基于模擬試驗的固化風積沙路用性能研究

張大斌，田俊壯，黃澤國

(1.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

我國沙漠中的風沙土多為細沙或特細沙，工程性質差，而路用粗砂緊缺，外運其它材料，運距至少幾十到數百公里以上，運費高。采用固化劑固化風積沙作筑路材料是一種很好的選擇，不但可以降低工程造價，還能滿足強度要求。采用合適的固化劑固化風積沙的強度較高，水穩定性好，抗干縮性能好，經固化后能夠形成板體，可以作為半剛性路面基層或底基層材料使用，因此越來越受到人們的青睞。

雖然國內外對固化劑固化風積沙進行了大量的實驗研究，并取得了很大的成果。但更多研究是針對固化劑對土壤和軟土的加固[1-4]，對于風積沙的固化研究主要是為了防沙、固沙和預防沙害等[5-6]。在一些沙漠地區雖然進行了固化風積沙作為筑路材料的試驗段嘗試[7-12]，但是整體上把固化風積沙作為筑路材料的系統研究較少。

本文通過試驗室研究，設計四種不同配比混合料，并對其進行了力學性能(抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量)、抗凍性能、抗干縮性能以及抗溫縮性能等試驗，系統全面地研究了固化風積沙混合料的路用性能和耐久性，希望能為將來沙漠地區固化風積沙作為路基材料使用提供一些有價值的參考。

1 原材料及級配

1.1 原材料

試驗用沙取自內蒙古自治區鄂爾多斯毛烏素沙地，其技術指標如表1所示；固化劑為液體KL-ST76固化劑，其是一種新型環保筑路材料，是由表面活性劑、激發劑和催化劑等活性物質、電解質組成的復合溶液，可以平衡沙土顆粒表面的電荷，減薄雙電層的厚度，使混合料產生化學和物理化學反應，生成穩定的結晶，從而提高路面結構層的水穩定性和強度；水泥采用的是425#普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標如表2所示；石膏來自陜西省侯馬市石膏廠，其礦物組成和化學成分如表3和表4所示。

表1 毛烏素沙地風積沙顆粒組成表

表2 水泥主要技術指標表

表3 石膏礦物組成表

表4 石膏的化學成分表(%)

1.2 配合比設計

本文設計了四種配合比混合料，如表5所示。為了方便起見，水泥沙混合料簡稱為混合料1，水泥石灰沙混合料簡稱為混合料2，水泥石灰石膏沙混合料簡稱為混合料3，KL-ST76固化劑穩定沙混合料簡稱為混合料4。

表5 四種混合料的配合比對比表

2 固化風積沙擊實試驗

根據《風積沙固化及固化路基耐久性試驗研究》對四種配比混合料做了擊實試驗研究，確定了四種配比混合料的最佳含水率和最大干密度。采用重型擊實的方法，分5層擊實，每層擊實27次，擊實功為2 687.0 kJ/m3，試樣筒容積為947.4 cm3。四種配比混合料的最佳含水率和最大干密度如表6所示。

表6 四種配比混合料的最佳含水率和最大干密度對比表

3 力學性能

固化風積沙混合料必須具有一定的力學性能，才能保證在車輛荷載的反復作用下，不產生變形和破壞。本文主要從無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量等方面對固化劑穩定風積沙混合料的力學性能進行研究[13]。

3.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度是指試件在(20±2)℃下養生一定齡期后的抗壓強度，是路面基層混合料的主要力學性能指標。四種配比混合料的無側限抗壓強度試驗結果如圖1所示。

圖1 四種配比混合料無側限抗壓強度隨齡期的變化規律示意圖

由圖1可得：

(1)四種配比混合料的無側限抗壓強度均隨齡期的增長而增大。在28 d之前四種混合料的無側限抗壓強度增幅都比較大，混合料4的28 d無側限抗壓強度增幅達到7 d無側限抗壓強度的139.2%。28 d后，四種配比混合料的無側限抗壓強度增長速度都變緩。

(2)四種配比混合料在相同齡期時的無側限抗壓強度不相同。在14 d前，四種配合比混合料的無側限抗壓強度相差不大，7 d的無側限抗壓強度大小依次為：混合料2>混合料1>混合料3>混合料4；14 d時四種混合料的無側限抗壓強度大小依次為：混合料2>混合料1>混合料4>混合料3；28 d后四種混合料的無側限抗壓強度大小依次為：混合料4>混合料3>混合料2>混合料1。

