用量增加至8%、10%和12%，其回彈模量分別增加了19.6%、41.1%和60.0%，近似呈線性增大．對比石灰處治風積沙的回彈模量變化規律可知，水泥石灰處治風積沙的回彈模量要明顯優于石灰處治風積沙．這是因水泥石灰處治后，水泥能在風積沙中形成堅固的核心，在孔隙中形成水泥骨架，以約束風積沙．同時水泥中富含硅鋁化合物，可以很好地和石灰中多余的鈣離子進行化學反應，從而大大提高處治風積沙的力學性能．

由圖3(c)可知，二灰處治風積沙7 d的回彈模量在粉煤灰用量為20%不變的情況下，隨石灰用量的增加而增加．從8%時的88.7 MPa，分別增加了10.4%、26.8%和47.8%，石灰用量對強度的影響顯著．與其他兩種處治風積沙的回彈模量特性對比，二灰處治風積沙的效果最佳．這是因粉煤灰的加入提供了較多的活性硅鋁礦物，從而在石灰的堿性激發與相互作用下生成含水硅鋁酸鈣．這些新生物膠凝結晶后，具有較強的膠結能力和穩定性[11]．因此就7 d回彈模量而言，其處置效果要遠遠優于石灰處治風積沙，且較水泥石灰處治風積沙效果也好．

2.3 無機處治風積沙無側限抗壓強度

無側限抗壓強度是反映無機處治穩定料自身抗壓能力的重要力學特性指標，它能準確反映改性風積沙抵抗軸向壓力的力學特性．試驗結果如圖4所示．

由圖4(a)可知，石灰處治風積沙的石灰用量分別為4%、6%、8%、10%和12%時，其7 d無側限抗壓強度分別為3.42、3.68、3.95、3.87和3.68 MPa．從變化規律可以看出石灰處治風積沙的7 d無側限抗壓強度隨著石灰用量的增加，先增大后減小，在石灰用量為8%左右，7 d無側限抗壓強度達到最大值3.95 MPa，能達到最佳的處治效果．石灰處治風積沙會產生兩種相反的作用：一種作用是使土顆粒聯結起來，包括離子交換、結晶作用、火山灰反應和碳酸化反應促使膠結料的強度增強；另一種作用是未參與反應的生石灰削弱風積沙之間的聯結作用．石灰的用量為4%時由于石灰用量較少主要起聯結作用，隨著石灰用量的增加殘余的生石灰就會越來越多，當石灰用量超過8%時削弱作用就會成為主要影響因素，故無機膠結料的無側限抗壓強度會降低．石灰處治風積沙的無側限抗壓強度存在最佳的石灰用量．

由圖4(b)可知，水泥石灰處治風積沙的7 d無側限抗壓強度隨著水泥石灰總用量的增加而增大且幾乎呈線性變化．在膠結料含量為6%、8%、10%和12%時，其7 d無側限抗壓強度分別為4.0、4.3、4.8和5.1 MPa．與石灰處治風積沙的無側限抗壓強度相比，在膠結料相同的情況下，水泥用量越大，無側限抗壓強度越大．這主要是由于水泥發生了離子交換和團粒化反應，使得風積沙團聚成為顆粒較大的風積沙，提高了風積沙的整體強度；水泥發生的硬凝反應使風積沙的孔隙率減小，變得更加密實，未參與反應的水泥因自身硬凝使風積沙中產生水泥骨架有利于強度的提高．水泥與石灰的離子交換作用、碳酸化作用和火山灰反應等共同提高了無機膠結料的無側限抗壓強度．水泥對于風積沙的穩定效果從強度形成機理上比石灰處治風積沙效果更好，且其無側限抗壓強度要明顯優于石灰處治風積沙，因此用水泥石灰處治風積沙的綜合效果要更好．

(a) 石灰處治風積沙

(b) 水泥石灰處治風積沙

(c) 二灰處治風積沙

圖4 無機膠結料處治風積沙7 d無側限抗壓強度

Fig.4 7 d unconfined compressive strength of inorganic binder treated aeolian sand

