風(fēng)積沙固化及其在路面基層中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

路竣杰,銀燕青,張栓柱,黃 鑫,王稷良,2,盧亞磊

(1.內(nèi)蒙古經(jīng)烏高速公路管理有限責(zé)任公司,赤峰 025366;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所,北京 100088;3.武漢長江存儲(chǔ)科技有限責(zé)任公司,武漢 430078)

2021年國務(wù)院頒布的《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》將西部地區(qū)公路建設(shè)列入戰(zhàn)略骨干通道建設(shè)工程。然而我國是世界上受沙漠化影響最為嚴(yán)重的國家之一,并且90%以上沙漠集中于西部地區(qū)。天然砂石作為交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)最為重要的集料之一,沙漠地區(qū)儲(chǔ)量匱乏,需要從較遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行運(yùn)輸,極大地拉高了筑路的經(jīng)濟(jì)成本及時(shí)間成本。因此,為加快工程進(jìn)度,降低筑路成本,應(yīng)充分利用沙漠地區(qū)儲(chǔ)量豐富天然集料-風(fēng)積沙。風(fēng)積沙是經(jīng)風(fēng)力搬運(yùn),然后沉積所形成的沙層,在沙漠區(qū)儲(chǔ)量極其豐富,運(yùn)用于基層有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)積沙在基層材料方面的應(yīng)用主要有兩條思路,一是利用固化劑固化風(fēng)積沙,二是以風(fēng)積沙代替細(xì)集料應(yīng)用于穩(wěn)定碎石體系之中。為此,針對(duì)風(fēng)積沙在路面基層中的應(yīng)用,綜述固化風(fēng)積沙的不同方式和風(fēng)積沙代替細(xì)集料應(yīng)用于穩(wěn)定碎石體系中的研究進(jìn)展,并對(duì)當(dāng)前研究中存在的問題和未來的研究方向進(jìn)行討論。

1 風(fēng)積沙的特性和固化方式

1.1 風(fēng)積沙特性

1)風(fēng)積沙的物理特性研究

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

表1 中國不同地區(qū)風(fēng)積沙的顆粒級(jí)配

在外觀形貌方面, Lopez-Querol等[5]利用SEM(掃描電鏡)對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行了形貌分析,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙顆粒形狀均勻,沒有銳邊。一般認(rèn)為由于運(yùn)輸過程顆粒之間的摩擦碰撞,風(fēng)積沙多為表面光滑的球狀顆粒,這還會(huì)導(dǎo)致風(fēng)積沙與結(jié)合料之間的粘結(jié)作用弱。

2)風(fēng)積沙的化學(xué)特性

為研究風(fēng)積沙的化學(xué)特性,相關(guān)學(xué)者對(duì)不同地區(qū)風(fēng)積沙的化學(xué)組成與礦物成分進(jìn)行了分析,如表2所示。風(fēng)積沙的主要化學(xué)成分均為二氧化硅,即具有富含硅質(zhì)的特點(diǎn)。從礦物學(xué)角度分析,風(fēng)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(shí),鄭木蓮[6]研究表明風(fēng)積沙中晶體占主導(dǎo)地位,不含活性物質(zhì)。因此,由于風(fēng)積沙基本沒有活性、粘性顆粒含量極少,其和水泥等結(jié)合料之間的粘結(jié)作用很弱,這導(dǎo)致風(fēng)積沙更加難以利用。

表2 不同地區(qū)風(fēng)積沙化學(xué)組成

1.2 風(fēng)積沙的固化方式

固化劑固化風(fēng)積沙主要是利用其膠結(jié)特性將風(fēng)積沙粘結(jié)在一起,從而形成強(qiáng)度。目前,國內(nèi)外關(guān)于固化風(fēng)積沙的研究,主要從工程固化風(fēng)積沙、微生物固化風(fēng)積沙和化學(xué)固化風(fēng)積沙三個(gè)方面展開。

1)工程固沙

工程固沙主要是通過將纖維材料、網(wǎng)布材料或加筋帶等土工合成材料按照一定的排列規(guī)則加入土中,從而提高沙的性能。鞏楨翰[7]研究發(fā)現(xiàn)加筋風(fēng)積沙對(duì)風(fēng)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(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行機(jī)械的約束,整體強(qiáng)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(chǎn)生碳酸根離子,在外加鈣源的條件下生產(chǎn)碳酸鈣沉淀,從而把松散的風(fēng)積沙顆粒膠結(jié)成一個(gè)整體。Tian等[8]進(jìn)行了利用巴氏芽孢桿菌和膠結(jié)液(尿素-氯化鈣)固化風(fēng)積沙的研究,采用微生物誘導(dǎo)成礦技術(shù),改善了固化風(fēng)積沙的力學(xué)性能,但其強(qiáng)度分布極不均勻。生物固沙雖然能夠大幅度提升固化風(fēng)積沙的性能,但是這種技術(shù)手段操作復(fù)雜,并且由于微生物分布不均勻的問題,導(dǎo)致其不同區(qū)域強(qiáng)度差異較大。因此,微生物固沙只適用于土壤修復(fù)領(lǐng)域,很難在道路材料領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3)化學(xué)固沙

