氣泡混合風(fēng)積沙土配合比試驗(yàn)研究

陳建壯 張宏偉 李建國 王賢忠 周文生 羅小剛 程 寅

（1新疆交通建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830049；2新疆石油工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000；3交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

新疆南疆焉耆盆地分布有山前沖積平原、湖泊沼澤、河谷沖擊平原等地貌，涵蓋開都河、黃水河沖積平原，相思湖、紫泥泉沼澤帶，分布較多軟弱土地基。在該地區(qū)進(jìn)行道路建設(shè)，需要處理路線范圍內(nèi)特殊土包括沖洪積軟土、鹽漬軟土及風(fēng)積沙土等，這些軟弱地基土情況均很復(fù)雜，需選擇有效的軟弱土處理手段進(jìn)行處治。目前常用的換填、樁基處理、強(qiáng)夯等地基處理方法，或存在填料缺乏、運(yùn)距較遠(yuǎn)，或存在造價(jià)高昂、施工難度較大、處治效果不佳等問題，因此需針對該地工程地質(zhì)特點(diǎn)，提出既能高效解決實(shí)際問題又具有較高的經(jīng)濟(jì)效益的地基處治方法，保證改建工程的順利實(shí)施與完成[1-3]。

南疆地區(qū)亦分布大面積的風(fēng)積沙。風(fēng)積沙具有一些顯著特性，包括粉粘粒含量少，表面活性低，松散、無聚性，非親水性，非濕陷狀態(tài)，松鋪系數(shù)小，基于這些特點(diǎn)，風(fēng)積沙存在資源利用困難，暫無良好易行的施工方法，容易影響環(huán)境，容易滲水等問題，如何解決這些問題，直接成為風(fēng)積沙資源在工程中推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

結(jié)合該地區(qū)工程地質(zhì)特征和沿線分布風(fēng)積沙資源特點(diǎn)，提出以風(fēng)積沙為原料土、利用氣泡混合土處治技術(shù)處理公路軟土地基和路基，既高效解決實(shí)際存在的問題又具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[4-9]。研究以水泥、自制固化劑、南疆當(dāng)?shù)仫L(fēng)積沙為原料，通過配比強(qiáng)度試驗(yàn)，探討風(fēng)積沙氣泡混合土強(qiáng)度規(guī)律和可能的微觀結(jié)構(gòu)形式對強(qiáng)度的內(nèi)在影響機(jī)理，最終為該地區(qū)軟弱路基狀況提供一種綜合高效的地基處理方式，為加快西部地區(qū)的開發(fā)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，尤其是南疆地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供有力技術(shù)保障。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1）風(fēng)積沙1：取自南疆尉犁縣塔克拉瑪干沙漠，顆粒較均勻，大部分為細(xì)粒，粒徑較單一，含鹽量約為2.7%，其顆粒粒徑分布見圖1。

2）風(fēng)積沙2：取自南疆焉耆縣沙漠，顆粒徑較大，多為粗砂和中砂，顆粒級(jí)配較好，含鹽量約1.4%，所含鹽分主要為氯鹽，其顆粒粒徑分布也見圖1。

3）水泥：新疆天山水泥廠生產(chǎn)的天山牌復(fù)合硅酸鹽水泥（P.C32.5），比表面積為350m2.kg-1，其主要化學(xué)成分見表1。

4）自制固化劑：X3和XG1，主要由礦渣、粉煤灰、火山灰、電石渣及高嶺土按合適配比煅燒研磨配置而成，兩種自制固化劑主要化學(xué)成分亦見表1。

5）發(fā)泡劑：江蘇南京生產(chǎn)的動(dòng)物蛋白型發(fā)泡劑，發(fā)泡倍數(shù)為20倍，試驗(yàn)配比按發(fā)泡劑:穩(wěn)泡劑=3:1配合，之后再按1:40稀釋使用。

圖1 顆粒級(jí)配曲線圖

1.2 試驗(yàn)方案及方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)分別以水泥與風(fēng)積沙1的組合（記組合1）、水泥與風(fēng)積沙2的組合（記組合2）、自制固化劑X3與風(fēng)積沙2的組合（記組合3）、自制固化劑XG1與風(fēng)積沙2的組合（記組合4）進(jìn)行強(qiáng)度測試和微觀試驗(yàn)，且每組試驗(yàn)的氣泡群均為520L/m3。

1.2.2 試驗(yàn)方法

氣泡混合風(fēng)積沙土試塊制備、養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)度測試：

1）將各材料組分分別稱重放置于發(fā)泡劑攪拌機(jī)后慢速攪拌2min，使混合材料攪拌均勻；

2）將鍋壁四周漿體刮入鍋內(nèi)后，再快速攪拌60s；

3）拌合成的氣泡混合土試樣從發(fā)泡劑出料后，裝滿100mm×100mm×100mm立方體試模并略高于試模頂面，并應(yīng)采用保鮮膜覆蓋。

4）拆模前，應(yīng)先沿試模頂面刮平試件，并將試件在溫度20℃±2℃、濕度≥95%條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，再進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。

