基于模拟试验的固化风积沙路用性能研究

张大斌，田俊壮，黄泽国

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；2.广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

我国沙漠中的风沙土多为细沙或特细沙，工程性质差，而路用粗砂紧缺，外运其它材料，运距至少几十到数百公里以上，运费高。采用固化剂固化风积沙作筑路材料是一种很好的选择，不但可以降低工程造价，还能满足强度要求。采用合适的固化剂固化风积沙的强度较高，水稳定性好，抗干缩性能好，经固化后能够形成板体，可以作为半刚性路面基层或底基层材料使用，因此越来越受到人们的青睐。

虽然国内外对固化剂固化风积沙进行了大量的实验研究，并取得了很大的成果。但更多研究是针对固化剂对土壤和软土的加固[1-4]，对于风积沙的固化研究主要是为了防沙、固沙和预防沙害等[5-6]。在一些沙漠地区虽然进行了固化风积沙作为筑路材料的试验段尝试[7-12]，但是整体上把固化风积沙作为筑路材料的系统研究较少。

本文通过试验室研究，设计四种不同配比混合料，并对其进行了力学性能(抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量)、抗冻性能、抗干缩性能以及抗温缩性能等试验，系统全面地研究了固化风积沙混合料的路用性能和耐久性，希望能为将来沙漠地区固化风积沙作为路基材料使用提供一些有价值的参考。

1 原材料及级配

1.1 原材料

试验用沙取自内蒙古自治区鄂尔多斯毛乌素沙地，其技术指标如表1所示；固化剂为液体KL-ST76固化剂，其是一种新型环保筑路材料，是由表面活性剂、激发剂和催化剂等活性物质、电解质组成的复合溶液，可以平衡沙土颗粒表面的电荷，减薄双电层的厚度，使混合料产生化学和物理化学反应，生成稳定的结晶，从而提高路面结构层的水稳定性和强度；水泥采用的是425#普通硅酸盐水泥，其主要性能指标如表2所示；石膏来自陕西省侯马市石膏厂，其矿物组成和化学成分如表3和表4所示。

表1 毛乌素沙地风积沙颗粒组成表

表2 水泥主要技术指标表

表3 石膏矿物组成表

表4 石膏的化学成分表(%)

1.2 配合比设计

本文设计了四种配合比混合料，如表5所示。为了方便起见，水泥沙混合料简称为混合料1，水泥石灰沙混合料简称为混合料2，水泥石灰石膏沙混合料简称为混合料3，KL-ST76固化剂稳定沙混合料简称为混合料4。

表5 四种混合料的配合比对比表

2 固化风积沙击实试验

根据《风积沙固化及固化路基耐久性试验研究》对四种配比混合料做了击实试验研究，确定了四种配比混合料的最佳含水率和最大干密度。采用重型击实的方法，分5层击实，每层击实27次，击实功为2 687.0 kJ/m3，试样筒容积为947.4 cm3。四种配比混合料的最佳含水率和最大干密度如表6所示。

表6 四种配比混合料的最佳含水率和最大干密度对比表

3 力学性能

固化风积沙混合料必须具有一定的力学性能，才能保证在车辆荷载的反复作用下，不产生变形和破坏。本文主要从无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量等方面对固化剂稳定风积沙混合料的力学性能进行研究[13]。

3.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是指试件在(20±2)℃下养生一定龄期后的抗压强度，是路面基层混合料的主要力学性能指标。四种配比混合料的无侧限抗压强度试验结果如图1所示。

图1 四种配比混合料无侧限抗压强度随龄期的变化规律示意图

由图1可得：

(1)四种配比混合料的无侧限抗压强度均随龄期的增长而增大。在28 d之前四种混合料的无侧限抗压强度增幅都比较大，混合料4的28 d无侧限抗压强度增幅达到7 d无侧限抗压强度的139.2%。28 d后，四种配比混合料的无侧限抗压强度增长速度都变缓。

