气泡混合风积沙土配合比试验研究

陈建壮 张宏伟 李建国 王贤忠 周文生 罗小刚 程 寅

（1新疆交通建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830049；2新疆石油工程建设有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000；3交通运输部科学研究院，北京 100029）

新疆南疆焉耆盆地分布有山前冲积平原、湖泊沼泽、河谷冲击平原等地貌，涵盖开都河、黄水河冲积平原，相思湖、紫泥泉沼泽带，分布较多软弱土地基。在该地区进行道路建设，需要处理路线范围内特殊土包括冲洪积软土、盐渍软土及风积沙土等，这些软弱地基土情况均很复杂，需选择有效的软弱土处理手段进行处治。目前常用的换填、桩基处理、强夯等地基处理方法，或存在填料缺乏、运距较远，或存在造价高昂、施工难度较大、处治效果不佳等问题，因此需针对该地工程地质特点，提出既能高效解决实际问题又具有较高的经济效益的地基处治方法，保证改建工程的顺利实施与完成[1-3]。

南疆地区亦分布大面积的风积沙。风积沙具有一些显著特性，包括粉粘粒含量少，表面活性低，松散、无聚性，非亲水性，非湿陷状态，松铺系数小，基于这些特点，风积沙存在资源利用困难，暂无良好易行的施工方法，容易影响环境，容易渗水等问题，如何解决这些问题，直接成为风积沙资源在工程中推广应用的关键。

结合该地区工程地质特征和沿线分布风积沙资源特点，提出以风积沙为原料土、利用气泡混合土处治技术处理公路软土地基和路基，既高效解决实际存在的问题又具有较高的社会经济效益[4-9]。研究以水泥、自制固化剂、南疆当地风积沙为原料，通过配比强度试验，探讨风积沙气泡混合土强度规律和可能的微观结构形式对强度的内在影响机理，最终为该地区软弱路基状况提供一种综合高效的地基处理方式，为加快西部地区的开发和经济建设，尤其是南疆地区的交通基础设施建设提供有力技术保障。

1 试验概况

1.1 试验材料

1）风积沙1：取自南疆尉犁县塔克拉玛干沙漠，颗粒较均匀，大部分为细粒，粒径较单一，含盐量约为2.7%，其颗粒粒径分布见图1。

2）风积沙2：取自南疆焉耆县沙漠，颗粒径较大，多为粗砂和中砂，颗粒级配较好，含盐量约1.4%，所含盐分主要为氯盐，其颗粒粒径分布也见图1。

3）水泥：新疆天山水泥厂生产的天山牌复合硅酸盐水泥（P.C32.5），比表面积为350m2.kg-1，其主要化学成分见表1。

4）自制固化剂：X3和XG1，主要由矿渣、粉煤灰、火山灰、电石渣及高岭土按合适配比煅烧研磨配置而成，两种自制固化剂主要化学成分亦见表1。

5）发泡剂：江苏南京生产的动物蛋白型发泡剂，发泡倍数为20倍，试验配比按发泡剂:稳泡剂=3:1配合，之后再按1:40稀释使用。

图1 颗粒级配曲线图

1.2 试验方案及方法

1.2.1 试验方案

本次试验分别以水泥与风积沙1的组合（记组合1）、水泥与风积沙2的组合（记组合2）、自制固化剂X3与风积沙2的组合（记组合3）、自制固化剂XG1与风积沙2的组合（记组合4）进行强度测试和微观试验，且每组试验的气泡群均为520L/m3。