(3)在14 d之前，混合料1和混合料2的無側限抗壓強度都比摻石膏的混合料3和混合料4的無側限抗壓強度高，而在28 d后，情況相反。究其原因，可能是石膏的加入對水泥產生了緩凝作用，進而影響了水泥的早期硬化，造成混合料3和混合料4的早期無側限抗壓強度低。隨著齡期的增加，石膏的緩凝作用逐漸消失，水泥能夠逐漸硬化，同時石膏和石灰反應的生成物填充在混合料的孔隙中，使混合料的結構更加致密，所以KL-ST76固化劑固化風積沙混合料的后期無側限強度的優勢能夠得到充分展現。

3.2 劈裂強度

固化風積沙混合料作為底基層結構層必須要具有一定的抗拉強度以滿足行車荷載的作用。本文用劈裂強度來評價四種配比混合料作為基層時抗拉強度，四種配比混合料的劈裂試驗的試驗結果如下頁圖2所示。

圖2 四種配比混合料的劈裂強度隨齡期的變化規律示意圖

從圖2可知：

(1)四種混合料的劈裂強度都隨著齡期的增大而增大。在14 d前，四種配比混合料的劈裂強度隨著齡期的增加增幅都較??；14 d后，四種配比混合料隨齡期增長都比較大。其中混合料4的增幅最大，其28 d、60 d和90 d的劈裂強度分別是其14 d劈裂強度的225.9%、307%和337%。

(2)四種配比混合料的劈裂強度在相同齡期時不相同。在7 d時，四種配比混合料的劈裂強度大小依次為：混合料2>混合料1>混合料3>混合料4；14 d時四種配比混合料劈裂強度大小依次為：混合料2>混合料3>混合料1>混合料4；28 d和90 d劈裂強度大小依次為：混合料4>混合料3>混合料2>混合料1。

(3)在14 d前，混合料1和混合料2的劈裂強度都比摻加石膏的混合料3和混合料4的劈裂強度高，而在28 d之后，情況正好相反。原因同樣是因為石膏的加入對水泥產生了緩凝作用，進而影響了水泥的早期硬化，造成混合料3和混合料4的早期劈裂強度低。隨著齡期的增加，石膏的緩凝作用逐漸消失，水泥能夠逐漸水化完全，同時石膏和石灰反應生成物填充在混合料的孔隙中，使混合料的結構更加致密，所以KL-ST76固化劑固化風積沙混合料的后期劈裂強度比較大。

3.3 抗壓回彈模量

剛度是評價行車荷載對基層材料產生變形敏感程度的一個非常重要的指標。本文采用抗壓回彈模量來評價四種配比混合料作為基層時的剛度，四種配比混合料的28 d和90 d的抗壓回彈模量結果如圖3所示。

圖3 四種配比混合料28 d、90 d的抗壓回彈模量柱狀對比圖

從圖3可得：

(1)四種配比混合料的抗壓回彈模量都隨著齡期的增大而增大。在28 d和90 d四種配比混合料的抗壓回彈模量各不相同，且四種配比混合料的28 d和90 d的抗壓回彈模量大小依次為：混合料4>混合料3>混合料2>混合料1，四種配比混合料中混合料4的抗壓回彈模量增幅最大，其90 d抗壓回彈模量相對于28 d抗壓回彈模量的增幅為16.5%。

(2)回彈模量大的基層材料在行車荷載作用下產生的變形越小，其路用性能就越好。KL-ST76固化劑穩定風積沙混合料的抗壓回彈模量相對其他三種混合料都要高，說明其抵抗變形的能力更強。

4 凍穩定性

眾所周知，抗凍性能好的基層材料抵抗開裂破壞能力強。本文通過固化風積沙混合料的凍融循環試驗來評價四種配比混合料的抗凍性能。把標準養護28 d的混合料試件飽水24 h后，在-20 ℃的環境中冷凍12 h，然后在20 ℃的環境中放置12 h，作為一個凍融循環。經過5次凍融循環后的試件飽水抗壓強度與未經凍融循環的試件飽水抗壓強度的比值稱為抗凍系數。本文以抗凍系數作為四種配比混合料抗凍性能好壞的指標。四種配比混合料凍融循環試驗結果如圖4和圖5所示。

圖4 四種混合料28 d飽水和凍融抗壓強度柱狀對照圖

圖5 四種混合料抗凍系數比較示意圖

從圖4和5可知：

(1)5次凍融循環作用后，四種配比混合料的28 d抗壓強度都有所降低。

(2)5次凍融循環作用后，四種配比混合料的抗凍系數大小依次為：混合料4>混合料2>混合料3>混合料1，這說明KL-ST76固化劑固化風積沙混合料的抗凍性能最好，助于提高沙漠地區公路路基的抗凍性能。

