基于模擬試驗(yàn)的固化風(fēng)積沙路用性能研究

張大斌，田俊壯，黃澤國

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

我國沙漠中的風(fēng)沙土多為細(xì)沙或特細(xì)沙，工程性質(zhì)差，而路用粗砂緊缺，外運(yùn)其它材料，運(yùn)距至少幾十到數(shù)百公里以上，運(yùn)費(fèi)高。采用固化劑固化風(fēng)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(qiáng)度要求。采用合適的固化劑固化風(fēng)積沙的強(qiáng)度較高，水穩(wěn)定性好，抗干縮性能好，經(jīng)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(nèi)外對固化劑固化風(fēng)積沙進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)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(fēng)積沙的固化研究主要是為了防沙、固沙和預(yù)防沙害等[5-6]。在一些沙漠地區(qū)雖然進(jìn)行了固化風(fēng)積沙作為筑路材料的試驗(yàn)段嘗試[7-12]，但是整體上把固化風(fēng)積沙作為筑路材料的系統(tǒng)研究較少。

本文通過試驗(yàn)室研究，設(shè)計(jì)四種不同配比混合料，并對其進(jìn)行了力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)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(yàn)，系統(tǒng)全面地研究了固化風(fēng)積沙混合料的路用性能和耐久性，希望能為將來沙漠地區(qū)固化風(fēng)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(yàn)用沙取自內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯毛烏素沙地，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示；固化劑為液體KL-ST76固化劑，其是一種新型環(huán)保筑路材料，是由表面活性劑、激發(fā)劑和催化劑等活性物質(zhì)、電解質(zhì)組成的復(fù)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(chǎn)生化學(xué)和物理化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的結(jié)晶，從而提高路面結(jié)構(gòu)層的水穩(wěn)定性和強(qiáng)度；水泥采用的是425#普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)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(xué)成分如表3和表4所示。

表1 毛烏素沙地風(fēng)積沙顆粒組成表

表2 水泥主要技術(shù)指標(biāo)表

表3 石膏礦物組成表

表4 石膏的化學(xué)成分表(%)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)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(wěn)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(fēng)積沙擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)《風(fēng)積沙固化及固化路基耐久性試驗(yàn)研究》對四種配比混合料做了擊實(shí)試驗(yàn)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(shí)的方法，分5層擊實(shí)，每層擊實(shí)27次，擊實(shí)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(xué)性能

固化風(fēng)積沙混合料必須具有一定的力學(xué)性能，才能保證在車輛荷載的反復(fù)作用下，不產(chǎn)生變形和破壞。本文主要從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量等方面對固化劑穩(wěn)定風(fēng)積沙混合料的力學(xué)性能進(jìn)行研究[13]。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是指試件在(20±2)℃下養(yǎng)生一定齡期后的抗壓強(qiáng)度，是路面基層混合料的主要力學(xué)性能指標(biāo)。四種配比混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 四種配比混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律示意圖

由圖1可得：

(1)四種配比混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增長而增大。在28 d之前四種混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅都比較大，混合料4的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅達(dá)到7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的139.2%。28 d后，四種配比混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)度不相同。在14 d前，四種配合比混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差不大，7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)度都比摻石膏的混合料3和混合料4的無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(chǎn)生了緩凝作用，進(jìn)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(cè)限抗壓強(qiáng)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(yīng)的生成物填充在混合料的孔隙中，使混合料的結(jié)構(gòu)更加致密，所以KL-ST76固化劑固化風(fēng)積沙混合料的后期無側(cè)限強(qiáng)度的優(yōu)勢能夠得到充分展現(xiàn)。

3.2 劈裂強(qiáng)度

固化風(fēng)積沙混合料作為底基層結(jié)構(gòu)層必須要具有一定的抗拉強(qiáng)度以滿足行車荷載的作用。本文用劈裂強(qiáng)度來評價四種配比混合料作為基層時抗拉強(qiáng)度，四種配比混合料的劈裂試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如下頁圖2所示。

圖2 四種配比混合料的劈裂強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律示意圖

從圖2可知：

(1)四種混合料的劈裂強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度分別是其14 d劈裂強(qiáng)度的225.9%、307%和337%。

(2)四種配比混合料的劈裂強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度都比摻加石膏的混合料3和混合料4的劈裂強(qiáng)度高，而在28 d之后，情況正好相反。原因同樣是因?yàn)槭嗟募尤雽λ喈a(chǎn)生了緩凝作用，進(jìn)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(qiáng)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(yīng)生成物填充在混合料的孔隙中，使混合料的結(jié)構(gòu)更加致密，所以KL-ST76固化劑固化風(fēng)積沙混合料的后期劈裂強(qiáng)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(chǎn)生變形敏感程度的一個非常重要的指標(biāo)。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(jié)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(chǎn)生的變形越小，其路用性能就越好。KL-ST76固化劑穩(wěn)定風(fēng)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(qiáng)。