1.2.2 试验方法

气泡混合风积沙土试块制备、养护和强度测试：

1）将各材料组分分别称重放置于发泡剂搅拌机后慢速搅拌2min，使混合材料搅拌均匀；

2）将锅壁四周浆体刮入锅内后，再快速搅拌60s；

3）拌合成的气泡混合土试样从发泡剂出料后，装满100mm×100mm×100mm立方体试模并略高于试模顶面，并应采用保鲜膜覆盖。

4）拆模前，应先沿试模顶面刮平试件，并将试件在温度20℃±2℃、湿度≥95%条件下养护至规定龄期，再进行无侧限抗压强度测试。

扫描电子显微镜测试：采用分辨率SEI3.0nm(30KV)；BEI4.0nm(30kv)，加速电压500V-40KV的英国CamScan公司产GS3400型电子扫描显微镜对样品进行微观形貌结构测试，测试方法是取测定了抗压强度后的试块中心部分于60℃恒温烘干至恒重，取样制成表面积约为10mm×10mm的1mm厚的平整小块在真空镀膜机内对样品进行喷金处理，之后粘贴导电胶后放置于样品台上测试。

2 试验结果分析

2.1 抗压强度测试结果

各气泡混合风积沙土配合比、设计容重和28d无侧限抗压强度见表2-表5。

由上述表2与表3强度测试结果可见，选用不同风积沙，气泡混合风积沙土强度大小存在差异。将表中强度用图线表示出，如图2所示，选用风积沙1作为掺料的水泥气泡混合风积沙土强度明显高于风积沙2。结合图1的风积沙级配图可知，由于风积沙1取自塔克拉玛干沙漠，该沙子颗粒粒径小，与固化剂结合效果好，容易与发泡剂搅拌均匀，所拌合的气泡混合土强度亦会更高。

表1 固化剂主要化学成分

表2 组合1气泡混合轻质土强度

表3 组合2气泡混合轻质土强度

表4 组合3气泡混合轻质土强度

表5 组合4气泡混合轻质土强度

图2 风积沙对水泥气泡混合土强度影响曲线图

由表3-表5也可发现气泡混合风积沙土容重越大，其抗压强度也越大；以自制固化剂X3、XG1为胶凝材的气泡混合风积沙土28d强度均高于水泥为胶凝材的气泡混合风积沙土，容重1000kg/m3的X3、XG1气泡混合风积沙土强度分别为为2.48MPa和2.69MPa，分别为水泥气泡混合风积沙土的1.6倍和1.72倍。各固化剂下气泡混合风积沙2土强度变化图如图3所示，图中更直观显示，自制固化剂X3与XG1的强度比水泥有显著提高，且固化剂掺量越高，容重越大，气泡混合风积沙土强度会越大。

图3 各固化剂气泡混合风积沙2土强度变化图

2.2 微观形貌

为更好分析气泡混合风积沙土强度机理，分别对水泥固化和自制固化剂XG1固化后的气泡混合风积沙土进行了微观电镜扫描试验。

图4 不同固化剂下SEM照片

从放大10k的SEM照片可见，当使用自制固化剂XG1作为固化剂的气泡混合风积沙土，其晶体结构组成多为致密、连续的片状物质，结构较为完整；而以水泥作为固化剂时，其晶体结构多为疏松、针状的物质，且结构中孔隙增多。

据此初步推断，自制固化剂XG1能够改善气泡混合轻质土的微观结构，使原来的针状结构变为更加致密连续的片状结构，提高基体强度。

3 结 语

1）风积沙粒径越小，掺入气泡混合土后其强度相对较优；气泡混合风积沙土容重越大，其抗压强度也越大；

2）利用自制固化剂X3与XG1与风积沙拌合制备气泡混合风积沙土强度优于水泥作为固化剂的气泡混合风积沙土，容重1000kg/m3的X3、XG1气泡混合风积沙土强度分别为为2.48MPa和2.69MPa，分别可达水泥气泡混合风积沙土的1.6倍和1.72倍，说明X3与XG1两种自制固化剂可以制备出性能优良的气泡混合风积沙土，并用于实际工程中；

3）通过扫描电镜微观结构分析可知，XG1固化的微观形貌优于水泥固化的微观形貌是前者强度优于后者的主因。

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