冉 武 平， 趙 杰， 黃 文 薏， 于 江 波

( 新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830047 )

0 引 言

風(fēng)積沙作為荒漠地區(qū)的一種特殊道路建筑材料，在西部地區(qū)特別是在新疆地區(qū)廣泛分布．但由于其級配不良，顆粒無黏性，一方面松散不易壓實，穩(wěn)定性差，另一方面工程力學(xué)性質(zhì)較差，主要表現(xiàn)在回彈模量較低、穩(wěn)定性較差[1]，故而限制了風(fēng)積沙的應(yīng)用，尤其是在路面結(jié)構(gòu)層中的應(yīng)用．因此如何改善風(fēng)積沙的工程特性和力學(xué)特性，從而將其廣泛應(yīng)用于道路工程建設(shè)是荒漠地區(qū)公路建設(shè)所面臨的共同難題．

目前關(guān)于無機處治穩(wěn)定料的相關(guān)研究已開展了很多．Attoh-Okine[2]對石灰改良紅土的效果開展了試驗研究；Bell[3]對石灰處治有機質(zhì)軟土的力學(xué)特性和硬化特征開展了研究．Al-Abdul Wahhab等[4]開展了干旱區(qū)高速公路建設(shè)過程中對不良填料水泥石灰處治關(guān)鍵技術(shù)的研究；Miller 等[5-6]對土料用水泥窯粉塵改良后的性能進行了研究，指出塑性指數(shù)越大其無側(cè)限抗壓強度增大的幅度越??；Al-Rawas等[7]研究了石灰、水泥和人造火山灰處治膨脹土的效果，提出石灰處治效果最優(yōu)，且石灰含量達(dá)到6%時，膨脹土的膨脹量和膨脹壓力均減小到零．在國內(nèi)，沙慶林[8]早在20世紀(jì)70年代就在我國多地開展了一系列石灰土、二灰土改良效果的試驗研究．自此國內(nèi)很多學(xué)者針對無機膠結(jié)料處治風(fēng)積沙等不良土質(zhì)借助數(shù)值模擬和試驗開展了強度形成機理、強度特性以及路用性能等研究[9-12]．

綜上所述，在公路建設(shè)項目中風(fēng)積沙作為路基材料甚至是鹽漬土地區(qū)鹽漬化處治的應(yīng)用已有了研究，但如何通過處治后，根據(jù)其不同的力學(xué)特性將其應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)中還亟須進行深入研究．為此，本文借助室內(nèi)試驗，針對風(fēng)積沙開展石灰處治、水泥石灰處治和石灰粉煤灰(二灰)處治的試驗研究，明確其力學(xué)特性，為其在道路結(jié)構(gòu)工程全面應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)．

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料的選擇

試驗采用的石灰為鈣質(zhì)生石灰，用滴定試驗測得有效氧化鈣、氧化鎂含量為56.73%；水泥選取普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5R；粉煤灰為二級干灰，燒失量小于20%， SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量大于總量的70%，粉煤灰的比表面積大于2 500 cm2/g，滿足規(guī)范要求．

風(fēng)積沙取自托克遜縣境內(nèi)的天然沉積風(fēng)積沙，相對密度為1.62，其級配組成如圖1所示．通過計算可知，風(fēng)積沙的最大粒徑小于5 mm，94.65%的粒徑小于0.5 mm，僅有6.08%的粒徑小于0.074 mm；從曲線中可以看到該風(fēng)積沙的粒徑主要集中在0.074～0.500 mm，經(jīng)計算風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)為3.57，不均勻系數(shù)小于5屬于級配不良的勻粒土．

圖1 風(fēng)積沙級配曲線Fig.1 The aeolian sand grading curve

1.2 試驗段道路結(jié)構(gòu)及路基材料

本研究擬對風(fēng)積沙采用石灰處治、水泥石灰處治和二灰處治3種處治方案．根據(jù)文獻調(diào)研可知：石灰穩(wěn)定細(xì)粒土的石灰用量一般控制在15%以內(nèi)[13]，考慮到風(fēng)積沙黏粒含量少，為充分發(fā)揮石灰的膠凝作用和獲取較高的干密度，故選擇如表1所示的石灰用量；而對于水泥石灰處治風(fēng)積沙，水泥固化反應(yīng)后具有較大的干縮性[14]，為防止開裂水泥用量一般控制在4%～6%[15]，本研究則將水泥最大劑量控制在5%以下，水泥石灰配比控制在1∶1.5，故選擇如表2所示的水泥石灰

