固化风积沙底基层路用性能研究

2022-01-12苏跃宏吕川王晓敏任栋栋

中外公路 2021年6期

苏跃宏，吕川，王晓敏，任栋栋

(内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古呼和浩特 010000)

1 前言

风积沙是经风吹、沉淀以后形成的沙层，具有黏聚力差、颗粒松散、颗粒表面活性低且级配不良等特性，广泛分布于中国西部的戈壁和沙漠。由于风积沙不易形成整体，难以在工程建设中应用，所以有必要研制风积沙固化剂，对其进行固化处理。目前，被人们广泛使用的固化材料包括水泥、粉煤灰、石灰等。固化材料与砂加水拌和后，混合料内部进行一系列物理化学反应，在砂粒间产生黏结物质，达到固化风积沙的效果。对不同材料固化风积沙进行强度及耐久性试验，学者们研制出各种类型的风积沙固化剂，其中部分固化剂得到成功应用和推广。另一方面，粉煤灰作为煤燃烧后的残留物，若将其应用于建筑领域，既能减少土地占用，又可以变废为宝。宋亮研究了粉煤灰掺量对水泥稳定路面回收率强度和收缩性能的影响，并确定了粉煤灰的最佳掺量；邹桂莲采用水泥粉煤灰作为结合料稳定再生骨料，研究了各因素对水泥粉煤灰稳定碎石路用性能的影响效果。

该文以FCS型固化剂固化风积沙作为研究对象，进行击实试验、无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、干缩试验、温缩试验及冻融循环试验，与冀东32.5级水泥进行对比，研究其作为底基层材料的路用性能及经济效益。

2 试验材料

2.1 风积沙

风积沙取自内蒙古库布其沙漠，对风积沙进行筛分试验，结果见表1。

表1 风积沙粒径分布

2.2 固化剂

FCS型固化剂是以高钙粉煤灰为基质材料的固化剂，通过水泥粉煤灰胶砂试验，确定其配合比为：粉煤灰∶石灰∶石膏∶激发剂∶增强材料A∶交联剂B=60∶21.3∶3∶1.5∶14∶0.2。粉煤灰化学成分见表2，其主要成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3和CaO，且CaO含量为18.08%(>10%)，属于高钙粉煤灰；石灰选用二级石灰；石膏为α半水石膏(CaSO4·0.5H2O)。激发剂为自制的粉煤灰活性激发剂。增强材料A可以提升固化效果，是固化剂的重要组成部分。交联剂B为高分子聚合物。对比试验选取的水泥为冀东32.5级普通硅酸盐水泥，密度为2.9×103kg/m3,细度为1.2%，标准稠度用水量为30.2%，体积安定性合格，初凝时间为264 min，终凝时间为347 min，烧失量为1.03%。

表2 粉煤灰主要化学成分 %

3 击实特性

3.1 风积沙击实试验

风积沙击实试验选用重型击实，按照规程进行，试验结果见图1。

图1 风积沙击实曲线

由图1可知：随着含水率增加，风积沙干密度呈现先降低后上升再降低的变化规律。当含水率为10.54%时，风积沙干密度值最大，为1.709 g/cm3。

3.2 混合料击实试验

成型试件前必须要进行击实试验，确定不同混合料的最大干密度和最佳含水量。依据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行固化剂和水泥掺量为6%、8%、10%混合料的击实试验。结果如表3所示。

表3 击实试验结果

表3表明:随着固化剂与水泥掺量增加，混合料最大干密度都增加。同掺比情况下，固化剂固化风积沙的最大干密度均大于水泥，说明前者固化风积沙密实程度高于水泥固化。

4 固化风积沙路用性能研究

4.1 无侧限抗压强度试验

依据击实试验结果制备材料，压实度控制为95%，采用φ50 mm×50 mm圆柱形试模，试件制作与养护严格按照规范要求，养护7、14、28 d后进行无侧限抗压强度试验，结果如图2所示。

(注：图中s代表水泥，s6代表水泥掺量6%，g代表FCS型固化剂，其他类似，下同)

由图2可知：随养护龄期增长，试件抗压强度提高。各龄期下的固化剂固化风积沙强度都高于同掺量水泥固化的强度，而且固化剂掺量对试件抗压强度影响较大。固化剂掺量为8%和10%的抗压强度比6%高出0.5、1.9 MPa。随着养护龄期增长，混合料无侧限抗压强度也在继续增大。相比7 d的强度，养护28 d后分别提高了1.4、1.9、1.7 MPa。依据JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》可知：6%固化剂掺量满足规范中水泥粉煤灰稳定类底基层二级及二级以下公路中、轻交通的要求；8%固化剂掺量满足二级及二级以下公路重交通的要求；10%固化剂掺量满足高速公路和一级公路底基层的强度要求。

