路竣杰,银燕青,张栓柱,黄 鑫,王稷良,2,卢亚磊

(1.内蒙古经乌高速公路管理有限责任公司,赤峰 025366;2.交通运输部公路科学研究所,北京 100088;3.武汉长江存储科技有限责任公司,武汉 430078)

2021年国务院颁布的《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》将西部地区公路建设列入战略骨干通道建设工程。然而我国是世界上受沙漠化影响最为严重的国家之一,并且90%以上沙漠集中于西部地区。天然砂石作为交通基础设施建设最为重要的集料之一,沙漠地区储量匮乏,需要从较远地区进行运输,极大地拉高了筑路的经济成本及时间成本。因此,为加快工程进度,降低筑路成本,应充分利用沙漠地区储量丰富天然集料-风积沙。风积沙是经风力搬运,然后沉积所形成的沙层,在沙漠区储量极其丰富,运用于基层有较高的经济价值。当前国内外学者针对风积沙在基层材料方面的应用主要有两条思路,一是利用固化剂固化风积沙,二是以风积沙代替细集料应用于稳定碎石体系之中。为此,针对风积沙在路面基层中的应用,综述固化风积沙的不同方式和风积沙代替细集料应用于稳定碎石体系中的研究进展,并对当前研究中存在的问题和未来的研究方向进行讨论。

1 风积沙的特性和固化方式

1.1 风积沙特性

1)风积沙的物理特性研究

大量研究学者对风积沙的颗粒级配、颗粒形貌、表观密度等开展了相关研究。在颗粒分布方面,相关研究表明由于风的分选作用,风积沙颗粒存在细小、均匀的特点。表1为相关文献中得到的我国不同地区风积沙的颗粒分布情况。通过表1可以看出,风积沙粒径一般集中在0.075～0.6 mm,占90%以上,属于级配不良的极细砂。与普通砂相比,风积沙的级配更差,颗粒更小,这也就造成了风积沙的比表面积偏大,堆积孔隙率偏高,从而导致固化风积沙存在强度低、收缩大的问题。

表1 中国不同地区风积沙的颗粒级配

在外观形貌方面, Lopez-Querol等[5]利用SEM(扫描电镜)对风积沙进行了形貌分析,发现风积沙颗粒形状均匀,没有锐边。一般认为由于运输过程颗粒之间的摩擦碰撞,风积沙多为表面光滑的球状颗粒,这还会导致风积沙与结合料之间的粘结作用弱。

2)风积沙的化学特性

为研究风积沙的化学特性,相关学者对不同地区风积沙的化学组成与矿物成分进行了分析,如表2所示。风积沙的主要化学成分均为二氧化硅,即具有富含硅质的特点。从矿物学角度分析,风积沙主要由石英、长石和岩屑组成,且粘性颗粒含量极少。同时,郑木莲[6]研究表明风积沙中晶体占主导地位,不含活性物质。因此,由于风积沙基本没有活性、粘性颗粒含量极少,其和水泥等结合料之间的粘结作用很弱,这导致风积沙更加难以利用。

表2 不同地区风积沙化学组成

1.2 风积沙的固化方式

固化剂固化风积沙主要是利用其胶结特性将风积沙粘结在一起,从而形成强度。目前,国内外关于固化风积沙的研究,主要从工程固化风积沙、微生物固化风积沙和化学固化风积沙三个方面展开。

1)工程固沙

工程固沙主要是通过将纤维材料、网布材料或加筋带等土工合成材料按照一定的排列规则加入土中,从而提高沙的性能。巩桢翰[7]研究发现加筋风积沙对风积沙路基竖向位移及水平位移都有很好的抑制作用。然而工程固沙虽然可以改善沙体性能,但是由于它只是利用土工材料对风积沙进行机械的约束,整体强度不高。

2)微生物固沙

微生物固沙是指利用微生物分解尿素产生碳酸根离子,在外加钙源的条件下生产碳酸钙沉淀,从而把松散的风积沙颗粒胶结成一个整体。Tian等[8]进行了利用巴氏芽孢杆菌和胶结液(尿素-氯化钙)固化风积沙的研究,采用微生物诱导成矿技术,改善了固化风积沙的力学性能,但其强度分布极不均匀。生物固沙虽然能够大幅度提升固化风积沙的性能,但是这种技术手段操作复杂,并且由于微生物分布不均匀的问题,导致其不同区域强度差异较大。因此,微生物固沙只适用于土壤修复领域,很难在道路材料领域得到应用。