化學(xué)固沙是指利用化學(xué)材料的膠結(jié)特性來固化風(fēng)積沙,因其具有強(qiáng)度較高、工藝簡單、對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。崔強(qiáng)[3]、張向東[9]、Li[10]等開展了水泥固化風(fēng)積沙的研究,結(jié)果表明固化風(fēng)積沙強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而上升,一般當(dāng)水泥摻量為10%～12%,固化風(fēng)積沙28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2～3 MPa。相關(guān)機(jī)理表明無機(jī)結(jié)合料固化風(fēng)積沙主要通過結(jié)合料的水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠填充于風(fēng)積的沙孔隙之間,將風(fēng)積沙顆粒粘結(jié)在一起,從而形成強(qiáng)度,但是由于風(fēng)積沙表面比較光滑,并且水泥等結(jié)合料的粘結(jié)性較差,導(dǎo)致水泥等材料很難與風(fēng)積沙良好的粘結(jié)在一起。

有研究者提出利用瀝青乳液、合成樹脂等有機(jī)材料自身的粘結(jié)特性固化風(fēng)積沙,顯著改善了風(fēng)積沙的承載能力。雖然有機(jī)固化劑能夠改善固化風(fēng)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(jī)固化風(fēng)積沙也很難應(yīng)用于路面基層材料領(lǐng)域。還有研究者提出有機(jī)-無機(jī)復(fù)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(jié)合料,有機(jī)結(jié)合料和無機(jī)結(jié)合料的攪拌均勻性很難控制。因此,復(fù)合固化風(fēng)積沙也很難應(yīng)用于路面基層材料之中。綜上,由于有機(jī)固化風(fēng)積沙和復(fù)合固化風(fēng)積沙存在各種問題,因此,無機(jī)結(jié)合料固化風(fēng)積沙是最為經(jīng)濟(jì)有效的手段。

2 風(fēng)積沙在路面基層中的應(yīng)用

2.1 風(fēng)積沙應(yīng)用于路面基層時(shí)面臨的問題

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

1)由于風(fēng)積沙表面光滑、近似球形,導(dǎo)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(jié)作用較弱,從而造成水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙路面基層材料強(qiáng)度低、抗沖刷性能差。樊新舟[13]、馬士賓等[14]采用正交實(shí)驗(yàn)研究了水泥摻量、碎石集配、風(fēng)積沙摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明風(fēng)積沙的摻入嚴(yán)重影響了水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙的力學(xué)性能。

2)由于風(fēng)積沙顆粒細(xì)小、均勻,導(dǎo)致材料內(nèi)部毛細(xì)孔數(shù)目增多,從而引起材料收縮增大。陳立兵等[15]對(duì)水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙的收縮抗裂性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明過多風(fēng)積沙的摻入使得材料小顆粒數(shù)目增多,使水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)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(duì)上述問題國內(nèi)外相關(guān)研究少有解決方案,相對(duì)主流的改善方案是提高水泥用量。但水泥用量提高,不僅會(huì)造成基層材料的成本增大,還會(huì)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙的抗收縮性能帶來負(fù)面影響,因此需進(jìn)行水泥摻量等參數(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙材料性能影響的研究。

2.2 水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙材料的研究進(jìn)展

目前,關(guān)于水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙材料的研究主要集中于風(fēng)積沙摻量、水泥摻量、含水率以及碎石級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙性能(力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能)的影響。

郭根勝等[16]研究了水泥摻量、風(fēng)積沙摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能的影響,結(jié)果表明在最佳含水率13%下,對(duì)于相同級(jí)配的混合料,水泥摻量增加 1%,混合料的強(qiáng)度增加0.8～1.3 MPa且7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值滿足中國二級(jí)及二級(jí)以下公路的基層強(qiáng)度要求。

張飛陽[17]對(duì)水泥加固風(fēng)積沙地基的抗拔極限承載力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明當(dāng)含水率為3%時(shí),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(shí),抗拔極限承載力達(dá)到峰值;當(dāng)含水率為5%時(shí),地基試樣的抗拔極限承載力隨水泥摻量呈線性關(guān)系增加。而當(dāng)水泥摻量一定時(shí),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(dá)到一定程度時(shí)趨于穩(wěn)定。