由圖4(c)可知，二灰處治風積沙在粉煤灰用量為20%不變的情況下，隨著石灰用量的增加其7 d無側限抗壓強度也逐漸增加，當石灰的用量超過12%時強度增長緩慢．二灰處治風積沙在膠結料含量28%時，其7 d無側限抗壓強度為2.6 MPa，當膠結料含量增加至30%、32%和34%時， 強度增加7.7%、19.2%和23.1%．7 d無側限抗壓強度主要是風積沙自身的嵌擠作用與石灰和粉煤灰填充后發生的火山灰反應及結晶作用產生膠凝物提供．在石灰用量為8%時，由于石灰的用量較少，石灰與粉煤灰發生的火山灰反應消耗的粉煤灰有限，殘余的粉煤灰由于早期強度低，還會影響風積沙之間的聯結作用；隨著石灰用量的增加，石灰與粉煤灰之間的火山灰作用更加充分，強度會增高；但石灰用量繼續增加，則會有部分石灰殘余，這將影響二灰與風積沙之間的聯結作用．故二灰處治風積沙的無側限抗壓強度在膠結料較少時較低，隨著石灰用量的增加，逐漸提高，且石灰用量達到一定值之后增速變緩；繼續增加石灰用量二灰處治風積沙的強度會降低．由此可知，粉煤灰用量為20%、石灰用量為12%時用料最為經濟合理．

3 結 論

(1)石灰、水泥石灰、二灰處治后的風積沙回彈模量都顯著提高，且隨著膠結料的增加，回彈模量均呈增長趨勢．其中二灰處治風積沙回彈模量最大，超過100 MPa，水泥石灰處治風積沙回彈模量接近100 MPa，石灰處治風積沙回彈模量最小，僅為20～30 MPa．

(2)石灰、水泥石灰、二灰處治后的風積沙的無側限抗壓強度都顯著提高，且隨著膠結料的增加，水泥石灰處治和二灰處治風積沙無側限抗壓強度呈現出增長趨勢，其強度值分別為4～5 MPa和2～3 MPa，而石灰處治風積沙無側限抗壓強度則先增大后減小，其強度值為3～4 MPa，最高強度值對應石灰用量為8%左右．因此就無側限抗壓強度性能指標而言，水泥石灰處治效果最佳，石灰處治效果其次，而二灰處治效果最差．

(3)石灰處治風積沙的無側限抗壓強度變化規律呈拋物線型，石灰的最佳用量為8%．水泥石灰處治風積沙的無側限抗壓強度隨水泥石灰的用量呈線性增加，水泥石灰處治風積沙的強度高于石灰處治風積沙．二灰處治風積沙的無側限抗壓強度在粉煤灰用量確定時與石灰用量密切相關，初始隨石灰用量的增加，無側限抗壓強度線性增長，隨石灰用量的繼續增加，增長緩慢，石灰用量為12%時能達到最佳的效果．

(4)從上述無機處治風積沙強度特性來看，水泥石灰處治風積沙總體效果最好，因此建議可將其作為高等級公路的底基層和低等級公路的基層；而二灰處治風積沙由于其回彈模量較高而無側限抗壓強度相對較低，可作為風積沙地區路基的最優處治方法和技術應用；石灰處治風積沙亦可作為低等級公路的底基層和風積沙地區路基．

[1] 牟獻友,谷 攀. 國內風積沙工程特性研究綜述[J]. 內蒙古農業大學學報(自然科學版), 2010,31(1):307-310.

MOU Xianyou, GU Pan. Review on engineering characteristics of wind-blown sand [J].JournalofInnerMongoliaAgriculturalUniversity(NaturalScienceEdition), 2010,31(1):307-310. (in Chinese)

[2]ATTOH-OKINE N O. Lime treatment of laterite soils and gravels-revisited [J].ConstructionandBuildingMaterials, 1995,9(5):283-287.

[3]BELL F G. Lime stabilization of clay minerals and soils [J].EngineeringGeology, 1996,42(4):223-237.

