路用风积沙固化剂配制及其混合料性能

王朝辉¹，王选仓¹，谭雪琴²

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安，710064；

2. 林同炎国际(重庆)工程咨询有限公司，重庆，400020)

摘  要：为能够合理利用风积沙作为沙漠公路的铺筑材料，以水泥为主要原料，并添加石灰、石膏、木钙等稳定风积沙，确定混合料最佳配比，从抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量等方面研究各种固化剂稳定风积沙混合料的力学性能，通过冻融循环试验测定其冻稳定性，最后对各种混合料的干缩性能与温缩性能进行对比试验。研究结果表明：CLGW固化剂稳定风积沙在早期的强度稍低，但其增长速度最快，后期强度明显高于其他3种混合料的后期强度；4种混合料的抗压回弹模量均随龄期的增长而增大，CLGW固化剂稳定风积沙具有更强的抵抗变形的能力；4种混合料的抗冻系数相差不大；CLGW固化剂稳定沙的抗干缩性能与抗温缩性能优于其他混合料的性能。

关键词：固化剂；风积沙；配合比；路用性能

中图分类号：U416.03；U419.91          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)01-0192-07

Preparation of road aeolian sand curing agent and

its mixture performance

WANG Chao-hui¹, WANG Xuan-cang¹, TAN Xue-qin²

(1. Highway School of Chang’an University, Xi’an 710064, China;

2. International Engineering Consulting Co. Ltd. of Lintongyan, Chongqing 400020, China)

Abstract: In order to rationally use of aeolian sand for desert highway auxiliary materials, cement, lime, gypsum and wooden-calcium were added into the mixture to stabilize aeolian sand. The optimum proportions of different mixtures were determined. The mechanical properties of these mixtures were studied from the aspects of compressive strength, cleavage strength and compression rebound modulus. The freeze-thaw cycle tests were done to determine the freeze stability. Finally, the mixture’s dry-shrinkage property and temperature contraction performance were tested. The results show that early strength of CLGW curing agent for stabilizing aeolian sand is lower, but its growth is the fastest, and the later strength is higher than that of other mixtures; the compression rebound modulus of all mixtures increase with the increase of ages, and the anti-deformation capacity of CLGW curing agent for stabilizing aeolian is better,; the frost resistance coefficients of all mixture are closed to each other; dry-shrinkage property and temperature contraction performance of CLGW curing agent for stabilizing aeolian are better than those of other three.

Key words: curing agent; aeolian sand; mix proportion; pavement performance

在沙漠分布比较集中，尤其以流动性沙丘为主的地区，修筑公路、铁路等工程受到风沙不同程度的危害，因此，防沙、固沙已成为重要的课题。国内外对固化剂的研究早已开展，对固化剂加固土的研究较多针对普通土壤^[1-3]，对固化剂加固沙的研究多针对防沙、固 沙、预防沙害等^[4-6]，而对公路路面结构、材料的研究较少。虽在一些沙漠地区公路修筑中进行了一定的试验研究^[7-11]，但由于各种原因，并未得到广泛应用；因此，将风积沙作为路面结构层的固化是一个亟待解决的问题。王国余等^[12]对国内几种固化材料加固风积沙进行了路用性能试验评价，并在水泥作主要胶黏剂的基础上，分别适量加入生石膏、聚乙二醇、NH₄Cl、水玻璃等，自行研制了CL固化剂，对比试验表明，该固化剂具有较好的路用性能。鉴于沙漠地区的筑路现状，为进一步研究应用于路面结构层的性能较好的无机固沙材料，本文作者分别引入石灰、石膏、木钙等其他无机材料与之复合固沙，改善其吸水性和保水性，并系统研究结构层用固化剂稳定风积沙混合料的路用性能，以便为合理利用风积沙作为沙漠公路的铺筑材料提供可靠的科学依据。

1  固化剂稳定风积沙混合料配比设计

1.1  水泥剂量的确定

固化剂CLGW以水泥为主要原料，并添加石灰、石膏、木钙混合而成。各个成分的配合比主要按《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034—2000)^[13]规定的7 d浸水抗压强度要求所得。不同水泥剂量的混合料的7 d浸水抗压强度如图1所示。

从图1可以看出：随着水泥剂量的增加，混合料的7 d浸水抗压强度随之增大；当水泥含量达到12%时，混合料的平均抗压强度为1.64 MPa，稍大于路面底基层抗压强度概率保证值，已满足路面设计要求。

1.2  石灰剂量的确定

试验表明，在结合料总剂量相同的情况下，用水泥和石灰综合稳定土所得的强度比单纯用水泥稳定土的强度大。为了进一步提高混合料的强度又不增加造价，选用比水泥价格低得多的另一种常用结合料——石灰。将水泥和石灰按不同的质量比稳定风积沙，其结果见表1。

