無機結合料穩定風積沙公路用的性能實踐

李文君

摘 要：水泥穩定風積沙技術的推出，使修路成本節約了30%以上，施工現場也智能環保，省時省力。將風積沙鑄路技術應用對荒漠化綜合治理當中，能夠為國內外沙漠地區治理提供技術支撐，為沙產業的發展作出應有的貢獻。石灰土干縮和溫縮比較明顯。水泥土干縮系數、干縮應變以及溫縮系數的比較：粒料的系數小于土。二灰土：抗凍性比石灰土好。（因為有孔，羽絨服抗凍）。收縮性小于水泥土和石灰土。（因為有孔，結構具有一定的伸縮性）。本研究首先從干縮特性研究、溫縮特性研究兩個方面分析了半剛性基層收縮性能與規律研究現狀，然后進行了原材料分析。

關鍵詞：風積沙 公路用 無機結合料 性能

我國沙漠眾多，大多數在東經75°～125°、北緯30°～50°之間分布，面積達到了130.8萬平方公里左右，占國土總面積的13.6%左右，主要包括毛烏素、巴丹吉、塔克拉瑪干、騰格爾、吉爾班通古特沙漠，同時大多數在我國西北部分布，該地區具有充沛的熱量、較大的晝夜溫差，通常情況下平均日溫差、最高日溫差分別達到10℃～20℃、30℃，且具有干旱的氣候、較少的降水量，一些地方年降水量在0 mm左右，而年蒸發量卻達到幾百到幾千毫米以上[1]。由于沙漠地區具有惡劣的氣候、稀少的人煙、落后的經濟，因此具有較少的公路數量、較低的等級。近年來，沙漠公路在我國飛速發展的公路事業作用下也得到了飛速發展。同時，有豐富的稀有金屬、煤、天然氣、石油等礦產資源蘊藏在沙漠地區，在國內經濟發展中是一個新亮點，在我國能源開發中是一個新基地。對這些資源進行開發與利用，交通必須先行，需要將越來越多的沙漠公路修建起來，同時，沙漠公路的等級也越來越高，標準也越來越高，這必然將更高的要求提給公路設計者，使其將技術要求、經濟性進一步提升[2]。但是，現階段修筑的沙漠公路具有極高的工程造價，原因為沙漠地區具有相對貧乏的筑路材料，遠運的天然砂礫石是全部路面基層材料。因此，依據就地取材原則，目前沙漠公路建設需要將如何對風積沙合理利用起來作為底基層鋪筑材料的問題，從而將建設費用顯著節省下來。

1 半剛性基層收縮性能與規律研究現狀

1.1 干縮特性研究

①美國K.P.喬治等人研究發現，在具有相同的其他條件的情況下，水泥土收縮隨著土中<0.002 mm粘粒含量的增多而增大，試件干縮應變隨著密實度的增大而減小，隨著制件含水量的增大而增大。對大部分土，混合料梁式試件干縮應變隨著水泥級劑量的增加開始減小，并達到一個最小值，之后隨著水泥劑量的增加而在一定程度上增加[3]；②澳大利亞R.E.洛林斯對水泥穩定粒料的干縮特性進行了研究，發現如果粒料土具有較多的<0.425 mm顆粒含量、較大的塑性指數與線收縮，那么其用水泥處治后就具有較大的干縮值，達到了770×101，而如果粒料土具有較少的<0.425 mm顆粒含量、較小的塑性指數與線收縮，那么其用水泥處治后就具有較小的干縮值，只有190×101，二者比例為4：1。水泥穩定粒料土的干縮應變受到制件含水量的顯著影響，隨著粒料土塑性的改變，影響程度也不斷改變。塑性粒料土的干縮應變也受到水泥劑量的較大影響。一方面檢測水泥穩定類、石灰粉煤灰類、石灰穩定類基層試驗路力學性質與穩定性，另一方面觀測分析裂縫，將一些定性結論獲取了過來，也將一些定量結論獲取了過來，包括大量的室內試驗，即含水量、壓實度、土質情況是半剛性材料干縮性能的主要影響因素，水泥土的干縮系數最大，其次為水泥粒料土，最后為水泥粒料；二灰土的干縮系數大于密實式二灰粒料；石灰石的干縮系數大于石灰粒料土；通常情況下，與溫度收縮值相比，石灰粉煤類、石灰類半剛性材料具有較大的干燥收縮值。

1.2 溫縮特性研究

鄭南翔老師（西安公路學員→長安大學）電測試驗了幾種半剛性基層材料五種不同狀態，即烘干、風干、半風干、最佳含水量、飽水，試驗過程中封閉不同含水量試件，從而對穩定的含水量進行保持，發現隨著齡期的增長，烘干試件的溫縮系數不斷增大，初期、后期分別具有較快、較慢的增加，0℃～-10℃溫度區間、與最佳含水量接近狀態是溫度收縮最不利情況，與自由狀態相比，封閉狀態下各種半剛性材料具有顯著較小的溫縮系數值。研究發現，利用風積沙鋪筑路基改善層單位造價較原設計天然砂礫路基改善層大致減少了53%。此外，不考慮運輸等其他費用，單從原材料造價方面考慮，原路面石灰土底基層造價為16.9元/m2，而利用風積沙修筑的底基層造價為10.0元/m2，相對于石灰土底基層要節約6.9元/m2，降低造價約40.8%。利用風積沙修路，總體造價可降低30%左右。在技術規范頒布前的試驗階段，本市公路局已利用該項技術修筑各等級公路100多公里，目前在我國分布著沙漠的省份推出了利用風積沙修筑路面基層的技術規范，如果這一技術能應用在更多的沙漠地區，將會帶來很大的社會和經濟效益。從國內外道路發展與研究成果看，已進行的研究對象主要為粒料土或土，但是還較少有相關研究報道沙漠地區公路的鋪筑材料風積沙，需要相關學者進一步研究，從而將有效依據提供出來。