表1 石灰處治風(fēng)積沙方案Tab.1 The plan of lime treated aeolian sand

表2 水泥石灰處治風(fēng)積沙方案Tab.2 The plan of cement lime treated aeolian sand

混合劑量；細(xì)粒土的二灰最佳摻量一般為30%～40%，其中石灰和粉煤灰的配比為1∶2左右時，處治土的性能較好[16-17]，鑒于此，本研究選擇如表3所示的配比方案，展開無機膠結(jié)料處治風(fēng)積沙的回彈模量和無側(cè)限抗壓強度試驗研究．

表3 二灰處治風(fēng)積沙方案Tab.3 The plan of two ash treated aeolian sand

2 試驗結(jié)果分析

2.1 無機處治風(fēng)積沙最大干密度

最大干密度ρdmax和最佳含水量C是施工質(zhì)量評定的重要指標(biāo)參數(shù)，通過擊實試驗得出不同無機處治風(fēng)積沙的最大干密度和最佳含水量如圖2所示．

由圖2(a)可知，石灰處治風(fēng)積沙隨石灰用量w增加，最佳含水量不斷增加．而在石灰用量小于10%時，隨著石灰用量增加最大干密度不斷增加；當(dāng)石灰用量超過10%時，隨著石灰用量增加最大干密度不斷減小，在石灰用量達(dá)到10%左右時干密度最大，且可達(dá)1.9 g/cm3．這主要是由于石灰含量較少時，石灰的添加大大改善了風(fēng)積沙的液塑限，從而提高了處治料的黏聚性，減小了孔隙率，干密度總體增加；隨著石灰用量的繼續(xù)增加，由于石灰自身的密度小，較疏松，處治料的需水量大大增加，導(dǎo)致干密度反而減?。?/p>

由圖2(b)可知，水泥石灰處治風(fēng)積沙隨膠結(jié)料含量增加，最佳含水量不斷增加，最大干密度也總體在增大．但在水泥石灰含量較低時，隨著膠結(jié)料含量增加，最大干密度增幅較大，而當(dāng)用量超過10%時，最大干密度增幅減?。@主要是因為在膠結(jié)料中將40%的石灰用水泥替代，不僅改善了混合料的顆粒級配，同時由于水泥較強的膠結(jié)作用，在一定的擊實功下，顆粒之間更容易達(dá)到密實狀態(tài)．但隨著膠結(jié)料總用量不斷增加，其中的石灰用量也不斷增加，故而石灰對處治料的密度影響不斷加劇，使干密度的增長速度逐漸減緩．

由圖2(c)可知，當(dāng)二灰含量超過28%時，隨二灰含量的增加，最佳含水量不斷增加，最大干密度不斷減小，且含量越高干密度減小速度越快．這是因為粉煤灰微觀結(jié)構(gòu)系空心球體，粉煤灰和石灰細(xì)度大、自身密度小，且處治料需水量增大，故而隨著二灰用量的增加，處治料的最佳含水量增加，最大干密度則呈顯著的減小趨勢．

(a) 石灰處治風(fēng)積沙

(b) 水泥石灰處治風(fēng)積沙

(c) 二灰處治風(fēng)積沙

圖2 無機膠結(jié)料處治風(fēng)積沙的最大干密度和最佳含水量

Fig.2 Maximum dry density and optimum moisture content of inorganic binder treated aeolian sand

2.2 無機處治風(fēng)積沙回彈模量

回彈模量作為道路結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，直接影響道路結(jié)構(gòu)組合和厚度的選擇．因而開展無機處治風(fēng)積沙回彈模量的研究，可明確不同膠結(jié)料處治的風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及其適用性．本研究利用強度儀法研究了7 d齡期的石灰處治、水泥石灰處治、二灰處治風(fēng)積沙回彈模量，具體研究結(jié)果見圖3．

由圖3(a)可知，石灰處治風(fēng)積沙7 d回彈模量，在4%的石灰用量時為15.1 MPa，隨著石灰用量增加至6%、8%、10%和12%時，較4%石灰用量，其回彈模量分別增加了13.2%、31.1%、42.4%和47.0%．也即隨著石灰用量的增加石灰處治風(fēng)積沙的回彈模量總體在不斷增大，只是當(dāng)石灰用量較低時，增幅較大，而當(dāng)石灰用量較高時增幅較?。@是由于處治料中石灰的鈣離子與風(fēng)積沙中的硅鋁物質(zhì)發(fā)生離子交換，絮團凝聚作用使得風(fēng)積沙的散粒狀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而達(dá)到穩(wěn)定風(fēng)積沙的效果[9]，提高了其回彈模量．但是隨著石灰用量的不斷增加，風(fēng)積沙中的硅鋁物質(zhì)含量卻不變，影響到了膠凝反應(yīng)的效率．因而出現(xiàn)了隨石灰用量增加，回彈模量增長速度先快后緩的現(xiàn)象．