图1  7 d抗压强度与水泥剂量的关系曲线

Fig.1  Relationship between 7 d compressive strength and cement dose

由表1可以看出：由于石灰颗粒比较疏松，密度比较小，需水量大，因此，当水泥含量一定时，随着石灰剂量的增加，混合料的最大干密度减小，最佳   含水量(质量分数)增大，平均抗压强度增大；当m(石灰) ?m(水泥)?m(沙)＝3?12?85时，混合料的平均抗压强度为1.79 MPa，大于其抗压强度概率保证值1.61 MPa，满足路面设计要求。

1.3  石膏剂量的确定

在水泥熟料中加入适量石膏，能解除水泥快凝，使水泥制品在空气中的干缩率下降30%～50%，提高水泥的抗冻性、抗化学性和安定性。因此，为改善固化剂稳定风积沙的路用性能，在固化剂中加入膨胀剂石膏。在固定含量的水泥(12%)和石灰(3%)结合料中掺入不同剂量的石膏，观察其7 d的浸水抗压强度，试验结果见表2。

表1  水泥石灰稳定沙7 d浸水抗压强度

Table 1  7 d soaked compressive strength of cement and lime stabilized sand

表2  水泥石灰石膏稳定沙7 d浸水抗压强度

Table 2  7 d soaked compressive strength of cement, lime and gypsum stabilized sand

由表2可以看出：随着石膏含量的增加，无机结合料稳定风积沙混合料的7 d抗压强度经历了先减后增的过程，当石膏的含量为0~1.5%时，混合料的强度逐渐减小；当石膏含量继续增加，为1.5%~3.0%时，混合料的强度又逐渐增大，由此说明结合料中膨胀剂的含量一定要适度。当石膏含量为2.5%时，平均抗压强度为1.56 MPa，等于其抗压强度保证值，满足设计要求。

1.4  木钙剂量的确定

按规定，木钙的适宜掺量为水泥剂量的0.25%~ 0.30%^[14]，在此范围内，减水率及强度增长率都最高，超过此范围提高幅度下降，当掺量达到0.50%时，强度与不掺木钙的接近；当掺量大于0.75%时，则强度急剧下降。超掺量木钙混凝土的强度还与温度有密切关系，如木钙掺量为0.5%时，在30 ℃和0 ℃养护条件下，试件除早期强度有影响外，后期强度仍随龄期的增加而增长，都能达到基准混凝土强度。但在10 ℃养护条件下，混凝土较长时间不能凝结，直到180 d才达到基准混凝土强度的90%。当掺量为1.0%~1.5%时，混凝土早期无强度，到180 d仅为基准混凝土强度的18%~34%。鉴于木钙的掺量有严格的规定范围，本文将其掺量定为水泥剂量的0.25%。

2  固化剂稳定风积沙力学性能

无机结合料稳定风积沙混合料必须要具有一定的强度和刚度，才能在荷载的反复作用下，不产生过大的塑性变形和破坏。为此，本文从抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量等几个方面来研究固化剂稳定风积沙混合料的力学性能^[15]。

2.1  无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是指试件在(20±2) ℃下养生一定龄期后的抗压强度，是路面底基层混合料的主要性能指标，规范要求公路路面底基层混合料必须达到一定的强度要求。将用CLGW固化剂稳定的风积沙混合料与水泥稳定沙、水泥石灰稳定沙和水泥石灰石膏稳定沙进行对比，其相应的代号和配合比见表3。无侧限抗压强度试验结果见图2。

由图2可知：各种混合料的无侧限抗压强度均随龄期的增长而增大，在前28 d内的抗压强度增长幅度都较大，28 d后，抗压强度增长逐渐变缓。4种混合料在同龄期的无侧限抗压强度不完全相同。7 d的抗压强度从大到小依次为：CLS，CS，CLGS，CLGWS；14 d的抗压强度从大到小依次为：CLS，CS，CLGWS，CLGS；28，60，90 d的抗压强度从大到小依次为：CLGWS，CLGS，CLS，CS。

图2  不同结合料稳定风积沙抗压强度随龄期变化规律

Fig.2  Change law of different binder stabilized sand mixtures’ compressive strengths with ages

表3  不同结合料稳定沙的混合料组成和击实结果

Table 3  Composition and hit-solid result of different binder stabilized sand mixtures

也就是说，在早期，没有掺加石膏的混合料的抗压强度比掺加了石膏的混合料的抗压强度大；而在后期，情况却恰恰相反。原因是石膏对水泥有一定的缓凝作用，致使石膏延缓了水泥的硬化，从而使混合料早期强度稍低。但随着龄期的增长，水泥浆体的硬化逐渐形成，石膏与石灰的反应又可以促凝，因而CLGW固化剂稳定风积沙在强度上的优势就逐渐显现出来。