(2)四种配比混合料在相同龄期时的无侧限抗压强度不相同。在14 d前，四种配合比混合料的无侧限抗压强度相差不大，7 d的无侧限抗压强度大小依次为：混合料2>混合料1>混合料3>混合料4；14 d时四种混合料的无侧限抗压强度大小依次为：混合料2>混合料1>混合料4>混合料3；28 d后四种混合料的无侧限抗压强度大小依次为：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的无侧限抗压强度都比掺石膏的混合料3和混合料4的无侧限抗压强度高，而在28 d后，情况相反。究其原因，可能是石膏的加入对水泥产生了缓凝作用，进而影响了水泥的早期硬化，造成混合料3和混合料4的早期无侧限抗压强度低。随着龄期的增加，石膏的缓凝作用逐渐消失，水泥能够逐渐硬化，同时石膏和石灰反应的生成物填充在混合料的孔隙中，使混合料的结构更加致密，所以KL-ST76固化剂固化风积沙混合料的后期无侧限强度的优势能够得到充分展现。

3.2 劈裂强度

固化风积沙混合料作为底基层结构层必须要具有一定的抗拉强度以满足行车荷载的作用。本文用劈裂强度来评价四种配比混合料作为基层时抗拉强度，四种配比混合料的劈裂试验的试验结果如下页图2所示。

图2 四种配比混合料的劈裂强度随龄期的变化规律示意图

从图2可知：

(1)四种混合料的劈裂强度都随着龄期的增大而增大。在14 d前，四种配比混合料的劈裂强度随着龄期的增加增幅都较小；14 d后，四种配比混合料随龄期增长都比较大。其中混合料4的增幅最大，其28 d、60 d和90 d的劈裂强度分别是其14 d劈裂强度的225.9%、307%和337%。

(2)四种配比混合料的劈裂强度在相同龄期时不相同。在7 d时，四种配比混合料的劈裂强度大小依次为：混合料2>混合料1>混合料3>混合料4；14 d时四种配比混合料劈裂强度大小依次为：混合料2>混合料3>混合料1>混合料4；28 d和90 d劈裂强度大小依次为：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的劈裂强度都比掺加石膏的混合料3和混合料4的劈裂强度高，而在28 d之后，情况正好相反。原因同样是因为石膏的加入对水泥产生了缓凝作用，进而影响了水泥的早期硬化，造成混合料3和混合料4的早期劈裂强度低。随着龄期的增加，石膏的缓凝作用逐渐消失，水泥能够逐渐水化完全，同时石膏和石灰反应生成物填充在混合料的孔隙中，使混合料的结构更加致密，所以KL-ST76固化剂固化风积沙混合料的后期劈裂强度比较大。

3.3 抗压回弹模量

刚度是评价行车荷载对基层材料产生变形敏感程度的一个非常重要的指标。本文采用抗压回弹模量来评价四种配比混合料作为基层时的刚度，四种配比混合料的28 d和90 d的抗压回弹模量结果如图3所示。

图3 四种配比混合料28 d、90 d的抗压回弹模量柱状对比图

从图3可得：

(1)四种配比混合料的抗压回弹模量都随着龄期的增大而增大。在28 d和90 d四种配比混合料的抗压回弹模量各不相同，且四种配比混合料的28 d和90 d的抗压回弹模量大小依次为：混合料4>混合料3>混合料2>混合料1，四种配比混合料中混合料4的抗压回弹模量增幅最大，其90 d抗压回弹模量相对于28 d抗压回弹模量的增幅为16.5%。

(2)回弹模量大的基层材料在行车荷载作用下产生的变形越小，其路用性能就越好。KL-ST76固化剂稳定风积沙混合料的抗压回弹模量相对其他三种混合料都要高，说明其抵抗变形的能力更强。

4 冻稳定性

众所周知，抗冻性能好的基层材料抵抗开裂破坏能力强。本文通过固化风积沙混合料的冻融循环试验来评价四种配比混合料的抗冻性能。把标准养护28 d的混合料试件饱水24 h后，在-20 ℃的环境中冷冻12 h，然后在20 ℃的环境中放置12 h，作为一个冻融循环。经过5次冻融循环后的试件饱水抗压强度与未经冻融循环的试件饱水抗压强度的比值称为抗冻系数。本文以抗冻系数作为四种配比混合料抗冻性能好坏的指标。四种配比混合料冻融循环试验结果如图4和图5所示。

图4 四种混合料28 d饱水和冻融抗压强度柱状对照图

图5 四种混合料抗冻系数比较示意图

从图4和5可知：

(1)5次冻融循环作用后，四种配比混合料的28 d抗压强度都有所降低。

(2)5次冻融循环作用后，四种配比混合料的抗冻系数大小依次为：混合料4>混合料2>混合料3>混合料1，这说明KL-ST76固化剂固化风积沙混合料的抗冻性能最好，助于提高沙漠地区公路路基的抗冻性能。