李德超[18]在研究水泥早強(qiáng)劑穩(wěn)定沙的抗壓強(qiáng)度時(shí),結(jié)果顯示,當(dāng)水泥摻量分別為10%、12%、14%和16%時(shí),水泥早強(qiáng)劑穩(wěn)定沙的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥劑量增加而升高,但在水泥摻量達(dá)到16%時(shí),抗壓強(qiáng)度反而降低。

以上研究均證明隨水泥摻量的增加,材料強(qiáng)度會(huì)提高,而當(dāng)水泥摻量達(dá)到一定程度時(shí),材料強(qiáng)度反而降低;隨著風(fēng)積沙摻量的增加,碎石所占比例逐漸下降,由于風(fēng)積沙不易固化,會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降;且碎石級(jí)配對(duì)穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙強(qiáng)度的影響最小。

進(jìn)一步分析,在整個(gè)體系之中顆粒細(xì)小的風(fēng)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(jí)配的碎石,孔隙率不同,在風(fēng)積沙摻量相同的情況下,風(fēng)積沙對(duì)其孔隙的填充情況也不同。理論上,當(dāng)碎石之間的孔隙能夠容納風(fēng)積沙的前提下,穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙的強(qiáng)度會(huì)隨著風(fēng)積沙強(qiáng)度的增加而增大,當(dāng)孔隙不足以容納風(fēng)積沙時(shí),強(qiáng)度才會(huì)開始降低。而不同級(jí)配的碎石,孔隙率不同,因此風(fēng)積沙的最佳摻量也不同。

以上分析,一方面若明確風(fēng)積沙充盈系數(shù)(固化風(fēng)積沙體積/碎石孔隙體積)、碎石級(jí)配之間的相互關(guān)系以及它們對(duì)穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙力學(xué)性能、耐久性能的影響規(guī)律,這將有助于設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)異的固化劑穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙基層材料;另一方面,風(fēng)積沙本身屬于特細(xì)砂,僅用風(fēng)積沙和碎石結(jié)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(xì)的礦渣加入集料中,不僅可以通過調(diào)節(jié)礦渣的粒徑,從而達(dá)到填充風(fēng)積沙的孔隙的作用,同時(shí)僅需要加入適當(dāng)?shù)膲A激發(fā)劑,引入的礦渣和水泥即可形成水泥-堿激發(fā)礦渣雙膠凝體系,對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)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(diǎn),其研究結(jié)果表明用超細(xì)礦渣替代等量水泥可使硬化后期水泥漿體結(jié)構(gòu)更加致密。

綜上所述,目前對(duì)水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙基層材料的研究主要在水泥摻量等參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能方面,而對(duì)于風(fēng)積沙充盈系數(shù)與碎石級(jí)配之間的相互關(guān)系和抑制收縮開裂的研究相對(duì)較少,還需進(jìn)一步深入探討。

3 結(jié)論與展望

無機(jī)結(jié)合料固化風(fēng)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(qū)進(jìn)行公路建設(shè)時(shí)可以利用儲(chǔ)量極為豐富的風(fēng)積沙,實(shí)現(xiàn)其資源化利用,降低成本。從以上關(guān)于風(fēng)積沙應(yīng)用于路面基層的國內(nèi)外研究中,可以得出以下結(jié)論:

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

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

c.風(fēng)積沙應(yīng)用于路面基層材料的難點(diǎn)在于風(fēng)積沙顆粒較細(xì)引起的集料間嵌擠作用弱問題、風(fēng)積沙與結(jié)合料之間粘結(jié)作用弱問題以及結(jié)合料摻入引起的收縮問題。風(fēng)積沙應(yīng)用于路面基層主要依靠與碎石達(dá)到合適級(jí)配形成集料,同時(shí)還有加入水泥固化風(fēng)積沙,因此主要應(yīng)用是制備水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙基層材料。在相關(guān)研究中,水泥摻量、風(fēng)積沙摻量、含水率和碎石級(jí)配對(duì)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(jìn)一步研究。同時(shí),如何設(shè)計(jì)無機(jī)結(jié)合劑,使其在改善固化風(fēng)積沙力學(xué)性能的同時(shí)降低固化風(fēng)積沙的收縮,并將其應(yīng)用至水泥穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙基層材料中以及明確風(fēng)積沙充盈系數(shù)(固化風(fēng)積沙體積/碎石孔隙體積)、碎石級(jí)配之間的相互關(guān)系以及它們對(duì)穩(wěn)定碎石風(fēng)積沙力學(xué)性能、耐久性能的影響規(guī)律均可能作為今后的研究方向。