3)化学固沙

化学固沙是指利用化学材料的胶结特性来固化风积沙,因其具有强度较高、工艺简单、对环境要求低等优点,在实际工程中得到广泛应用。崔强[3]、张向东[9]、Li[10]等开展了水泥固化风积沙的研究,结果表明固化风积沙强度随水泥掺量的增加而上升,一般当水泥掺量为10%～12%,固化风积沙28 d无侧限抗压强度可达到2～3 MPa。相关机理表明无机结合料固化风积沙主要通过结合料的水化反应生成C-S-H凝胶填充于风积的沙孔隙之间,将风积沙颗粒粘结在一起,从而形成强度,但是由于风积沙表面比较光滑,并且水泥等结合料的粘结性较差,导致水泥等材料很难与风积沙良好的粘结在一起。

有研究者提出利用沥青乳液、合成树脂等有机材料自身的粘结特性固化风积沙,显著改善了风积沙的承载能力。虽然有机固化剂能够改善固化风积沙的性能,但是它存在易老化的问题,并且硬化速度快,不利于施工。因此,有机固化风积沙也很难应用于路面基层材料领域。还有研究者提出有机-无机复合固沙的方法,但是这种方法存在两相不相容的问题,并且在干硬性体系中只有少量的结合料,有机结合料和无机结合料的搅拌均匀性很难控制。因此,复合固化风积沙也很难应用于路面基层材料之中。综上,由于有机固化风积沙和复合固化风积沙存在各种问题,因此,无机结合料固化风积沙是最为经济有效的手段。

2 风积沙在路面基层中的应用

2.1 风积沙应用于路面基层时面临的问题

目前,风积沙用于路面基层材料一般是和碎石配合使用,共同达到合适的级配,同时需要加入水泥固化风积沙后才能满足公路基层的要求。陈三平等[11]利用FLAC3D数值模拟验证了水泥稳定碎石风积沙基层的合理性。水泥稳定类路面基层材料作为一种典型的干硬性体系材料,其强度主要来源于集料间的嵌挤作用以及结合料与集料间的黏结作用[12]。然而,风积沙因独特的形成方式,当风积沙应用于水泥稳定碎石体系之中,会存在集料间的嵌挤作用弱、结合料与集料间的黏结作用弱和材料收缩增大的问题,从而导致水泥稳定碎石风积沙材料存在强度低、收缩大以及抗冲刷性能差的问题。

1)由于风积沙表面光滑、近似球形,导致其与碎石之间很难形成嵌挤作用,并且与水泥之间的粘结作用较弱,从而造成水泥稳定碎石风积沙路面基层材料强度低、抗冲刷性能差。樊新舟[13]、马士宾等[14]采用正交实验研究了水泥掺量、碎石集配、风积沙掺量对水泥稳定碎石风积沙力学性能的影响,结果表明风积沙的掺入严重影响了水泥稳定碎石风积沙的力学性能。

2)由于风积沙颗粒细小、均匀,导致材料内部毛细孔数目增多,从而引起材料收缩增大。陈立兵等[15]对水泥稳定碎石风积沙的收缩抗裂性能进行了研究,结果表明过多风积沙的掺入使得材料小颗粒数目增多,使水泥稳定碎石风积沙材料的总比面积增大,水泥需求量增加,从而引起材料整体干燥收缩增大。

目前,针对上述问题国内外相关研究少有解决方案,相对主流的改善方案是提高水泥用量。但水泥用量提高,不仅会造成基层材料的成本增大,还会对水泥稳定碎石风积沙的抗收缩性能带来负面影响,因此需进行水泥掺量等参数对水泥稳定碎石风积沙材料性能影响的研究。

2.2 水泥稳定碎石风积沙材料的研究进展

目前,关于水泥稳定碎石风积沙材料的研究主要集中于风积沙掺量、水泥掺量、含水率以及碎石级配对水泥稳定碎石风积沙性能(力学性能和水稳定性能)的影响。

郭根胜等[16]研究了水泥掺量、风积沙掺量对水泥稳定碎石风积沙力学性能和水稳定性能的影响,结果表明在最佳含水率13%下,对于相同级配的混合料,水泥掺量增加 1%,混合料的强度增加0.8～1.3 MPa且7 d无侧限抗压强度值满足中国二级及二级以下公路的基层强度要求。