坊間流傳著多個版本的《水滸傳》，主流上有百二十回本、百回本、七十回本，因人喜好，互有優劣。《鮑鵬山新批〈水滸傳〉》根植于金圣嘆七十回本，于一百零八將排定座次，盧俊義大夢驚醒處結尾，不蔓不枝。在很大程度上來說，七十回本的出現將《水滸傳》的藝術層次拔高到另一個水平。而事實也表明，水滸故事并不是為了完整而完整地存在，七十回本有其獨特的審美取向。

[4]AL-ABDUL WAHHAB H I, ASI I M. Improvement of marl and dune sand for highway construction in arid areas [J].BuildingandEnvironment, 1997,32(3):271-279.

[5]MILLER G A, AZAD S. Influence of soil type on stabilization with cement kiln dust [J].ConstructionandBuildingMaterials, 2000,14(2):89-97.

[6]MILLER G A, ZAMAN M. Field and laboratory evaluation of cement kiln dust as a soil stabilizer [J].TransportationResearchRecord, 2000(1714):25-32.

[7]AL-RAWAS A A, HAGO A W, AL-SARMI H. Effect of lime, cement and Sarooj (artificial pozzolan) on the swelling potential of an expansive soil from Oman [J].BuildingandEnvironment, 2005,40:681-687.

[8]沙慶林. 高等級道路半剛性路面[M]. 北京:中國建筑工業出版社, 1993.

SHA Qinglin.SemiRigidPavementofHighGradeRoad[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 1993. (in Chinese)

[9]商慶森,劉樹堂. 影響石灰與二灰穩定細粒土強度因素的分析[J]. 公路交通科技, 2000,17(6):26-29.

SHANG Qingsen, LIU Shutang. Analysis about the factors influence the strength of fine grained soil stabilitied by lime and lime-ash [J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2000,17(6):26-29. (in Chinese)

[10]李德超. 石灰粉煤灰穩定沙漠沙路用性能研究[J]. 中南公路工程, 2005,30(3):92-96.

[11]張登良. 石灰穩定土原理及應用[J]. 西安公路學院學報, 1987(4):1-12.

ZHANG Dengliang. Principles and application of lime soil [J].JournalofXi′anInstituteofHighway, 1987(4):1-12. (in Chinese)

[12]宋學慶. 石灰粉煤灰黃土工程性質試驗研究 [J]. 中外公路, 2017,37(5):228-232.

SONG Xueqing. Experimental study on properties of lime-fly ash loess engineering [J].JournalofChinaandForeignHighway, 2017,37(5):228-232. (in Chinese)

[13]孟慶營. 無機結合料穩定風積沙路用性能研究[D]. 西安:長安大學, 2003.

MENG Qingying. Road performance of inorganic binder stabilized aeolian sand [D]. Xi′an: Chang′an University, 2003. (in Chinese)

[14]余 帆,黃煜鑌,孫大權. 石灰土和水泥土的減水劑改性效果[J]. 建筑材料學報, 2017,20(2):283-287, 309.

YU Fan, HUANG Yubin, SUN Daquan. Modification effect of lime soil and cement soil by water-reducing agent [J].JournalofBuildingMaterials, 2017,20(2):283-287,309. (in Chinese)

[15]袁二鍵. 水泥石灰穩定處治粉砂土路基的應用技術研究[D]. 鄭州:河南工業大學, 2011.

YUAN Erjian. Study on the application of the silt subgrade treatment by cement lime [D]. Zhengzhou: Henan University of Technology, 2011. (in Chinese)

[16]張向東,曹啟坤,潘 宇. 二灰改良土動力特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2010,31(8):2560-2564.

ZHANG Xiangdong, CAO Qikun, PAN Yu. Experiment research of lime-fly ash soil′s dynamics characteristics [J].RockandSoilMechanics, 2010,31(8):2560-2564. (in Chinese)

[17]潘 宇. 二灰改良風積土動力特性試驗[D]. 阜新:遼寧工程技術大學, 2011.

PAN Yu. Experiment research of lime-fly ash soil′s dynamics characteristics [D]. Fuxin: Liaoning Technical University, 2011. (in Chinese)