固化剂固化风积沙试件能达到上述强度是因为固化剂与风积沙拌和后，石灰与水反应产生的Ca(OH)2创造了碱性环境，Ca(OH)2与粉煤灰中的Al2O3、SiO2发生火山灰反应，生成的胶凝物质填充了砂颗粒间的空隙并将其胶结起来。同时，激发剂促进了粉煤灰早期的火山灰活性发挥速度，使得固化剂固化风积沙有更高的强度。

4.2 劈裂强度试验

劈裂强度间接反映了半刚性基层的抗拉性能，是路面设计的一个重要参数。试件尺寸与制作同无侧限抗压强度试件，养护龄期为7、28、90 d，达到养护龄期后浸水24 h测其劈裂强度，结果如图3所示。

图3 各龄期下不同混合料劈裂强度

由图3可知：劈裂强度随着养护龄期的增长而增长，且同掺量的固化剂强度均高于水泥，表明固化剂固化风积沙的抗拉性能强于水泥。固化剂掺量为6%对应7 d劈裂强度为0.24 MPa，与同掺量水泥劈裂强度相近，但随着龄期增长，掺加固化剂的劈裂强度增长幅度远大于水泥固化风积沙的劈裂强度。与7 d的养护龄期相比，养护90 d后6%、8%、10%固化剂固化风积沙的劈裂强度增长了0.24、0.30、0.38 MPa，增速达到1倍以上。一方面，固化剂内部不断反应，生成水化硅酸钙，水化硅铝酸钙等胶凝材料将砂粒黏结在一起；另一方面，固化剂中存在高分子聚合物，在试件内部形成相互连接的“桥路”，两者的协同作用提高了固化风积沙的抗拉性能。

4.3 干缩试验

基层材料的干燥收缩是由于内部水分的不断减少导致的，宏观上表现为试件体积变化。干缩达到一定程度后会使基层材料产生裂缝，影响道路正常使用。试件规格为100 mm×100 mm×400 mm，固化剂和水泥掺量为8%和10%。试件成型、养护及试验操作依据规范进行。试验结果如图4所示。

图4表明：不同掺量固化剂和水泥固化风积沙的累计失水率和累计干缩应变与时间的关系曲线变化趋势大致相同，都表现为先快后慢。在试验开始的2 d内试件内部失水量较大，从3 d开始失水速率逐渐减小，到7 d趋于稳定。而累积干缩应变在试验前7 d内增长较快，7 d后开始变慢。同掺量的固化剂与水泥相比，失水量更小，这是由于粉煤灰内部存在不参与反应的微颗粒填充了砂颗粒间的空隙阻碍了毛细水的迁移，进而减少了水分蒸发。

图4 干缩试验结果

4.4 温缩试验

温缩试验试件尺寸及制作与干缩试验相同，将养生7 d后的试件烘干12 h后贴应变片，放入高低温交变箱中设置温度区间为-15～45 ℃，温度降低速率为0.5 ℃/min。将采集的数据计算结果绘制4种混合料的温缩系数与温度关系图(图5)。

图5 温缩系数曲线

由图5可知：随着温度升高，4种混合料的温缩系数都表现为先降低后增大，在-5～5 ℃出现最小值，因为这个温度区间内，材料内部部分自由水及重力水开始结冰，产生的膨胀力抵消掉部分温缩变形。在-15～-5 ℃及温度大于25 ℃时温缩系数较大，说明固化剂固化风积沙会在寒冷或者高温时产生较大的温缩变形。同掺比的固化剂与水泥相比，温缩系数较小，说明其抵抗温缩变形的能力强于水泥。

4.5 冻融循环试验

多次冻融循环作用后仍具有一定强度的性质称为材料的抗冻性。此次试验以冻融过程中的质量损失率和抗冻系数来评价混合料的抗冻性。试件规格为φ150 mm×150 mm，每组18个试件，一半为冻融件，其余为对比件。试验操作按照规范进行。冻融试验结果如图6和表4所示。

图6 不同冻融次数下试件质量损失率

表4 试件冻融循环5次后抗冻系数

由图6可知：在试验初期，4种混合料的质量损失基本相同，但从第3次开始，质量损失速率快速增加。相同掺量的固化剂与水泥相比，前者质量损失更少，完成5次冻融循环后，水泥固化风积沙的质量损失率比固化剂高0.4%。固化剂掺量越高，试件强度损失与质量损失越少。8%和10%固化剂固化风积沙完成5次冻融循环后的抗冻系数都大于70%，满足重冻区对石灰粉煤灰稳定类结构层的抗冻要求。