(a) 石灰處治風(fēng)積沙

(b) 水泥石灰處治風(fēng)積沙

(c) 二灰處治風(fēng)積沙

圖3 無機膠結(jié)料處治風(fēng)積沙7 d回彈模量

Fig.3 7 d resilient modulus of inorganic binder treated aeolian sand

由圖3(b)可知，水泥石灰處治風(fēng)積沙7 d回彈模量，在6%的水泥石灰用量時為59.8 MPa；隨著水泥石灰用量增加至8%、10%和12%，其回彈模量分別增加了19.6%、41.1%和60.0%，近似呈線性增大．對比石灰處治風(fēng)積沙的回彈模量變化規(guī)律可知，水泥石灰處治風(fēng)積沙的回彈模量要明顯優(yōu)于石灰處治風(fēng)積沙．這是因水泥石灰處治后，水泥能在風(fēng)積沙中形成堅固的核心，在孔隙中形成水泥骨架，以約束風(fēng)積沙．同時水泥中富含硅鋁化合物，可以很好地和石灰中多余的鈣離子進行化學(xué)反應(yīng)，從而大大提高處治風(fēng)積沙的力學(xué)性能．

由圖3(c)可知，二灰處治風(fēng)積沙7 d的回彈模量在粉煤灰用量為20%不變的情況下，隨石灰用量的增加而增加．從8%時的88.7 MPa，分別增加了10.4%、26.8%和47.8%，石灰用量對強度的影響顯著．與其他兩種處治風(fēng)積沙的回彈模量特性對比，二灰處治風(fēng)積沙的效果最佳．這是因粉煤灰的加入提供了較多的活性硅鋁礦物，從而在石灰的堿性激發(fā)與相互作用下生成含水硅鋁酸鈣．這些新生物膠凝結(jié)晶后，具有較強的膠結(jié)能力和穩(wěn)定性[11]．因此就7 d回彈模量而言，其處置效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于石灰處治風(fēng)積沙，且較水泥石灰處治風(fēng)積沙效果也好．

2.3 無機處治風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓強度是反映無機處治穩(wěn)定料自身抗壓能力的重要力學(xué)特性指標(biāo)，它能準(zhǔn)確反映改性風(fēng)積沙抵抗軸向壓力的力學(xué)特性．試驗結(jié)果如圖4所示．

由圖4(a)可知，石灰處治風(fēng)積沙的石灰用量分別為4%、6%、8%、10%和12%時，其7 d無側(cè)限抗壓強度分別為3.42、3.68、3.95、3.87和3.68 MPa．從變化規(guī)律可以看出石灰處治風(fēng)積沙的7 d無側(cè)限抗壓強度隨著石灰用量的增加，先增大后減小，在石灰用量為8%左右，7 d無側(cè)限抗壓強度達(dá)到最大值3.95 MPa，能達(dá)到最佳的處治效果．石灰處治風(fēng)積沙會產(chǎn)生兩種相反的作用：一種作用是使土顆粒聯(lián)結(jié)起來，包括離子交換、結(jié)晶作用、火山灰反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)促使膠結(jié)料的強度增強；另一種作用是未參與反應(yīng)的生石灰削弱風(fēng)積沙之間的聯(lián)結(jié)作用．石灰的用量為4%時由于石灰用量較少主要起聯(lián)結(jié)作用，隨著石灰用量的增加殘余的生石灰就會越來越多，當(dāng)石灰用量超過8%時削弱作用就會成為主要影響因素，故無機膠結(jié)料的無側(cè)限抗壓強度會降低．石灰處治風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度存在最佳的石灰用量．

由圖4(b)可知，水泥石灰處治風(fēng)積沙的7 d無側(cè)限抗壓強度隨著水泥石灰總用量的增加而增大且?guī)缀醭示€性變化．在膠結(jié)料含量為6%、8%、10%和12%時，其7 d無側(cè)限抗壓強度分別為4.0、4.3、4.8和5.1 MPa．與石灰處治風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度相比，在膠結(jié)料相同的情況下，水泥用量越大，無側(cè)限抗壓強度越大．這主要是由于水泥發(fā)生了離子交換和團?；磻?yīng)，使得風(fēng)積沙團聚成為顆粒較大的風(fēng)積沙，提高了風(fēng)積沙的整體強度；水泥發(fā)生的硬凝反應(yīng)使風(fēng)積沙的孔隙率減小，變得更加密實，未參與反應(yīng)的水泥因自身硬凝使風(fēng)積沙中產(chǎn)生水泥骨架有利于強度的提高．水泥與石灰的離子交換作用、碳酸化作用和火山灰反應(yīng)等共同提高了無機膠結(jié)料的無側(cè)限抗壓強度．水泥對于風(fēng)積沙的穩(wěn)定效果從強度形成機理上比石灰處治風(fēng)積沙效果更好，且其無側(cè)限抗壓強度要明顯優(yōu)于石灰處治風(fēng)積沙，因此用水泥石灰處治風(fēng)積沙的綜合效果要更好．

