无机结合料稳定风积沙公路用的性能实践

李文君

摘 要：水泥稳定风积沙技术的推出，使修路成本节约了30%以上，施工现场也智能环保，省时省力。将风积沙铸路技术应用对荒漠化综合治理当中，能够为国内外沙漠地区治理提供技术支撑，为沙产业的发展作出应有的贡献。石灰土干缩和温缩比较明显。水泥土干缩系数、干缩应变以及温缩系数的比较：粒料的系数小于土。二灰土：抗冻性比石灰土好。（因为有孔，羽绒服抗冻）。收缩性小于水泥土和石灰土。（因为有孔，结构具有一定的伸缩性）。本研究首先从干缩特性研究、温缩特性研究两个方面分析了半刚性基层收缩性能与规律研究现状，然后进行了原材料分析。

关键词：风积沙 公路用 无机结合料 性能

我国沙漠众多，大多数在东经75°～125°、北纬30°～50°之间分布，面积达到了130.8万平方公里左右，占国土总面积的13.6%左右，主要包括毛乌素、巴丹吉、塔克拉玛干、腾格尔、吉尔班通古特沙漠，同时大多数在我国西北部分布，该地区具有充沛的热量、较大的昼夜温差，通常情况下平均日温差、最高日温差分别达到10℃～20℃、30℃，且具有干旱的气候、较少的降水量，一些地方年降水量在0 mm左右，而年蒸发量却达到几百到几千毫米以上[1]。由于沙漠地区具有恶劣的气候、稀少的人烟、落后的经济，因此具有较少的公路数量、较低的等级。近年来，沙漠公路在我国飞速发展的公路事业作用下也得到了飞速发展。同时，有丰富的稀有金属、煤、天然气、石油等矿产资源蕴藏在沙漠地区，在国内经济发展中是一个新亮点，在我国能源开发中是一个新基地。对这些资源进行开发与利用，交通必须先行，需要将越来越多的沙漠公路修建起来，同时，沙漠公路的等级也越来越高，标准也越来越高，这必然将更高的要求提给公路设计者，使其将技术要求、经济性进一步提升[2]。但是，现阶段修筑的沙漠公路具有极高的工程造价，原因为沙漠地区具有相对贫乏的筑路材料，远运的天然砂砾石是全部路面基层材料。因此，依据就地取材原则，目前沙漠公路建设需要将如何对风积沙合理利用起来作为底基层铺筑材料的问题，从而将建设费用显著节省下来。

1 半刚性基层收缩性能与规律研究现状

1.1 干缩特性研究

①美国K.P.乔治等人研究发现，在具有相同的其他条件的情况下，水泥土收缩随着土中<0.002 mm粘粒含量的增多而增大，试件干缩应变随着密实度的增大而减小，随着制件含水量的增大而增大。对大部分土，混合料梁式试件干缩应变随着水泥级剂量的增加开始减小，并达到一个最小值，之后随着水泥剂量的增加而在一定程度上增加[3]；②澳大利亚R.E.洛林斯对水泥稳定粒料的干缩特性进行了研究，发现如果粒料土具有较多的<0.425 mm颗粒含量、较大的塑性指数与线收缩，那么其用水泥处治后就具有较大的干缩值，达到了770×101，而如果粒料土具有较少的<0.425 mm颗粒含量、较小的塑性指数与线收缩，那么其用水泥处治后就具有较小的干缩值，只有190×101，二者比例为4：1。水泥稳定粒料土的干缩应变受到制件含水量的显著影响，随着粒料土塑性的改变，影响程度也不断改变。塑性粒料土的干缩应变也受到水泥剂量的较大影响。一方面检测水泥稳定类、石灰粉煤灰类、石灰稳定类基层试验路力学性质与稳定性，另一方面观测分析裂缝，将一些定性结论获取了过来，也将一些定量结论获取了过来，包括大量的室内试验，即含水量、压实度、土质情况是半刚性材料干缩性能的主要影响因素，水泥土的干缩系数最大，其次为水泥粒料土，最后为水泥粒料；二灰土的干缩系数大于密实式二灰粒料；石灰石的干缩系数大于石灰粒料土；通常情况下，与温度收缩值相比，石灰粉煤类、石灰类半刚性材料具有较大的干燥收缩值。

1.2 温缩特性研究

郑南翔老师（西安公路学员→长安大学）电测试验了几种半刚性基层材料五种不同状态，即烘干、风干、半风干、最佳含水量、饱水，试验过程中封闭不同含水量试件，从而对稳定的含水量进行保持，发现随着龄期的增长，烘干试件的温缩系数不断增大，初期、后期分别具有较快、较慢的增加，0℃～-10℃温度区间、与最佳含水量接近状态是温度收缩最不利情况，与自由状态相比，封闭状态下各种半刚性材料具有显著较小的温缩系数值。研究发现，利用风积沙铺筑路基改善层单位造价较原设计天然砂砾路基改善层大致减少了53%。此外，不考虑运输等其他费用，单从原材料造价方面考虑，原路面石灰土底基层造价为16.9元/m2，而利用风积沙修筑的底基层造价为10.0元/m2，相对于石灰土底基层要节约6.9元/m2，降低造价约40.8%。利用风积沙修路，总体造价可降低30%左右。在技术规范颁布前的试验阶段，本市公路局已利用该项技术修筑各等级公路100多公里，目前在我国分布着沙漠的省份推出了利用风积沙修筑路面基层的技术规范，如果这一技术能应用在更多的沙漠地区，将会带来很大的社会和经济效益。从国内外道路发展与研究成果看，已进行的研究对象主要为粒料土或土，但是还较少有相关研究报道沙漠地区公路的铺筑材料风积沙，需要相关学者进一步研究，从而将有效依据提供出来。

