風積沙固化及其在路面基層中的應用研究現狀

路竣杰,銀燕青,張栓柱,黃 鑫,王稷良,2,盧亞磊

(1.內蒙古經烏高速公路管理有限責任公司,赤峰 025366;2.交通運輸部公路科學研究所,北京 100088;3.武漢長江存儲科技有限責任公司,武漢 430078)

2021年國務院頒布的《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》將西部地區公路建設列入戰略骨干通道建設工程。然而我國是世界上受沙漠化影響最為嚴重的國家之一,并且90%以上沙漠集中于西部地區。天然砂石作為交通基礎設施建設最為重要的集料之一,沙漠地區儲量匱乏,需要從較遠地區進行運輸,極大地拉高了筑路的經濟成本及時間成本。因此,為加快工程進度,降低筑路成本,應充分利用沙漠地區儲量豐富天然集料-風積沙。風積沙是經風力搬運,然后沉積所形成的沙層,在沙漠區儲量極其豐富,運用于基層有較高的經濟價值。當前國內外學者針對風積沙在基層材料方面的應用主要有兩條思路,一是利用固化劑固化風積沙,二是以風積沙代替細集料應用于穩定碎石體系之中。為此,針對風積沙在路面基層中的應用,綜述固化風積沙的不同方式和風積沙代替細集料應用于穩定碎石體系中的研究進展,并對當前研究中存在的問題和未來的研究方向進行討論。

1 風積沙的特性和固化方式

1.1 風積沙特性

1)風積沙的物理特性研究

大量研究學者對風積沙的顆粒級配、顆粒形貌、表觀密度等開展了相關研究。在顆粒分布方面,相關研究表明由于風的分選作用,風積沙顆粒存在細小、均勻的特點。表1為相關文獻中得到的我國不同地區風積沙的顆粒分布情況。通過表1可以看出,風積沙粒徑一般集中在0.075～0.6 mm,占90%以上,屬于級配不良的極細砂。與普通砂相比,風積沙的級配更差,顆粒更小,這也就造成了風積沙的比表面積偏大,堆積孔隙率偏高,從而導致固化風積沙存在強度低、收縮大的問題。

表1 中國不同地區風積沙的顆粒級配

在外觀形貌方面, Lopez-Querol等[5]利用SEM(掃描電鏡)對風積沙進行了形貌分析,發現風積沙顆粒形狀均勻,沒有銳邊。一般認為由于運輸過程顆粒之間的摩擦碰撞,風積沙多為表面光滑的球狀顆粒,這還會導致風積沙與結合料之間的粘結作用弱。

2)風積沙的化學特性

為研究風積沙的化學特性,相關學者對不同地區風積沙的化學組成與礦物成分進行了分析,如表2所示。風積沙的主要化學成分均為二氧化硅,即具有富含硅質的特點。從礦物學角度分析,風積沙主要由石英、長石和巖屑組成,且粘性顆粒含量極少。同時,鄭木蓮[6]研究表明風積沙中晶體占主導地位,不含活性物質。因此,由于風積沙基本沒有活性、粘性顆粒含量極少,其和水泥等結合料之間的粘結作用很弱,這導致風積沙更加難以利用。

表2 不同地區風積沙化學組成

1.2 風積沙的固化方式

固化劑固化風積沙主要是利用其膠結特性將風積沙粘結在一起,從而形成強度。目前,國內外關于固化風積沙的研究,主要從工程固化風積沙、微生物固化風積沙和化學固化風積沙三個方面展開。

1)工程固沙

工程固沙主要是通過將纖維材料、網布材料或加筋帶等土工合成材料按照一定的排列規則加入土中,從而提高沙的性能。鞏楨翰[7]研究發現加筋風積沙對風積沙路基豎向位移及水平位移都有很好的抑制作用。然而工程固沙雖然可以改善沙體性能,但是由于它只是利用土工材料對風積沙進行機械的約束,整體強度不高。

2)微生物固沙

微生物固沙是指利用微生物分解尿素產生碳酸根離子,在外加鈣源的條件下生產碳酸鈣沉淀,從而把松散的風積沙顆粒膠結成一個整體。Tian等[8]進行了利用巴氏芽孢桿菌和膠結液(尿素-氯化鈣)固化風積沙的研究,采用微生物誘導成礦技術,改善了固化風積沙的力學性能,但其強度分布極不均勻。生物固沙雖然能夠大幅度提升固化風積沙的性能,但是這種技術手段操作復雜,并且由于微生物分布不均勻的問題,導致其不同區域強度差異較大。因此,微生物固沙只適用于土壤修復領域,很難在道路材料領域得到應用。