2 原材料分析

風積沙是沙漠地區在風力作用下形成的粉粒、黏粒含量少的沙物質，其分布廣泛，儲量豐富。因此，采用風積沙作為建筑工程原材料，因地制宜、就地取材，對于推動西部沙漠地區基礎設施建設的發展很有必要且很有意義。有學者針對水泥穩定風積沙和水泥粉煤灰穩定風積沙作為路面底基層、基層的技術性能，對風積沙路面結構展開了系統研究，將風積沙就地取材和利用其修筑道路，解決了風沙地區筑路材料匱乏等問題。二級以上公路從結構上可分為路面（瀝青層）、路面基層、路基改善層、路基。其中，路面基層由底基層和基層組成。此前國內外學者已就風積沙在筑路工程上的利用開展了幾十年的研究，但主要是用風積沙修筑路基部分，我們這個研究較以往有很大的突破，我們是用風積沙修筑路面基層部分。過去修筑路面基層和路基改善層，要用大量砂石砂礫和石灰土等材料，這些材料往往是通過開山炸石得來，甚至會有一些濫挖濫采現象，對環境破壞很大。毛烏素沙漠邊緣傳統筑路材料缺乏，這些年由于環保政策的收緊，傳統筑路材料價格日趨高昂。在這樣的背景下，我們就地取材，利用當地豐富低廉的風積沙代替傳統筑路材料，不僅可以減少環境破壞問題，還可以節約材料外運成本，緩解原材料供應帶來的制約，縮短工程周期，進而降低工程造價。在保證公路工程的建設質量和技術性能的同時，實現了更好經濟效益和生態效益。

運用篩分法試驗分析風積沙的顆粒組成見表1，發現風積沙的粒徑主要在0.074～0.25 mm范圍內分布，含量達到了90%以上，極少有>0.3 mm的顆粒，只有0.25%，9%以下的顆粒<0.074 mm。沙的細度模數<1.5，因此其屬于特細沙。顆粒表面具有較強的松散性、極低的活性、較好的水穩性，無粘性，表現在風積沙中具有極少的粉粒、粘粒含量。從土質學觀點來說，其是典型不良級配土，表現在級配良好土的級配不均勻系數Cu、級配粒線監率系數Cc分別>5、=l～3，原因為風積沙的不均勻系數Cu、監率系數Cc分別為1.43、0.91。

風積沙的化學成分見表2，風積沙的化學成分中常量元素SiO2具有最高的含量，達到了81.56%，同時其具有較大且穩定的硬度；其次為Al2O3、Fe2O3、K2O，其含量為10.48%左右，Na2O、CaO、MgO等含量為5.05%左右，TiO2、MnO、P2O5具有極少的含量，僅為0.4%左右。對風積沙的酸堿度（pH值）進行測試，發現其為8.12，呈弱堿性。

風積沙的擊實試驗見表3，干密度在干燥狀態時有一個峰值出現，之后干密度隨著含水量的增加而降低，干密度在含水量為4%～6%左右時開水回升，干密度在含水量約為12%時又有一個峰值出現。

從本質上來看，沙的擊實是將沙顆粒間的粘聚力、內摩擦力克服。從試驗結果可以看出，沙的含水量在擊實過程中直接影響著所能得到的密實度，即沙在干燥狀態下干燥松散，幾乎無毛細水與粘聚力作用。隨著含水量增加，水在具有較低的含水量時將薄層吸附水膜形成于沙顆粒表面，將表面張力產生，從而使引力形成于顆粒之間。隨著含水量繼續增加，隨距沙顆粒表面距離的增加，水的粘滯度在吸附水膜厚度增大的情況下逐漸減小，沙顆粒間厚層吸附水膜具有越來越大的潤滑作用，向某一峰值抵達后，沙的內摩阻力與內聚力會隨著含水量的增大而進一步減少，但單位體積內具有最小的空氣體積，而沙中具有越來越多的水體積，由于水不可壓縮，因此隨著水的增加，沙的干密度逐漸下降。

總之，無機結合料穩定材料是交通運輸工程中對一類道路修筑材料的統稱，其特點是在原集料內摻入無機結合料（水泥等）后拌和而成的混合料。很多學者研究了一般土，但卻較少有學者研究風積沙，因此，本研究將可靠的科學依據提供給了沙漠公路鋪筑材料風積沙的合理利用。

課題信息：新疆應用職業技術學院科研計劃項目《摻風積沙水泥穩定土工程性能研究》，編號：XYZY2020KQN001。

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