5 干缩特性

沙漠地区公路施工一般在4～9月份，这一阶段的气温最高可达到40 ℃以上，因此研究固化风积沙混合料的抗干缩性能至关重要。固化风积沙混合料的干缩主要是因为其内部含水量的损失而引起的体积收缩甚至开裂。本文采用干缩系数对固化风积沙混合料的抗干缩特性进行评价。干缩系数是指混合料内部含水量的损失所引起的混合料的应变。本文对四种配比混合料的干缩特性进行了比较，具体试验结果如图6所示。

图6 四种混合料干缩系数随时间的变化规律示意图

从图6可知：

(1)四种配比混合料的干缩系数都随着龄期的增大而增大。四种配比混合料21 d干缩系数大小依次为：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内随时间增加干缩系数增幅较小，在2～6 d时，三种配比混合料的干缩系数随着时间的增加增幅较大，6 d后增速变缓，这三种混合料的干缩系数随时间的变化规律一致。

(3)混合料4的干缩系数在12 d之内基本无变化，12～21 d内也只是有极小的增加，这是因为KL-ST76固化剂有减水的作用，它的加入能够使混合料中的自由水易形成结晶水，使得整个混合料结构更加密实，导致其干缩应变较小。

(4)混合料4的平均干缩系数要比其他三种配比混合料的平均干缩系数小很多，分别比混合料1、混合料2和混合料3降低了95%、94.5%和93.1%。说明KL-ST76固化剂固化风积沙混合料的抗干缩性能要比其他三种配比混合料好很多。

6 固化风积沙混合料的温缩特性

西部沙漠地区年温度一般可以达到-30 ℃～50 ℃，各种无机筑路材料的温度收缩都非常大，因此固化风积沙混合料的温缩性能必须要考虑。本文以温缩系数来评价四种不同配比混合料的温缩性能，试验结果如图7和图8所示。

图7 四种配比混合料的温缩系数变化示意图

图8 四种配比混合料的平均干缩系数比较示意图

从图7和图8可得出：

(1)在-30 ℃～30 ℃温度区间内，四种不同配比混合料的温缩系数整体上都是随着温度的降低先减小后增大，且在-10 ℃～0 ℃温度区间内取得最小值。

(2)四种不同配比混合料的平均温缩系数大小依次为：混合料1>混合料2>混合料3>混合料4，说明KL-ST76固化剂固化风积沙混合料的抗温缩性能要比其他三种配比混合料好很多。

7 结语

(1)四种配比混合料的无侧限抗压强度都随着龄期的增加而增大，且早期无侧限抗压强度提高最快，后期强度增加变缓。14 d前，混合料4的无侧限抗压强度与其他三种配比混合料的无侧限抗压强度相当，随后混合料4的无侧限抗压强度明显高于其他三种配比混合料的无侧限抗压强度，说明KL-ST76固化剂有助于固化风积沙混合料后期无侧限抗压强度的提高。

(2)四种配比混合料的劈裂强度都随着龄期的增加而增加。28 d之前，四种配比混合料的劈裂强度增幅都比较大，28 d后逐渐放缓。混合料4后期劈裂强度明显高于其他三种混合料的劈裂强度，说明KL-ST76固化剂有助于固化风积沙混合料劈裂强度的提高。

(3)四种配比混合料的抗压回弹模量也都随着龄期的增大而增加。28 d之前，四种配比混合料的抗压回弹模量增幅都比较大，28 d后逐渐放缓。混合料4后期抗压回弹模量明显高于其他三种混合料的抗压回弹模量，说明KL-ST76固化剂有助于固化风积沙混合料抗压回弹模量的提高。

(4)四种配比混合料的冻融系数相近，相差不太大。

(5)四种配比混合料的干缩系数都随着龄期的增大而增加。混合料4的干缩系数明显低于其他三种混合料的干缩系数，说明KL-ST76固化剂能够提高固化风积沙混合料抗干缩性能。

(6)四种配比混合料的干缩系数都随着温度的降低而先减小后增加。混合料4的平均温缩系数都明显小于其他三种配比混合料的平均温缩系数，说明KL-ST76固化剂能够提高固化风积沙混合料抗温缩性能。