3)化學固沙

化學固沙是指利用化學材料的膠結特性來固化風積沙,因其具有強度較高、工藝簡單、對環境要求低等優點,在實際工程中得到廣泛應用。崔強[3]、張向東[9]、Li[10]等開展了水泥固化風積沙的研究,結果表明固化風積沙強度隨水泥摻量的增加而上升,一般當水泥摻量為10%～12%,固化風積沙28 d無側限抗壓強度可達到2～3 MPa。相關機理表明無機結合料固化風積沙主要通過結合料的水化反應生成C-S-H凝膠填充于風積的沙孔隙之間,將風積沙顆粒粘結在一起,從而形成強度,但是由于風積沙表面比較光滑,并且水泥等結合料的粘結性較差,導致水泥等材料很難與風積沙良好的粘結在一起。

有研究者提出利用瀝青乳液、合成樹脂等有機材料自身的粘結特性固化風積沙,顯著改善了風積沙的承載能力。雖然有機固化劑能夠改善固化風積沙的性能,但是它存在易老化的問題,并且硬化速度快,不利于施工。因此,有機固化風積沙也很難應用于路面基層材料領域。還有研究者提出有機-無機復合固沙的方法,但是這種方法存在兩相不相容的問題,并且在干硬性體系中只有少量的結合料,有機結合料和無機結合料的攪拌均勻性很難控制。因此,復合固化風積沙也很難應用于路面基層材料之中。綜上,由于有機固化風積沙和復合固化風積沙存在各種問題,因此,無機結合料固化風積沙是最為經濟有效的手段。

2 風積沙在路面基層中的應用

2.1 風積沙應用于路面基層時面臨的問題

目前,風積沙用于路面基層材料一般是和碎石配合使用,共同達到合適的級配,同時需要加入水泥固化風積沙后才能滿足公路基層的要求。陳三平等[11]利用FLAC3D數值模擬驗證了水泥穩定碎石風積沙基層的合理性。水泥穩定類路面基層材料作為一種典型的干硬性體系材料,其強度主要來源于集料間的嵌擠作用以及結合料與集料間的黏結作用[12]。然而,風積沙因獨特的形成方式,當風積沙應用于水泥穩定碎石體系之中,會存在集料間的嵌擠作用弱、結合料與集料間的黏結作用弱和材料收縮增大的問題,從而導致水泥穩定碎石風積沙材料存在強度低、收縮大以及抗沖刷性能差的問題。

1)由于風積沙表面光滑、近似球形,導致其與碎石之間很難形成嵌擠作用,并且與水泥之間的粘結作用較弱,從而造成水泥穩定碎石風積沙路面基層材料強度低、抗沖刷性能差。樊新舟[13]、馬士賓等[14]采用正交實驗研究了水泥摻量、碎石集配、風積沙摻量對水泥穩定碎石風積沙力學性能的影響,結果表明風積沙的摻入嚴重影響了水泥穩定碎石風積沙的力學性能。

2)由于風積沙顆粒細小、均勻,導致材料內部毛細孔數目增多,從而引起材料收縮增大。陳立兵等[15]對水泥穩定碎石風積沙的收縮抗裂性能進行了研究,結果表明過多風積沙的摻入使得材料小顆粒數目增多,使水泥穩定碎石風積沙材料的總比面積增大,水泥需求量增加,從而引起材料整體干燥收縮增大。

目前,針對上述問題國內外相關研究少有解決方案,相對主流的改善方案是提高水泥用量。但水泥用量提高,不僅會造成基層材料的成本增大,還會對水泥穩定碎石風積沙的抗收縮性能帶來負面影響,因此需進行水泥摻量等參數對水泥穩定碎石風積沙材料性能影響的研究。

2.2 水泥穩定碎石風積沙材料的研究進展

目前,關于水泥穩定碎石風積沙材料的研究主要集中于風積沙摻量、水泥摻量、含水率以及碎石級配對水泥穩定碎石風積沙性能(力學性能和水穩定性能)的影響。

郭根勝等[16]研究了水泥摻量、風積沙摻量對水泥穩定碎石風積沙力學性能和水穩定性能的影響,結果表明在最佳含水率13%下,對于相同級配的混合料,水泥摻量增加 1%,混合料的強度增加0.8～1.3 MPa且7 d無側限抗壓強度值滿足中國二級及二級以下公路的基層強度要求。