张飞阳[17]对水泥加固风积沙地基的抗拔极限承载力进行了研究,结果表明当含水率为3%时,地基试样的抗拔极限承载力随水泥掺量先增加后降低,并在水泥掺量为6%时,抗拔极限承载力达到峰值;当含水率为5%时,地基试样的抗拔极限承载力随水泥掺量呈线性关系增加。而当水泥掺量一定时,地基试样的抗拔极限承载力随含水率的增加而增加,并在含水率达到一定程度时趋于稳定。

李德超[18]在研究水泥早强剂稳定沙的抗压强度时,结果显示,当水泥掺量分别为10%、12%、14%和16%时,水泥早强剂稳定沙的7 d无侧限抗压强度随水泥剂量增加而升高,但在水泥掺量达到16%时,抗压强度反而降低。

以上研究均证明随水泥掺量的增加,材料强度会提高,而当水泥掺量达到一定程度时,材料强度反而降低;随着风积沙掺量的增加,碎石所占比例逐渐下降,由于风积沙不易固化,会导致材料强度下降;且碎石级配对稳定碎石风积沙强度的影响最小。

进一步分析,在整个体系之中颗粒细小的风积沙完全可以作为一种填充材料填充到碎石之间的孔隙中。不同级配的碎石,孔隙率不同,在风积沙掺量相同的情况下,风积沙对其孔隙的填充情况也不同。理论上,当碎石之间的孔隙能够容纳风积沙的前提下,稳定碎石风积沙的强度会随着风积沙强度的增加而增大,当孔隙不足以容纳风积沙时,强度才会开始降低。而不同级配的碎石,孔隙率不同,因此风积沙的最佳掺量也不同。

以上分析,一方面若明确风积沙充盈系数(固化风积沙体积/碎石孔隙体积)、碎石级配之间的相互关系以及它们对稳定碎石风积沙力学性能、耐久性能的影响规律,这将有助于设计出性能更加优异的固化剂稳定碎石风积沙基层材料;另一方面,风积沙本身属于特细砂,仅用风积沙和碎石结合得到的集料存在集料间嵌挤作用弱的问题。若再选定磨细的矿渣加入集料中,不仅可以通过调节矿渣的粒径,从而达到填充风积沙的孔隙的作用,同时仅需要加入适当的碱激发剂,引入的矿渣和水泥即可形成水泥-碱激发矿渣双胶凝体系,对风积沙进行固化改性,提高其致密度。方永浩等[19]的研究印证了这一点,其研究结果表明用超细矿渣替代等量水泥可使硬化后期水泥浆体结构更加致密。

综上所述,目前对水泥稳定碎石风积沙基层材料的研究主要在水泥掺量等参数对其力学性能和水稳定性能方面,而对于风积沙充盈系数与碎石级配之间的相互关系和抑制收缩开裂的研究相对较少,还需进一步深入探讨。

3 结论与展望

无机结合料固化风积沙是目前成本最低、适用范围最广的固沙手段,这使得在我国沙漠地区进行公路建设时可以利用储量极为丰富的风积沙,实现其资源化利用,降低成本。从以上关于风积沙应用于路面基层的国内外研究中,可以得出以下结论:

a.风积沙特性:风积沙颗粒粒径一般集中在0.075～0.6 mm,属于级配不良的极细砂,且其表面活性低、粘性差、易松散,这导致风积沙与其他集料的嵌挤作用弱;风积沙的主要化学成分为二氧化硅,具有富含硅质和硅铝质的特点。

b.风积沙固化:工程固沙、生物固沙均很难在道路材料领域得到应用;在化学固沙方法中,由于有机结合料存在易老化、硬化速度快的问题,其与复合结合料同样不适合用于固化风积沙,无机结合料固化风积沙是成本最低、适用范围最广的固沙手段。

c.风积沙应用于路面基层材料的难点在于风积沙颗粒较细引起的集料间嵌挤作用弱问题、风积沙与结合料之间粘结作用弱问题以及结合料掺入引起的收缩问题。风积沙应用于路面基层主要依靠与碎石达到合适级配形成集料,同时还有加入水泥固化风积沙,因此主要应用是制备水泥稳定碎石风积沙基层材料。在相关研究中,水泥掺量、风积沙掺量、含水率和碎石级配对基层材料性能影响的研究已成体系,但是抗收缩方面和更深层次的问题亟待进一步研究。同时,如何设计无机结合剂,使其在改善固化风积沙力学性能的同时降低固化风积沙的收缩,并将其应用至水泥稳定碎石风积沙基层材料中以及明确风积沙充盈系数(固化风积沙体积/碎石孔隙体积)、碎石级配之间的相互关系以及它们对稳定碎石风积沙力学性能、耐久性能的影响规律均可能作为今后的研究方向。