固化風(fēng)積沙底基層路用性能研究

蘇躍宏， 呂川， 王曉敏， 任棟棟

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

1 前言

風(fēng)積沙是經(jīng)風(fēng)吹、沉淀以后形成的沙層，具有黏聚力差、顆粒松散、顆粒表面活性低且級(jí)配不良等特性，廣泛分布于中國(guó)西部的戈壁和沙漠。由于風(fēng)積沙不易形成整體，難以在工程建設(shè)中應(yīng)用，所以有必要研制風(fēng)積沙固化劑，對(duì)其進(jìn)行固化處理。目前，被人們廣泛使用的固化材料包括水泥、粉煤灰、石灰等。固化材料與砂加水拌和后，混合料內(nèi)部進(jìn)行一系列物理化學(xué)反應(yīng)，在砂粒間產(chǎn)生黏結(jié)物質(zhì)，達(dá)到固化風(fēng)積沙的效果。對(duì)不同材料固化風(fēng)積沙進(jìn)行強(qiáng)度及耐久性試驗(yàn)，學(xué)者們研制出各種類型的風(fēng)積沙固化劑，其中部分固化劑得到成功應(yīng)用和推廣。另一方面，粉煤灰作為煤燃燒后的殘留物，若將其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，既能減少土地占用，又可以變廢為寶。宋亮研究了粉煤灰摻量對(duì)水泥穩(wěn)定路面回收率強(qiáng)度和收縮性能的影響，并確定了粉煤灰的最佳摻量；鄒桂蓮采用水泥粉煤灰作為結(jié)合料穩(wěn)定再生骨料，研究了各因素對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石路用性能的影響效果。

該文以FCS型固化劑固化風(fēng)積沙作為研究對(duì)象，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、溫縮試驗(yàn)及凍融循環(huán)試驗(yàn)，與冀東32.5級(jí)水泥進(jìn)行對(duì)比，研究其作為底基層材料的路用性能及經(jīng)濟(jì)效益。

2 試驗(yàn)材料

2.1 風(fēng)積沙

風(fēng)積沙取自內(nèi)蒙古庫(kù)布其沙漠，對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行篩分試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)積沙粒徑分布

2.2 固化劑

FCS型固化劑是以高鈣粉煤灰為基質(zhì)材料的固化劑，通過(guò)水泥粉煤灰膠砂試驗(yàn)，確定其配合比為：粉煤灰∶石灰∶石膏∶激發(fā)劑∶增強(qiáng)材料A∶交聯(lián)劑B=60∶21.3∶3∶1.5∶14∶0.2。粉煤灰化學(xué)成分見表2，其主要成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3和CaO，且CaO含量為18.08%(>10%)，屬于高鈣粉煤灰；石灰選用二級(jí)石灰；石膏為α半水石膏(CaSO4·0.5H2O)。激發(fā)劑為自制的粉煤灰活性激發(fā)劑。增強(qiáng)材料A可以提升固化效果，是固化劑的重要組成部分。交聯(lián)劑B為高分子聚合物。對(duì)比試驗(yàn)選取的水泥為冀東32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度為2.9×103kg/m3,細(xì)度為1.2%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為30.2%，體積安定性合格，初凝時(shí)間為264 min，終凝時(shí)間為347 min，燒失量為1.03%。

表2 粉煤灰主要化學(xué)成分 %

3 擊實(shí)特性

3.1 風(fēng)積沙擊實(shí)試驗(yàn)

風(fēng)積沙擊實(shí)試驗(yàn)選用重型擊實(shí)，按照規(guī)程進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 風(fēng)積沙擊實(shí)曲線

由圖1可知：隨著含水率增加，風(fēng)積沙干密度呈現(xiàn)先降低后上升再降低的變化規(guī)律。當(dāng)含水率為10.54%時(shí)，風(fēng)積沙干密度值最大，為1.709 g/cm3。

3.2 混合料擊實(shí)試驗(yàn)

成型試件前必須要進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定不同混合料的最大干密度和最佳含水量。依據(jù)JTG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行固化劑和水泥摻量為6%、8%、10%混合料的擊實(shí)試驗(yàn)。結(jié)果如表3所示。

表3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表3表明:隨著固化劑與水泥摻量增加，混合料最大干密度都增加。同摻比情況下，固化劑固化風(fēng)積沙的最大干密度均大于水泥，說(shuō)明前者固化風(fēng)積沙密實(shí)程度高于水泥固化。

4 固化風(fēng)積沙路用性能研究

4.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果制備材料，壓實(shí)度控制為95%，采用φ50 mm×50 mm圓柱形試模，試件制作與養(yǎng)護(hù)嚴(yán)格按照規(guī)范要求，養(yǎng)護(hù)7、14、28 d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