5 干縮特性

沙漠地區公路施工一般在4～9月份，這一階段的氣溫最高可達到40 ℃以上，因此研究固化風積沙混合料的抗干縮性能至關重要。固化風積沙混合料的干縮主要是因為其內部含水量的損失而引起的體積收縮甚至開裂。本文采用干縮系數對固化風積沙混合料的抗干縮特性進行評價。干縮系數是指混合料內部含水量的損失所引起的混合料的應變。本文對四種配比混合料的干縮特性進行了比較，具體試驗結果如圖6所示。

圖6 四種混合料干縮系數隨時間的變化規律示意圖

從圖6可知：

(1)四種配比混合料的干縮系數都隨著齡期的增大而增大。四種配比混合料21 d干縮系數大小依次為：混合料1>混合料2>混合料3>混合料4。

(2)混合料1、混合料2和混合料3在2 d內隨時間增加干縮系數增幅較小，在2～6 d時，三種配比混合料的干縮系數隨著時間的增加增幅較大，6 d后增速變緩，這三種混合料的干縮系數隨時間的變化規律一致。

(3)混合料4的干縮系數在12 d之內基本無變化，12～21 d內也只是有極小的增加，這是因為KL-ST76固化劑有減水的作用，它的加入能夠使混合料中的自由水易形成結晶水，使得整個混合料結構更加密實，導致其干縮應變較小。

(4)混合料4的平均干縮系數要比其他三種配比混合料的平均干縮系數小很多，分別比混合料1、混合料2和混合料3降低了95%、94.5%和93.1%。說明KL-ST76固化劑固化風積沙混合料的抗干縮性能要比其他三種配比混合料好很多。

6 固化風積沙混合料的溫縮特性

西部沙漠地區年溫度一般可以達到-30 ℃～50 ℃，各種無機筑路材料的溫度收縮都非常大，因此固化風積沙混合料的溫縮性能必須要考慮。本文以溫縮系數來評價四種不同配比混合料的溫縮性能，試驗結果如圖7和圖8所示。

圖7 四種配比混合料的溫縮系數變化示意圖

圖8 四種配比混合料的平均干縮系數比較示意圖

從圖7和圖8可得出：

(1)在-30 ℃～30 ℃溫度區間內，四種不同配比混合料的溫縮系數整體上都是隨著溫度的降低先減小后增大，且在-10 ℃～0 ℃溫度區間內取得最小值。

(2)四種不同配比混合料的平均溫縮系數大小依次為：混合料1>混合料2>混合料3>混合料4，說明KL-ST76固化劑固化風積沙混合料的抗溫縮性能要比其他三種配比混合料好很多。

7 結語

(1)四種配比混合料的無側限抗壓強度都隨著齡期的增加而增大，且早期無側限抗壓強度提高最快，后期強度增加變緩。14 d前，混合料4的無側限抗壓強度與其他三種配比混合料的無側限抗壓強度相當，隨后混合料4的無側限抗壓強度明顯高于其他三種配比混合料的無側限抗壓強度，說明KL-ST76固化劑有助于固化風積沙混合料后期無側限抗壓強度的提高。

(2)四種配比混合料的劈裂強度都隨著齡期的增加而增加。28 d之前，四種配比混合料的劈裂強度增幅都比較大，28 d后逐漸放緩?；旌狭?后期劈裂強度明顯高于其他三種混合料的劈裂強度，說明KL-ST76固化劑有助于固化風積沙混合料劈裂強度的提高。

(3)四種配比混合料的抗壓回彈模量也都隨著齡期的增大而增加。28 d之前，四種配比混合料的抗壓回彈模量增幅都比較大，28 d后逐漸放緩。混合料4后期抗壓回彈模量明顯高于其他三種混合料的抗壓回彈模量，說明KL-ST76固化劑有助于固化風積沙混合料抗壓回彈模量的提高。

(4)四種配比混合料的凍融系數相近，相差不太大。

(5)四種配比混合料的干縮系數都隨著齡期的增大而增加?；旌狭?的干縮系數明顯低于其他三種混合料的干縮系數，說明KL-ST76固化劑能夠提高固化風積沙混合料抗干縮性能。

(6)四種配比混合料的干縮系數都隨著溫度的降低而先減小后增加?；旌狭?的平均溫縮系數都明顯小于其他三種配比混合料的平均溫縮系數，說明KL-ST76固化劑能夠提高固化風積沙混合料抗溫縮性能。