无机处治风积沙强度特性及工程应用研究

冉 武 平， 赵 杰， 黄 文 薏， 于 江 波

( 新疆大学 建筑工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830047 )

0 引 言

风积沙作为荒漠地区的一种特殊道路建筑材料，在西部地区特别是在新疆地区广泛分布．但由于其级配不良，颗粒无黏性，一方面松散不易压实，稳定性差，另一方面工程力学性质较差，主要表现在回弹模量较低、稳定性较差[1]，故而限制了风积沙的应用，尤其是在路面结构层中的应用．因此如何改善风积沙的工程特性和力学特性，从而将其广泛应用于道路工程建设是荒漠地区公路建设所面临的共同难题．

目前关于无机处治稳定料的相关研究已开展了很多．Attoh-Okine[2]对石灰改良红土的效果开展了试验研究；Bell[3]对石灰处治有机质软土的力学特性和硬化特征开展了研究．Al-Abdul Wahhab等[4]开展了干旱区高速公路建设过程中对不良填料水泥石灰处治关键技术的研究；Miller 等[5-6]对土料用水泥窑粉尘改良后的性能进行了研究，指出塑性指数越大其无侧限抗压强度增大的幅度越小；Al-Rawas等[7]研究了石灰、水泥和人造火山灰处治膨胀土的效果，提出石灰处治效果最优，且石灰含量达到6%时，膨胀土的膨胀量和膨胀压力均减小到零．在国内，沙庆林[8]早在20世纪70年代就在我国多地开展了一系列石灰土、二灰土改良效果的试验研究．自此国内很多学者针对无机胶结料处治风积沙等不良土质借助数值模拟和试验开展了强度形成机理、强度特性以及路用性能等研究[9-12]．

综上所述，在公路建设项目中风积沙作为路基材料甚至是盐渍土地区盐渍化处治的应用已有了研究，但如何通过处治后，根据其不同的力学特性将其应用于路面结构中还亟须进行深入研究．为此，本文借助室内试验，针对风积沙开展石灰处治、水泥石灰处治和石灰粉煤灰(二灰)处治的试验研究，明确其力学特性，为其在道路结构工程全面应用提供理论基础．

1 试验材料及方案

1.1 试验材料的选择

试验采用的石灰为钙质生石灰，用滴定试验测得有效氧化钙、氧化镁含量为56.73%；水泥选取普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5R；粉煤灰为二级干灰，烧失量小于20%， SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量大于总量的70%，粉煤灰的比表面积大于2 500 cm2/g，满足规范要求．

风积沙取自托克逊县境内的天然沉积风积沙，相对密度为1.62，其级配组成如图1所示．通过计算可知，风积沙的最大粒径小于5 mm，94.65%的粒径小于0.5 mm，仅有6.08%的粒径小于0.074 mm；从曲线中可以看到该风积沙的粒径主要集中在0.074～0.500 mm，经计算风积沙的不均匀系数为3.57，不均匀系数小于5属于级配不良的匀粒土．

图1 风积沙级配曲线Fig.1 The aeolian sand grading curve

1.2 试验段道路结构及路基材料

本研究拟对风积沙采用石灰处治、水泥石灰处治和二灰处治3种处治方案．根据文献调研可知：石灰稳定细粒土的石灰用量一般控制在15%以内[13]，考虑到风积沙黏粒含量少，为充分发挥石灰的胶凝作用和获取较高的干密度，故选择如表1所示的石灰用量；而对于水泥石灰处治风积沙，水泥固化反应后具有较大的干缩性[14]，为防止开裂水泥用量一般控制在4%～6%[15]，本研究则将水泥最大剂量控制在5%以下，水泥石灰配比控制在1∶1.5，故选择如表2所示的水泥石灰

表1 石灰处治风积沙方案Tab.1 The plan of lime treated aeolian sand

表2 水泥石灰处治风积沙方案Tab.2 The plan of cement lime treated aeolian sand

混合剂量；细粒土的二灰最佳掺量一般为30%～40%，其中石灰和粉煤灰的配比为1∶2左右时，处治土的性能较好[16-17]，鉴于此，本研究选择如表3所示的配比方案，展开无机胶结料处治风积沙的回弹模量和无侧限抗压强度试验研究．

表3 二灰处治风积沙方案Tab.3 The plan of two ash treated aeolian sand

2 试验结果分析

2.1 无机处治风积沙最大干密度

最大干密度ρdmax和最佳含水量C是施工质量评定的重要指标参数，通过击实试验得出不同无机处治风积沙的最大干密度和最佳含水量如图2所示．

由图2(a)可知，石灰处治风积沙随石灰用量w增加，最佳含水量不断增加．而在石灰用量小于10%时，随着石灰用量增加最大干密度不断增加；当石灰用量超过10%时，随着石灰用量增加最大干密度不断减小，在石灰用量达到10%左右时干密度最大，且可达1.9 g/cm3．这主要是由于石灰含量较少时，石灰的添加大大改善了风积沙的液塑限，从而提高了处治料的黏聚性，减小了孔隙率，干密度总体增加；随着石灰用量的继续增加，由于石灰自身的密度小，较疏松，处治料的需水量大大增加，导致干密度反而减小．