4 凍穩(wěn)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(qiáng)。本文通過固化風(fēng)積沙混合料的凍融循環(huán)試驗(yàn)來評價四種配比混合料的抗凍性能。把標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的混合料試件飽水24 h后，在-20 ℃的環(huán)境中冷凍12 h，然后在20 ℃的環(huán)境中放置12 h，作為一個凍融循環(huán)。經(jīng)過5次凍融循環(huán)后的試件飽水抗壓強(qiáng)度與未經(jīng)凍融循環(huán)的試件飽水抗壓強(qiáng)度的比值稱為抗凍系數(shù)。本文以抗凍系數(shù)作為四種配比混合料抗凍性能好壞的指標(biāo)。四種配比混合料凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度柱狀對照圖

圖5 四種混合料抗凍系數(shù)比較示意圖

從圖4和5可知：

(1)5次凍融循環(huán)作用后，四種配比混合料的28 d抗壓強(qiáng)度都有所降低。

(2)5次凍融循環(huán)作用后，四種配比混合料的抗凍系數(shù)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(fēng)積沙混合料的抗凍性能最好，助于提高沙漠地區(qū)公路路基的抗凍性能。

5 干縮特性

沙漠地區(qū)公路施工一般在4～9月份，這一階段的氣溫最高可達(dá)到40 ℃以上，因此研究固化風(fēng)積沙混合料的抗干縮性能至關(guān)重要。固化風(fēng)積沙混合料的干縮主要是因?yàn)槠鋬?nèi)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(shù)對固化風(fēng)積沙混合料的抗干縮特性進(jìn)行評價。干縮系數(shù)是指混合料內(nèi)部含水量的損失所引起的混合料的應(yīng)變。本文對四種配比混合料的干縮特性進(jìn)行了比較，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 四種混合料干縮系數(shù)隨時間的變化規(guī)律示意圖

從圖6可知：

(1)四種配比混合料的干縮系數(shù)都隨著齡期的增大而增大。四種配比混合料21 d干縮系數(shù)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(nèi)隨時間增加干縮系數(shù)增幅較小，在2～6 d時，三種配比混合料的干縮系數(shù)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(shù)隨時間的變化規(guī)律一致。

(3)混合料4的干縮系數(shù)在12 d之內(nèi)基本無變化，12～21 d內(nèi)也只是有極小的增加，這是因?yàn)镵L-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(jié)晶水，使得整個混合料結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，導(dǎo)致其干縮應(yīng)變較小。

(4)混合料4的平均干縮系數(shù)要比其他三種配比混合料的平均干縮系數(shù)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(fēng)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(fēng)積沙混合料的溫縮特性

西部沙漠地區(qū)年溫度一般可以達(dá)到-30 ℃～50 ℃，各種無機(jī)筑路材料的溫度收縮都非常大，因此固化風(fēng)積沙混合料的溫縮性能必須要考慮。本文以溫縮系數(shù)來評價四種不同配比混合料的溫縮性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 四種配比混合料的溫縮系數(shù)變化示意圖

圖8 四種配比混合料的平均干縮系數(shù)比較示意圖

從圖7和圖8可得出：

(1)在-30 ℃～30 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，四種不同配比混合料的溫縮系數(shù)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(qū)間內(nèi)取得最小值。

(2)四種不同配比混合料的平均溫縮系數(shù)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(fēng)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(jié)語

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

(2)四種配比混合料的劈裂強(qiáng)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(qiáng)度增幅都比較大，28 d后逐漸放緩?；旌狭?后期劈裂強(qiáng)度明顯高于其他三種混合料的劈裂強(qiáng)度，說明KL-ST76固化劑有助于固化風(fēng)積沙混合料劈裂強(qiáng)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?；旌狭?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(fēng)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(shù)相近，相差不太大。

(5)四種配比混合料的干縮系數(shù)都隨著齡期的增大而增加。混合料4的干縮系數(shù)明顯低于其他三種混合料的干縮系數(shù)，說明KL-ST76固化劑能夠提高固化風(fēng)積沙混合料抗干縮性能。

(6)四種配比混合料的干縮系數(shù)都隨著溫度的降低而先減小后增加。混合料4的平均溫縮系數(shù)都明顯小于其他三種配比混合料的平均溫縮系數(shù)，說明KL-ST76固化劑能夠提高固化風(fēng)積沙混合料抗溫縮性能。