2.2  劈裂强度

底基层作为路面的一个结构层，其材料必须具备一定的抗拉强度，以满足行车荷载的需要。劈裂试验结果见图3。

图3  不同结合料稳定风积沙劈裂强度随龄期变化规律

Fig.3  Change law of different binder stabilized sand mixtures’ cleavage strength with ages

由图3可知：各种混合料的劈裂强度均随龄期的增长而增大，在前28 d内，劈裂强度增长幅度都较大，28 d后，劈裂强度增长逐渐变缓。4种混合料在同龄期的劈裂强度不相同。7 d的劈裂强度从大到小依次为：CLS，CS，CLGS，CLGWS；14，28，60和90 d的劈裂强度从大到小依次为：CLGWS，CLGS，CLS，CS。

2.3  抗压回弹模量

刚度是反映材料变形对外力的敏感程度的1个重要指标。    采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ 057—94)^[15]中的顶面法测试件的室内抗压回弹模量，试验结果如图4所示。

图4  各种混合料的抗压回弹模量

Fig.4  Compression rebound modulus of different mixtures

由图4可以看出：各种混合料的抗压回弹模量均随龄期的增长而增大；在相同龄期下，各种混合料的抗压回弹模量从大到小的顺序为：CLGW固化剂稳定沙、水泥石灰石膏沙、水泥石灰沙、水泥沙。回弹模量表征了材料在外力作用下抵抗变形的能力。回弹模量大的材料，在相同外力作用下产生较小的变形，具有更好的性能。CLGW固化剂稳定风积沙的抗压回弹模量比其他几种混合料的高，进一步证明了其具有更强的抵抗变形的能力。

3  固化剂稳定风积沙冻稳定性

无机结合料稳定风积沙混合料的冻稳定性通过冻融循环试验来测定。在冻融循环反复作用下，混合料强度逐渐下降，产生薄弱面，甚至在薄弱面发生开裂破坏；因此，选择抗冻性能良好的材料作底基层在一定程度上可以缓解开裂破坏的发生。将养生28 d的试件饱水1昼夜后，在-20 ℃冰箱内冻12 h，取出放在20 ℃水中融化12 h，以此为1个循环。经5次冻融循环后的试件饱水抗压强度与未经冻融循环的试件饱水抗压强度的比值称为抗冻系数，试验结果如图5所示。

图5  各种混合料的28 d抗冻系数

Fig.5  Coefficient of frost resistance for 28 d of different mixtures

由图5可以看出：经过冻融循环后，各种混合料的抗压强度均有所降低，并且各种混合料的抗冻系数都非常接近，相差不大，CLGW固化剂稳定风积沙混合料的抗冻系数较其他3种混合料的抗冻系数稍大。这对于沙漠地区提高路面的冻稳定性具有一定的实用意义。

4  固化剂稳定风积沙干缩特性

无机结合料稳定风积沙混合料的干燥收缩是由于其内部含水量的变化而引起整体宏观体积收缩的现象,因此，含水量是影响无机结合料稳定风积沙混合料干燥收缩的重要因素之一，它对干缩性的影响程度，可以通过干缩系数(即单位含水量改变时无机结合料稳定风积沙混合料的应变)来表征。对几种不同结合料稳定风积沙混合料的干缩性能进行对比，试验温度为8~15 ℃，具体试验结果见图6。

图6  不同结合料稳定风积沙混合料的干缩系数与时间关系

Fig.6  Relationship between shrinkage coefficient of different binder stabilized sand mixtures and time

由图6可以看出：各种混合料的干缩系数都随龄期的增长而增大，其中，水泥沙(CS)、水泥石灰沙(CLS)、水泥石灰石膏沙(CLGS)这3种混合料在48 h内的干缩系数随时间的增长率较小；龄期在48~144 h时，干缩系数随时间的增长比较快；144 h后，增长又平缓一些。且3种混合料的干缩系数随时间的变化规律相似，说明这3种混合料的干缩性能具有相似性。CLGW固化剂稳定沙(CLGWS)混合料的干缩系数也随时间的延长而增大，且干缩系数与时间基本呈线性关系增长，但与其他3种混合料相比，其增长率极小。这是因为木钙有减水的作用，它的加入使混合料中的自由水易形成结晶水，使得整个结构更加紧密坚实，导致其干缩应变很小。4种混合料的平均干缩系数从大到小的顺序为：水泥沙、水泥石灰沙、水泥石灰石膏沙、CLGW固化剂稳定沙。CLGW固化剂稳定风积沙混合料的平均干缩系数比水泥沙的平均干缩系数降低了95.0%，比水泥石灰沙的平均干缩系数降低了94.1%，比水泥石灰石膏沙的平均干缩系数降低了93.3%，说明CLGW固化剂稳定风积沙混合料的干缩性能明显优于前3种。