(注：圖中s代表水泥，s6代表水泥摻量6%，g代表FCS型固化劑，其他類似，下同)

由圖2可知：隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，試件抗壓強(qiáng)度提高。各齡期下的固化劑固化風(fēng)積沙強(qiáng)度都高于同摻量水泥固化的強(qiáng)度，而且固化劑摻量對(duì)試件抗壓強(qiáng)度影響較大。固化劑摻量為8%和10%的抗壓強(qiáng)度比6%高出0.5、1.9 MPa。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也在繼續(xù)增大。相比7 d的強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)28 d后分別提高了1.4、1.9、1.7 MPa。依據(jù)JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》可知：6%固化劑摻量滿足規(guī)范中水泥粉煤灰穩(wěn)定類底基層二級(jí)及二級(jí)以下公路中、輕交通的要求；8%固化劑摻量滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路重交通的要求；10%固化劑摻量滿足高速公路和一級(jí)公路底基層的強(qiáng)度要求。

固化劑固化風(fēng)積沙試件能達(dá)到上述強(qiáng)度是因?yàn)楣袒瘎┡c風(fēng)積沙拌和后，石灰與水反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2創(chuàng)造了堿性環(huán)境，Ca(OH)2與粉煤灰中的Al2O3、SiO2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成的膠凝物質(zhì)填充了砂顆粒間的空隙并將其膠結(jié)起來(lái)。同時(shí)，激發(fā)劑促進(jìn)了粉煤灰早期的火山灰活性發(fā)揮速度，使得固化劑固化風(fēng)積沙有更高的強(qiáng)度。

4.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂強(qiáng)度間接反映了半剛性基層的抗拉性能，是路面設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。試件尺寸與制作同無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，養(yǎng)護(hù)齡期為7、28、90 d，達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后浸水24 h測(cè)其劈裂強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 各齡期下不同混合料劈裂強(qiáng)度

由圖3可知：劈裂強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，且同摻量的固化劑強(qiáng)度均高于水泥，表明固化劑固化風(fēng)積沙的抗拉性能強(qiáng)于水泥。固化劑摻量為6%對(duì)應(yīng)7 d劈裂強(qiáng)度為0.24 MPa，與同摻量水泥劈裂強(qiáng)度相近，但隨著齡期增長(zhǎng)，摻加固化劑的劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于水泥固化風(fēng)積沙的劈裂強(qiáng)度。與7 d的養(yǎng)護(hù)齡期相比，養(yǎng)護(hù)90 d后6%、8%、10%固化劑固化風(fēng)積沙的劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)了0.24、0.30、0.38 MPa，增速達(dá)到1倍以上。一方面，固化劑內(nèi)部不斷反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，水化硅鋁酸鈣等膠凝材料將砂粒黏結(jié)在一起；另一方面，固化劑中存在高分子聚合物，在試件內(nèi)部形成相互連接的“橋路”，兩者的協(xié)同作用提高了固化風(fēng)積沙的抗拉性能。

4.3 干縮試驗(yàn)

基層材料的干燥收縮是由于內(nèi)部水分的不斷減少導(dǎo)致的，宏觀上表現(xiàn)為試件體積變化。干縮達(dá)到一定程度后會(huì)使基層材料產(chǎn)生裂縫，影響道路正常使用。試件規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm，固化劑和水泥摻量為8%和10%。試件成型、養(yǎng)護(hù)及試驗(yàn)操作依據(jù)規(guī)范進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4表明：不同摻量固化劑和水泥固化風(fēng)積沙的累計(jì)失水率和累計(jì)干縮應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線變化趨勢(shì)大致相同，都表現(xiàn)為先快后慢。在試驗(yàn)開始的2 d內(nèi)試件內(nèi)部失水量較大，從3 d開始失水速率逐漸減小，到7 d趨于穩(wěn)定。而累積干縮應(yīng)變?cè)谠囼?yàn)前7 d內(nèi)增長(zhǎng)較快，7 d后開始變慢。同摻量的固化劑與水泥相比，失水量更小，這是由于粉煤灰內(nèi)部存在不參與反應(yīng)的微顆粒填充了砂顆粒間的空隙阻礙了毛細(xì)水的遷移，進(jìn)而減少了水分蒸發(fā)。

圖4 干縮試驗(yàn)結(jié)果

4.4 溫縮試驗(yàn)

溫縮試驗(yàn)試件尺寸及制作與干縮試驗(yàn)相同，將養(yǎng)生7 d后的試件烘干12 h后貼應(yīng)變片，放入高低溫交變箱中設(shè)置溫度區(qū)間為-15～45 ℃，溫度降低速率為0.5 ℃/min。將采集的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制4種混合料的溫縮系數(shù)與溫度關(guān)系圖(圖5)。