2 原材料分析

风积沙是沙漠地区在风力作用下形成的粉粒、黏粒含量少的沙物质，其分布广泛，储量丰富。因此，采用风积沙作为建筑工程原材料，因地制宜、就地取材，对于推动西部沙漠地区基础设施建设的发展很有必要且很有意义。有学者针对水泥稳定风积沙和水泥粉煤灰稳定风积沙作为路面底基层、基层的技术性能，对风积沙路面结构展开了系统研究，将风积沙就地取材和利用其修筑道路，解决了风沙地区筑路材料匮乏等问题。二级以上公路从结构上可分为路面（沥青层）、路面基层、路基改善层、路基。其中，路面基层由底基层和基层组成。此前国内外学者已就风积沙在筑路工程上的利用开展了几十年的研究，但主要是用风积沙修筑路基部分，我们这个研究较以往有很大的突破，我们是用风积沙修筑路面基层部分。过去修筑路面基层和路基改善层，要用大量砂石砂砾和石灰土等材料，这些材料往往是通过开山炸石得来，甚至会有一些滥挖滥采现象，对环境破坏很大。毛乌素沙漠边缘传统筑路材料缺乏，这些年由于环保政策的收紧，传统筑路材料价格日趋高昂。在这样的背景下，我们就地取材，利用当地丰富低廉的风积沙代替传统筑路材料，不僅可以减少环境破坏问题，还可以节约材料外运成本，缓解原材料供应带来的制约，缩短工程周期，进而降低工程造价。在保证公路工程的建设质量和技术性能的同时，实现了更好经济效益和生态效益。

运用筛分法试验分析风积沙的颗粒组成见表1，发现风积沙的粒径主要在0.074～0.25 mm范围内分布，含量达到了90%以上，极少有>0.3 mm的颗粒，只有0.25%，9%以下的颗粒<0.074 mm。沙的细度模数<1.5，因此其属于特细沙。颗粒表面具有较强的松散性、极低的活性、较好的水稳性，无粘性，表现在风积沙中具有极少的粉粒、粘粒含量。从土质学观点来说，其是典型不良级配土，表现在级配良好土的级配不均匀系数Cu、级配粒线监率系数Cc分别>5、=l～3，原因为风积沙的不均匀系数Cu、监率系数Cc分别为1.43、0.91。

风积沙的化学成分见表2，风积沙的化学成分中常量元素SiO2具有最高的含量，达到了81.56%，同时其具有较大且稳定的硬度；其次为Al2O3、Fe2O3、K2O，其含量为10.48%左右，Na2O、CaO、MgO等含量为5.05%左右，TiO2、MnO、P2O5具有极少的含量，仅为0.4%左右。对风积沙的酸碱度（pH值）进行测试，发现其为8.12，呈弱碱性。

风积沙的击实试验见表3，干密度在干燥状态时有一个峰值出现，之后干密度随着含水量的增加而降低，干密度在含水量为4%～6%左右时开水回升，干密度在含水量约为12%时又有一个峰值出现。

从本质上来看，沙的击实是将沙颗粒间的粘聚力、内摩擦力克服。从试验结果可以看出，沙的含水量在击实过程中直接影响着所能得到的密实度，即沙在干燥状态下干燥松散，几乎无毛细水与粘聚力作用。随着含水量增加，水在具有较低的含水量时将薄层吸附水膜形成于沙颗粒表面，将表面张力产生，从而使引力形成于颗粒之间。随着含水量继续增加，随距沙颗粒表面距离的增加，水的粘滞度在吸附水膜厚度增大的情况下逐渐减小，沙颗粒间厚层吸附水膜具有越来越大的润滑作用，向某一峰值抵达后，沙的内摩阻力与内聚力会随着含水量的增大而进一步减少，但单位体积内具有最小的空气体积，而沙中具有越来越多的水体积，由于水不可压缩，因此随着水的增加，沙的干密度逐渐下降。

总之，无机结合料稳定材料是交通运输工程中对一类道路修筑材料的统称，其特点是在原集料内掺入无机结合料（水泥等）后拌和而成的混合料。很多学者研究了一般土，但却较少有学者研究风积沙，因此，本研究将可靠的科学依据提供给了沙漠公路铺筑材料风积沙的合理利用。

课题信息：新疆应用职业技术学院科研计划项目《掺风积沙水泥稳定土工程性能研究》，编号：XYZY2020KQN001。

参考文献：

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