5  固化剂稳定风积沙温缩特性

沙漠地区年温差和日温差很大，年温差一般可以达到30~50 ℃。这给无机结合料稳定沙的温度收缩创造了“最优的条件”；所以，在沙漠地区材料的温缩性能要重点考虑。

与干缩一样成型试件，在温度为(20±2) ℃和相对湿度为90%以上的条件下，养生到28 d后，进行温缩试验，并采用温缩系数(变化单位温度材料的线收缩系数)对其评价。试验同时测定水泥沙、水泥石灰沙、水泥石灰石膏沙和CLGW固化剂稳定风积沙4种混合料的温缩性能，以便比较，其结果见图7。

图7  不同结合料稳定风积沙温缩试验结果

Fig.7  Temperature shrinkage test result of different binder stabilized sand mixtures

由图7可知：随着温度的升高，4种结合料稳定风积沙混合料的温缩系数都经历了先减小、后增大的过程，在-10~0 ℃时，温缩系数出现最小值(对这一规律的解释如下：随着温度的降低，毛细管中弯曲液面内外压力差和弯曲液面表面张力增大，这种作用力逐渐超过了毛细管壁颗粒内部的连接力，所以表现为温缩系数的增大)；在高温时，各种混合料中存在着大量的毛细孔和凝胶孔，混合料颗粒间的可伸缩空间相对较大，温缩潜能较大，宏观上表现为混合料温缩系数较大；在-10~0 ℃左右，部分重力水和自由水开始结晶，产生的体积膨胀抵消了部分收缩变形，但由于这部分水含量极少，所以冰冻作用不明显，宏观上表现为温缩系数较小。

4种混合料的温缩系数从大到小依次为：水泥沙(CS)、水泥石灰沙(CLS)、水泥石灰石膏沙(CLGS)、CLGW固化剂稳定沙(CLGWS)。这是因为：水泥稳定风积沙混合料中，水泥水化反应较其他类无机结合料要快，反应生成的胶结物即Ca(OH)₂和CaCO₃晶体以及主要水化物即含水硅酸钙(C-S-H)凝胶、含水铝酸钙(C-Al-H)凝胶也相应较多，宏观表现为温缩系数较大；水泥稳定沙中掺进了石灰，温缩系数变小，这是因为石灰密度小，可以减小颗粒之间的孔隙，所以宏观上表现为温度收缩应变较小；再在结合料中加入石膏，使其与石灰反应，生成物可以聚集成膜，沉淀于混合料的孔隙之中，使混合料的温缩应变进一步变小；最后，CLGWS固化剂中有木钙，木钙可以更进一步的使混合料结构更加紧密，从而使温缩应变最小。

6  结论

(1) 确定了路面底基层用固化剂稳定风积沙混合料的配合比，石膏、石灰、水泥、沙的掺量分别为2.5%、12%，3%和82.5%，木钙的掺量定为水泥剂量的0.25%。

(2) 水泥沙、水泥石灰沙、水泥石灰石膏沙、CLGW固化剂稳定沙这4种混合料的无侧限抗压强度及劈裂强度均随龄期的增长而增大，在前28 d内的强度增长幅度都较大，28 d后的强度增长逐渐变缓。另外，4种混合料强度增长的速度不相同，CLGW固化剂稳定沙在早期的强度稍低，但其增长速度最快，后期强度明显高于其他3种混合料的后期强度。

(3) 4种混合料的抗压回弹模量均随龄期的增长而增大，CLGW固化剂稳定风积沙的抗压回弹模量比其他3种混合料的高，说明其具有更好的抵抗变形的能力。

(4) 4种混合料经过冻融循环后，抗压强度均有少量降低，但各种混合料的抗冻系数相差不大。

(5) 4种混合料的干缩系数都随龄期的增长而增大，CLGW固化剂稳定沙的抗干缩性能比其他混合料的优。4种结合料稳定风积沙混合料的温缩系数随着温度的升高，都经历了先减小、后增大的过程，在-10~0 ℃时，温缩系数出现最小值。CLGW固化剂稳定沙的温缩系数最小，表明其具有良好的抗温缩性能。

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(编辑 赵俊)

收稿日期：2010-02-21；修回日期：2010-05-06

基金项目：国家西部交通建设科技项目(2001 318 772 05)

通信作者：王朝辉(1980-)，男，河南滑县人，博士，讲师，从事道路工程研究；电话：13032924270；E-mail: wchh0205@163.com