(a) 石灰處治風(fēng)積沙

(b) 水泥石灰處治風(fēng)積沙

(c) 二灰處治風(fēng)積沙

圖4 無機膠結(jié)料處治風(fēng)積沙7 d無側(cè)限抗壓強度

Fig.4 7 d unconfined compressive strength of inorganic binder treated aeolian sand

由圖4(c)可知，二灰處治風(fēng)積沙在粉煤灰用量為20%不變的情況下，隨著石灰用量的增加其7 d無側(cè)限抗壓強度也逐漸增加，當(dāng)石灰的用量超過12%時強度增長緩慢．二灰處治風(fēng)積沙在膠結(jié)料含量28%時，其7 d無側(cè)限抗壓強度為2.6 MPa，當(dāng)膠結(jié)料含量增加至30%、32%和34%時， 強度增加7.7%、19.2%和23.1%．7 d無側(cè)限抗壓強度主要是風(fēng)積沙自身的嵌擠作用與石灰和粉煤灰填充后發(fā)生的火山灰反應(yīng)及結(jié)晶作用產(chǎn)生膠凝物提供．在石灰用量為8%時，由于石灰的用量較少，石灰與粉煤灰發(fā)生的火山灰反應(yīng)消耗的粉煤灰有限，殘余的粉煤灰由于早期強度低，還會影響風(fēng)積沙之間的聯(lián)結(jié)作用；隨著石灰用量的增加，石灰與粉煤灰之間的火山灰作用更加充分，強度會增高；但石灰用量繼續(xù)增加，則會有部分石灰殘余，這將影響二灰與風(fēng)積沙之間的聯(lián)結(jié)作用．故二灰處治風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度在膠結(jié)料較少時較低，隨著石灰用量的增加，逐漸提高，且石灰用量達(dá)到一定值之后增速變緩；繼續(xù)增加石灰用量二灰處治風(fēng)積沙的強度會降低．由此可知，粉煤灰用量為20%、石灰用量為12%時用料最為經(jīng)濟合理．

3 結(jié) 論

(1)石灰、水泥石灰、二灰處治后的風(fēng)積沙回彈模量都顯著提高，且隨著膠結(jié)料的增加，回彈模量均呈增長趨勢．其中二灰處治風(fēng)積沙回彈模量最大，超過100 MPa，水泥石灰處治風(fēng)積沙回彈模量接近100 MPa，石灰處治風(fēng)積沙回彈模量最小，僅為20～30 MPa．

(2)石灰、水泥石灰、二灰處治后的風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度都顯著提高，且隨著膠結(jié)料的增加，水泥石灰處治和二灰處治風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)出增長趨勢，其強度值分別為4～5 MPa和2～3 MPa，而石灰處治風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強度則先增大后減小，其強度值為3～4 MPa，最高強度值對應(yīng)石灰用量為8%左右．因此就無側(cè)限抗壓強度性能指標(biāo)而言，水泥石灰處治效果最佳，石灰處治效果其次，而二灰處治效果最差．

(3)石灰處治風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律呈拋物線型，石灰的最佳用量為8%．水泥石灰處治風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度隨水泥石灰的用量呈線性增加，水泥石灰處治風(fēng)積沙的強度高于石灰處治風(fēng)積沙．二灰處治風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度在粉煤灰用量確定時與石灰用量密切相關(guān)，初始隨石灰用量的增加，無側(cè)限抗壓強度線性增長，隨石灰用量的繼續(xù)增加，增長緩慢，石灰用量為12%時能達(dá)到最佳的效果．

(4)從上述無機處治風(fēng)積沙強度特性來看，水泥石灰處治風(fēng)積沙總體效果最好，因此建議可將其作為高等級公路的底基層和低等級公路的基層；而二灰處治風(fēng)積沙由于其回彈模量較高而無側(cè)限抗壓強度相對較低，可作為風(fēng)積沙地區(qū)路基的最優(yōu)處治方法和技術(shù)應(yīng)用；石灰處治風(fēng)積沙亦可作為低等級公路的底基層和風(fēng)積沙地區(qū)路基．

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坊間流傳著多個版本的《水滸傳》，主流上有百二十回本、百回本、七十回本，因人喜好，互有優(yōu)劣?！鄂U鵬山新批〈水滸傳〉》根植于金圣嘆七十回本，于一百零八將排定座次，盧俊義大夢驚醒處結(jié)尾，不蔓不枝。在很大程度上來說，七十回本的出現(xiàn)將《水滸傳》的藝術(shù)層次拔高到另一個水平。而事實也表明，水滸故事并不是為了完整而完整地存在，七十回本有其獨特的審美取向。

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