由图2(b)可知，水泥石灰处治风积沙随胶结料含量增加，最佳含水量不断增加，最大干密度也总体在增大．但在水泥石灰含量较低时，随着胶结料含量增加，最大干密度增幅较大，而当用量超过10%时，最大干密度增幅减小．这主要是因为在胶结料中将40%的石灰用水泥替代，不仅改善了混合料的颗粒级配，同时由于水泥较强的胶结作用，在一定的击实功下，颗粒之间更容易达到密实状态．但随着胶结料总用量不断增加，其中的石灰用量也不断增加，故而石灰对处治料的密度影响不断加剧，使干密度的增长速度逐渐减缓．

由图2(c)可知，当二灰含量超过28%时，随二灰含量的增加，最佳含水量不断增加，最大干密度不断减小，且含量越高干密度减小速度越快．这是因为粉煤灰微观结构系空心球体，粉煤灰和石灰细度大、自身密度小，且处治料需水量增大，故而随着二灰用量的增加，处治料的最佳含水量增加，最大干密度则呈显著的减小趋势．

(a) 石灰处治风积沙

(b) 水泥石灰处治风积沙

(c) 二灰处治风积沙

图2 无机胶结料处治风积沙的最大干密度和最佳含水量

Fig.2 Maximum dry density and optimum moisture content of inorganic binder treated aeolian sand

2.2 无机处治风积沙回弹模量

回弹模量作为道路结构设计的重要参数，直接影响道路结构组合和厚度的选择．因而开展无机处治风积沙回弹模量的研究，可明确不同胶结料处治的风积沙结构力学性能及其适用性．本研究利用强度仪法研究了7 d龄期的石灰处治、水泥石灰处治、二灰处治风积沙回弹模量，具体研究结果见图3．

由图3(a)可知，石灰处治风积沙7 d回弹模量，在4%的石灰用量时为15.1 MPa，随着石灰用量增加至6%、8%、10%和12%时，较4%石灰用量，其回弹模量分别增加了13.2%、31.1%、42.4%和47.0%．也即随着石灰用量的增加石灰处治风积沙的回弹模量总体在不断增大，只是当石灰用量较低时，增幅较大，而当石灰用量较高时增幅较小．这是由于处治料中石灰的钙离子与风积沙中的硅铝物质发生离子交换，絮团凝聚作用使得风积沙的散粒状结构发生了变化，从而达到稳定风积沙的效果[9]，提高了其回弹模量．但是随着石灰用量的不断增加，风积沙中的硅铝物质含量却不变，影响到了胶凝反应的效率．因而出现了随石灰用量增加，回弹模量增长速度先快后缓的现象．

(a) 石灰处治风积沙

(b) 水泥石灰处治风积沙

(c) 二灰处治风积沙

图3 无机胶结料处治风积沙7 d回弹模量

Fig.3 7 d resilient modulus of inorganic binder treated aeolian sand

由图3(b)可知，水泥石灰处治风积沙7 d回弹模量，在6%的水泥石灰用量时为59.8 MPa；随着水泥石灰用量增加至8%、10%和12%，其回弹模量分别增加了19.6%、41.1%和60.0%，近似呈线性增大．对比石灰处治风积沙的回弹模量变化规律可知，水泥石灰处治风积沙的回弹模量要明显优于石灰处治风积沙．这是因水泥石灰处治后，水泥能在风积沙中形成坚固的核心，在孔隙中形成水泥骨架，以约束风积沙．同时水泥中富含硅铝化合物，可以很好地和石灰中多余的钙离子进行化学反应，从而大大提高处治风积沙的力学性能．

由图3(c)可知，二灰处治风积沙7 d的回弹模量在粉煤灰用量为20%不变的情况下，随石灰用量的增加而增加．从8%时的88.7 MPa，分别增加了10.4%、26.8%和47.8%，石灰用量对强度的影响显著．与其他两种处治风积沙的回弹模量特性对比，二灰处治风积沙的效果最佳．这是因粉煤灰的加入提供了较多的活性硅铝矿物，从而在石灰的碱性激发与相互作用下生成含水硅铝酸钙．这些新生物胶凝结晶后，具有较强的胶结能力和稳定性[11]．因此就7 d回弹模量而言，其处置效果要远远优于石灰处治风积沙，且较水泥石灰处治风积沙效果也好．

2.3 无机处治风积沙无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是反映无机处治稳定料自身抗压能力的重要力学特性指标，它能准确反映改性风积沙抵抗轴向压力的力学特性．试验结果如图4所示．

由图4(a)可知，石灰处治风积沙的石灰用量分别为4%、6%、8%、10%和12%时，其7 d无侧限抗压强度分别为3.42、3.68、3.95、3.87和3.68 MPa．从变化规律可以看出石灰处治风积沙的7 d无侧限抗压强度随着石灰用量的增加，先增大后减小，在石灰用量为8%左右，7 d无侧限抗压强度达到最大值3.95 MPa，能达到最佳的处治效果．石灰处治风积沙会产生两种相反的作用：一种作用是使土颗粒联结起来，包括离子交换、结晶作用、火山灰反应和碳酸化反应促使胶结料的强度增强；另一种作用是未参与反应的生石灰削弱风积沙之间的联结作用．石灰的用量为4%时由于石灰用量较少主要起联结作用，随着石灰用量的增加残余的生石灰就会越来越多，当石灰用量超过8%时削弱作用就会成为主要影响因素，故无机胶结料的无侧限抗压强度会降低．石灰处治风积沙的无侧限抗压强度存在最佳的石灰用量．

