在高温养护和冻融循环下水泥-粉煤灰稳定化风成砂碎石的耐久性与损伤演化

把沙漠沙变成道路建设的“金子”

许多快速发展的沙漠地区在修建和维护道路时遇到困难，因为常规的施工碎石和河砂稀缺且运输成本高。本研究探讨了一个简单但有力的想法：能否将覆盖沙漠的松散风成砂与水泥、粉煤灰和碎石混合，制成坚固且耐久的沥青公路基层？答案不仅关系到降低成本，还关系到通过利用本地材料和工业废弃物来减少碳排放。

为什么施工者盯上沙丘

沙漠国家正推动交通网络扩张，与此同时城市附近的高质量石料和河砂越来越难以获得。相比之下，风成砂——由风搬运并沉积的细颗粒——虽然丰富，但通常被认为过于松软，无法承受高强度的工程。研究者着手测试一种新型路基地材：将常规细砂全部替换为风成砂，由碎石提供骨架，水泥与粉煤灰作为胶结剂。如果这种配方，即水泥-粉煤灰稳定化风成砂碎石，能经受住严酷的沙漠环境，它就能把一种曾被视为次要的资源转变为现代公路的基础。

在高温、冰害与盐分下进行试验

真实的沙漠路面要承受酷热夏季与寒冷、有时还带盐分的冬季。为此，研究团队制备了不同风成砂含量和两种压实度的圆柱试样。然后将试样在道路施工常见的中高温下养护，再将其置于反复冻融循环中，循环介质为淡水和低浓度盐溶液。在整个过程中，研究者测量了材料的抗压强度、随着剥落导致的质量变化，以及其内部化学状况（通过pH值跟踪）。

热与冰如何改变强度

试验表明，养护温度是一把双刃剑——但可以被合理利用。与常温养护相比，温暖的养护显著提高了材料强度，约40 °C成为一个理想温区。在该温度下，水泥水化更快，来自火力发电厂的粉煤灰参与二次反应，填充孔隙并收紧内部结构。然而，继续提高养护温度最终会使混合物过度干燥并促成微裂缝，削弱增益。当试样随后经受反复冻融循环时，其强度逐步下降，尤其是在风成砂比例增加或压实度降低时更为明显。冻结用水中的盐分在初期似乎会填充孔隙、略微延缓早期损伤，但经过较多循环后，它有助于破坏砂、碎石与胶结剂之间的粘结，增加表面剥落。

实时观察裂缝扩展

为了不仅看到损伤的程度，还要了解其扩展方式，研究者采用了一种基于相机的技术，跟踪试样表面在受载时的微小位移。这种数字图像方法揭示了一个三阶段模式：初始阶段应变分布较为分散；增长阶段出现窄带集中应变；最终阶段主裂缝突然贯通样品并导致脆性破坏。较低的压实度和较高的风成砂含量使这些应变带更强且更纠结，表明更松散、更含砂的配比更容易发生快速裂缝扩展。研究团队还建立了将配合设计与冻融历程联系到强度的数学模型，预测精度超过98%，为工程师提供了预测长期性能的实用工具。

对沙漠公路的意义

总体而言，研究发现由碎石、水泥、粉煤灰和高比例风成砂组成的路基地材，在良好压实并于约40 °C养护的条件下，可以兼具耐久性和经济性。尽管增加风成砂会削弱材料在冻融条件下的抗性，尤其在含盐环境中更为明显，但合适的砂量、胶结剂配比和压实度仍能满足多类公路的强度标准。由于该配方同时利用了工业粉煤灰并减少了长距离运输骨料的需求，它为横跨广袤沙漠建路提供了一条更低碳的途径——将曾经麻烦的风成砂转变为现代交通的实用基础。

引用: Wang, B., Zhao, Y., Zheng, P. et al. Durability and damage evolution of cement-fly ash stabilized aeolian sand gravel under high-temperature curing and freeze–thaw cycles. Sci Rep 16, 8519 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38126-1

关键词: 沙漠公路, 风成砂, 冻融耐久性, 粉煤灰混凝土, 路基地材