張飛陽[17]對水泥加固風積沙地基的抗拔極限承載力進行了研究,結果表明當含水率為3%時,地基試樣的抗拔極限承載力隨水泥摻量先增加后降低,并在水泥摻量為6%時,抗拔極限承載力達到峰值;當含水率為5%時,地基試樣的抗拔極限承載力隨水泥摻量呈線性關系增加。而當水泥摻量一定時,地基試樣的抗拔極限承載力隨含水率的增加而增加,并在含水率達到一定程度時趨于穩定。

李德超[18]在研究水泥早強劑穩定沙的抗壓強度時,結果顯示,當水泥摻量分別為10%、12%、14%和16%時,水泥早強劑穩定沙的7 d無側限抗壓強度隨水泥劑量增加而升高,但在水泥摻量達到16%時,抗壓強度反而降低。

以上研究均證明隨水泥摻量的增加,材料強度會提高,而當水泥摻量達到一定程度時,材料強度反而降低;隨著風積沙摻量的增加,碎石所占比例逐漸下降,由于風積沙不易固化,會導致材料強度下降;且碎石級配對穩定碎石風積沙強度的影響最小。

進一步分析,在整個體系之中顆粒細小的風積沙完全可以作為一種填充材料填充到碎石之間的孔隙中。不同級配的碎石,孔隙率不同,在風積沙摻量相同的情況下,風積沙對其孔隙的填充情況也不同。理論上,當碎石之間的孔隙能夠容納風積沙的前提下,穩定碎石風積沙的強度會隨著風積沙強度的增加而增大,當孔隙不足以容納風積沙時,強度才會開始降低。而不同級配的碎石,孔隙率不同,因此風積沙的最佳摻量也不同。

以上分析,一方面若明確風積沙充盈系數(固化風積沙體積/碎石孔隙體積)、碎石級配之間的相互關系以及它們對穩定碎石風積沙力學性能、耐久性能的影響規律,這將有助于設計出性能更加優異的固化劑穩定碎石風積沙基層材料;另一方面,風積沙本身屬于特細砂,僅用風積沙和碎石結合得到的集料存在集料間嵌擠作用弱的問題。若再選定磨細的礦渣加入集料中,不僅可以通過調節礦渣的粒徑,從而達到填充風積沙的孔隙的作用,同時僅需要加入適當的堿激發劑,引入的礦渣和水泥即可形成水泥-堿激發礦渣雙膠凝體系,對風積沙進行固化改性,提高其致密度。方永浩等[19]的研究印證了這一點,其研究結果表明用超細礦渣替代等量水泥可使硬化后期水泥漿體結構更加致密。

綜上所述,目前對水泥穩定碎石風積沙基層材料的研究主要在水泥摻量等參數對其力學性能和水穩定性能方面,而對于風積沙充盈系數與碎石級配之間的相互關系和抑制收縮開裂的研究相對較少,還需進一步深入探討。

3 結論與展望

無機結合料固化風積沙是目前成本最低、適用范圍最廣的固沙手段,這使得在我國沙漠地區進行公路建設時可以利用儲量極為豐富的風積沙,實現其資源化利用,降低成本。從以上關于風積沙應用于路面基層的國內外研究中,可以得出以下結論:

a.風積沙特性:風積沙顆粒粒徑一般集中在0.075～0.6 mm,屬于級配不良的極細砂,且其表面活性低、粘性差、易松散,這導致風積沙與其他集料的嵌擠作用弱;風積沙的主要化學成分為二氧化硅,具有富含硅質和硅鋁質的特點。

b.風積沙固化:工程固沙、生物固沙均很難在道路材料領域得到應用;在化學固沙方法中,由于有機結合料存在易老化、硬化速度快的問題,其與復合結合料同樣不適合用于固化風積沙,無機結合料固化風積沙是成本最低、適用范圍最廣的固沙手段。

c.風積沙應用于路面基層材料的難點在于風積沙顆粒較細引起的集料間嵌擠作用弱問題、風積沙與結合料之間粘結作用弱問題以及結合料摻入引起的收縮問題。風積沙應用于路面基層主要依靠與碎石達到合適級配形成集料,同時還有加入水泥固化風積沙,因此主要應用是制備水泥穩定碎石風積沙基層材料。在相關研究中,水泥摻量、風積沙摻量、含水率和碎石級配對基層材料性能影響的研究已成體系,但是抗收縮方面和更深層次的問題亟待進一步研究。同時,如何設計無機結合劑,使其在改善固化風積沙力學性能的同時降低固化風積沙的收縮,并將其應用至水泥穩定碎石風積沙基層材料中以及明確風積沙充盈系數(固化風積沙體積/碎石孔隙體積)、碎石級配之間的相互關系以及它們對穩定碎石風積沙力學性能、耐久性能的影響規律均可能作為今后的研究方向。