掃描電子顯微鏡測試：采用分辨率SEI3.0nm(30KV)；BEI4.0nm(30kv)，加速電壓500V-40KV的英國CamScan公司產(chǎn)GS3400型電子掃描顯微鏡對樣品進(jìn)行微觀形貌結(jié)構(gòu)測試，測試方法是取測定了抗壓強(qiáng)度后的試塊中心部分于60℃恒溫烘干至恒重，取樣制成表面積約為10mm×10mm的1mm厚的平整小塊在真空鍍膜機(jī)內(nèi)對樣品進(jìn)行噴金處理，之后粘貼導(dǎo)電膠后放置于樣品臺(tái)上測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

各氣泡混合風(fēng)積沙土配合比、設(shè)計(jì)容重和28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表2-表5。

由上述表2與表3強(qiáng)度測試結(jié)果可見，選用不同風(fēng)積沙，氣泡混合風(fēng)積沙土強(qiáng)度大小存在差異。將表中強(qiáng)度用圖線表示出，如圖2所示，選用風(fēng)積沙1作為摻料的水泥氣泡混合風(fēng)積沙土強(qiáng)度明顯高于風(fēng)積沙2。結(jié)合圖1的風(fēng)積沙級(jí)配圖可知，由于風(fēng)積沙1取自塔克拉瑪干沙漠，該沙子顆粒粒徑小，與固化劑結(jié)合效果好，容易與發(fā)泡劑攪拌均勻，所拌合的氣泡混合土強(qiáng)度亦會(huì)更高。

表1 固化劑主要化學(xué)成分

表2 組合1氣泡混合輕質(zhì)土強(qiáng)度

表3 組合2氣泡混合輕質(zhì)土強(qiáng)度

表4 組合3氣泡混合輕質(zhì)土強(qiáng)度

表5 組合4氣泡混合輕質(zhì)土強(qiáng)度

圖2 風(fēng)積沙對水泥氣泡混合土強(qiáng)度影響曲線圖

由表3-表5也可發(fā)現(xiàn)氣泡混合風(fēng)積沙土容重越大，其抗壓強(qiáng)度也越大；以自制固化劑X3、XG1為膠凝材的氣泡混合風(fēng)積沙土28d強(qiáng)度均高于水泥為膠凝材的氣泡混合風(fēng)積沙土，容重1000kg/m3的X3、XG1氣泡混合風(fēng)積沙土強(qiáng)度分別為為2.48MPa和2.69MPa，分別為水泥氣泡混合風(fēng)積沙土的1.6倍和1.72倍。各固化劑下氣泡混合風(fēng)積沙2土強(qiáng)度變化圖如圖3所示，圖中更直觀顯示，自制固化劑X3與XG1的強(qiáng)度比水泥有顯著提高，且固化劑摻量越高，容重越大，氣泡混合風(fēng)積沙土強(qiáng)度會(huì)越大。

圖3 各固化劑氣泡混合風(fēng)積沙2土強(qiáng)度變化圖

2.2 微觀形貌

為更好分析氣泡混合風(fēng)積沙土強(qiáng)度機(jī)理，分別對水泥固化和自制固化劑XG1固化后的氣泡混合風(fēng)積沙土進(jìn)行了微觀電鏡掃描試驗(yàn)。

圖4 不同固化劑下SEM照片

從放大10k的SEM照片可見，當(dāng)使用自制固化劑XG1作為固化劑的氣泡混合風(fēng)積沙土，其晶體結(jié)構(gòu)組成多為致密、連續(xù)的片狀物質(zhì)，結(jié)構(gòu)較為完整；而以水泥作為固化劑時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)多為疏松、針狀的物質(zhì)，且結(jié)構(gòu)中孔隙增多。

據(jù)此初步推斷，自制固化劑XG1能夠改善氣泡混合輕質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)，使原來的針狀結(jié)構(gòu)變?yōu)楦又旅苓B續(xù)的片狀結(jié)構(gòu)，提高基體強(qiáng)度。

3 結(jié) 語

1）風(fēng)積沙粒徑越小，摻入氣泡混合土后其強(qiáng)度相對較優(yōu)；氣泡混合風(fēng)積沙土容重越大，其抗壓強(qiáng)度也越大；

2）利用自制固化劑X3與XG1與風(fēng)積沙拌合制備氣泡混合風(fēng)積沙土強(qiáng)度優(yōu)于水泥作為固化劑的氣泡混合風(fēng)積沙土，容重1000kg/m3的X3、XG1氣泡混合風(fēng)積沙土強(qiáng)度分別為為2.48MPa和2.69MPa，分別可達(dá)水泥氣泡混合風(fēng)積沙土的1.6倍和1.72倍，說明X3與XG1兩種自制固化劑可以制備出性能優(yōu)良的氣泡混合風(fēng)積沙土，并用于實(shí)際工程中；

3）通過掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)分析可知，XG1固化的微觀形貌優(yōu)于水泥固化的微觀形貌是前者強(qiáng)度優(yōu)于后者的主因。

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