圖5 溫縮系數(shù)曲線

由圖5可知：隨著溫度升高，4種混合料的溫縮系數(shù)都表現(xiàn)為先降低后增大，在-5～5 ℃出現(xiàn)最小值，因?yàn)檫@個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，材料內(nèi)部部分自由水及重力水開始結(jié)冰，產(chǎn)生的膨脹力抵消掉部分溫縮變形。在-15～-5 ℃及溫度大于25 ℃時(shí)溫縮系數(shù)較大，說(shuō)明固化劑固化風(fēng)積沙會(huì)在寒冷或者高溫時(shí)產(chǎn)生較大的溫縮變形。同摻比的固化劑與水泥相比，溫縮系數(shù)較小，說(shuō)明其抵抗溫縮變形的能力強(qiáng)于水泥。

4.5 凍融循環(huán)試驗(yàn)

多次凍融循環(huán)作用后仍具有一定強(qiáng)度的性質(zhì)稱為材料的抗凍性。此次試驗(yàn)以凍融過(guò)程中的質(zhì)量損失率和抗凍系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)混合料的抗凍性。試件規(guī)格為φ150 mm×150 mm，每組18個(gè)試件，一半為凍融件，其余為對(duì)比件。試驗(yàn)操作按照規(guī)范進(jìn)行。凍融試驗(yàn)結(jié)果如圖6和表4所示。

圖6 不同凍融次數(shù)下試件質(zhì)量損失率

表4 試件凍融循環(huán)5次后抗凍系數(shù)

由圖6可知：在試驗(yàn)初期，4種混合料的質(zhì)量損失基本相同，但從第3次開始，質(zhì)量損失速率快速增加。相同摻量的固化劑與水泥相比，前者質(zhì)量損失更少，完成5次凍融循環(huán)后，水泥固化風(fēng)積沙的質(zhì)量損失率比固化劑高0.4%。固化劑摻量越高，試件強(qiáng)度損失與質(zhì)量損失越少。8%和10%固化劑固化風(fēng)積沙完成5次凍融循環(huán)后的抗凍系數(shù)都大于70%，滿足重凍區(qū)對(duì)石灰粉煤灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)層的抗凍要求。

4.6 經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)FCS型風(fēng)積沙固化劑經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，表5為10%固化劑和10%的32.5級(jí)水泥固化1 t風(fēng)積沙的費(fèi)用對(duì)比結(jié)果。

表5 摻加劑費(fèi)用分析結(jié)果

由表5可知：在10%的摻量下，F(xiàn)CS型固化劑固化1 t風(fēng)積沙所用材料的總費(fèi)用為74.82元，而32.5級(jí)水泥固化則需要80.33元。因此FSC固化劑相比32.5級(jí)水泥固化風(fēng)積沙所需成本更底，是一種優(yōu)良的固化材料。

5 結(jié)論

(1) FCS型固化劑固化風(fēng)積沙最優(yōu)含水率和最大干密度隨固化劑摻量增加而增加，相同摻比下都大于冀東32.5級(jí)水泥。

(2) 相同條件下，F(xiàn)CS型固化劑固化風(fēng)積沙的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度都高于水泥。隨摻量的增加，強(qiáng)度也在不斷增加。固化劑摻量一定時(shí)，強(qiáng)度隨齡期快速增長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率高于同摻比的水泥。

(3) 4種混合料的累計(jì)失水率和累計(jì)干縮應(yīng)變均呈現(xiàn)先快后慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)。從第7 d開始，失水率趨于穩(wěn)定。此時(shí)，試件的干縮應(yīng)變速率也開始變慢。FCS型固化劑固化風(fēng)積沙的干縮應(yīng)變小于水泥，抗干縮性能更強(qiáng)。

(4) 4種混合料的溫縮變化曲線為先降低后增加，在-5～5 ℃出現(xiàn)最小值，在-15～-5 ℃及溫度大于25 ℃時(shí)溫縮系數(shù)較大。相同摻比的固化劑與水泥相比，溫縮系數(shù)更小，抗溫縮性能更好。

(5) 凍融循環(huán)5次以后，摻量為8%和10%的固化劑固化風(fēng)積沙的質(zhì)量損失及強(qiáng)度損失都低于水泥，抗凍系數(shù)大于70%，達(dá)到重凍區(qū)的要求，抗凍性能強(qiáng)于32.5級(jí)水泥。

(6) FCS型固化劑比32.5級(jí)水泥更具有經(jīng)濟(jì)效益，固化1 t風(fēng)積沙所需費(fèi)用比水泥低5.51元。