由图4(b)可知，水泥石灰处治风积沙的7 d无侧限抗压强度随着水泥石灰总用量的增加而增大且几乎呈线性变化．在胶结料含量为6%、8%、10%和12%时，其7 d无侧限抗压强度分别为4.0、4.3、4.8和5.1 MPa．与石灰处治风积沙的无侧限抗压强度相比，在胶结料相同的情况下，水泥用量越大，无侧限抗压强度越大．这主要是由于水泥发生了离子交换和团粒化反应，使得风积沙团聚成为颗粒较大的风积沙，提高了风积沙的整体强度；水泥发生的硬凝反应使风积沙的孔隙率减小，变得更加密实，未参与反应的水泥因自身硬凝使风积沙中产生水泥骨架有利于强度的提高．水泥与石灰的离子交换作用、碳酸化作用和火山灰反应等共同提高了无机胶结料的无侧限抗压强度．水泥对于风积沙的稳定效果从强度形成机理上比石灰处治风积沙效果更好，且其无侧限抗压强度要明显优于石灰处治风积沙，因此用水泥石灰处治风积沙的综合效果要更好．

(a) 石灰处治风积沙

(b) 水泥石灰处治风积沙

(c) 二灰处治风积沙

图4 无机胶结料处治风积沙7 d无侧限抗压强度

Fig.4 7 d unconfined compressive strength of inorganic binder treated aeolian sand

由图4(c)可知，二灰处治风积沙在粉煤灰用量为20%不变的情况下，随着石灰用量的增加其7 d无侧限抗压强度也逐渐增加，当石灰的用量超过12%时强度增长缓慢．二灰处治风积沙在胶结料含量28%时，其7 d无侧限抗压强度为2.6 MPa，当胶结料含量增加至30%、32%和34%时， 强度增加7.7%、19.2%和23.1%．7 d无侧限抗压强度主要是风积沙自身的嵌挤作用与石灰和粉煤灰填充后发生的火山灰反应及结晶作用产生胶凝物提供．在石灰用量为8%时，由于石灰的用量较少，石灰与粉煤灰发生的火山灰反应消耗的粉煤灰有限，残余的粉煤灰由于早期强度低，还会影响风积沙之间的联结作用；随着石灰用量的增加，石灰与粉煤灰之间的火山灰作用更加充分，强度会增高；但石灰用量继续增加，则会有部分石灰残余，这将影响二灰与风积沙之间的联结作用．故二灰处治风积沙的无侧限抗压强度在胶结料较少时较低，随着石灰用量的增加，逐渐提高，且石灰用量达到一定值之后增速变缓；继续增加石灰用量二灰处治风积沙的强度会降低．由此可知，粉煤灰用量为20%、石灰用量为12%时用料最为经济合理．

3 结 论

(1)石灰、水泥石灰、二灰处治后的风积沙回弹模量都显著提高，且随着胶结料的增加，回弹模量均呈增长趋势．其中二灰处治风积沙回弹模量最大，超过100 MPa，水泥石灰处治风积沙回弹模量接近100 MPa，石灰处治风积沙回弹模量最小，仅为20～30 MPa．

(2)石灰、水泥石灰、二灰处治后的风积沙的无侧限抗压强度都显著提高，且随着胶结料的增加，水泥石灰处治和二灰处治风积沙无侧限抗压强度呈现出增长趋势，其强度值分别为4～5 MPa和2～3 MPa，而石灰处治风积沙无侧限抗压强度则先增大后减小，其强度值为3～4 MPa，最高强度值对应石灰用量为8%左右．因此就无侧限抗压强度性能指标而言，水泥石灰处治效果最佳，石灰处治效果其次，而二灰处治效果最差．

(3)石灰处治风积沙的无侧限抗压强度变化规律呈抛物线型，石灰的最佳用量为8%．水泥石灰处治风积沙的无侧限抗压强度随水泥石灰的用量呈线性增加，水泥石灰处治风积沙的强度高于石灰处治风积沙．二灰处治风积沙的无侧限抗压强度在粉煤灰用量确定时与石灰用量密切相关，初始随石灰用量的增加，无侧限抗压强度线性增长，随石灰用量的继续增加，增长缓慢，石灰用量为12%时能达到最佳的效果．

(4)从上述无机处治风积沙强度特性来看，水泥石灰处治风积沙总体效果最好，因此建议可将其作为高等级公路的底基层和低等级公路的基层；而二灰处治风积沙由于其回弹模量较高而无侧限抗压强度相对较低，可作为风积沙地区路基的最优处治方法和技术应用；石灰处治风积沙亦可作为低等级公路的底基层和风积沙地区路基．

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