加固土是采用一定的技术措施改善土的物理-力学性质以适应工程技术上的要求。加固土的应用范围很广，它可以用来修建道路路面、机场道面的基层，铁路的路基，房屋、桥梁等建筑物的地基，以及水利工程中加固土体等。实践表明，在道路工程中采用加固土，可以降低劳动量，降低工程造价，并且随着材料运距的增加，应用加固土的效益就更加明显。该课题立足于试验的基础上，通过分析、归纳、总结试验结果，探索水泥加固风积沙的效果，以期得到对工程实践有指导价值的数据和结论。
7.2.1.1 水泥加固沙的理论基础
水泥加固沙可以使风积沙的强度得到很大提高。水泥作为固化剂加入沙中，在水的参与下，水泥与沙发生一系列的作用过程，即物理-力学过程、物理-化学过程和化学过程，不同的作用过程对水泥加固风积沙强度的形成与增长产生着不同的效果。
水泥分布在沙中形成坚固的核心，在所有的空隙中形成水化水泥的骨架借以约束沙粒。由于水泥用量很少，水泥的水化完全是在沙粒的围绕下进行的，沙对这一过程起着很大的影响，其凝结速度比在水泥混凝土中进行得缓慢。
水泥与土拌和后，水泥与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙并形成其他水化物。其各自成分的反应过程如下：
硅酸三钙（3CaO·SiO2）——水化反应生成水化硅酸钙和氢氧化钙：
2（3CaO·SiO2）+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca（OH）2
硅酸二钙（2CaO·SiO2）：
2（2CaO·SiO2）+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2
铝酸三钙（3CaO·Al2O3）——水化反应生成水化铝酸钙：
3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O
铁铝酸四钙：
4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca（OH）2+10H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O
硫酸钙（CaSO4）——在水泥中含量很少，但与铝酸四钙一起与水发生反应：
3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
当水泥的各种水化物生成后，有的自行继续硬化形成水泥石骨架，有的则与沙相互作用，其作用形式可归纳为：
（1）离子交换作用及团粒化作用。在水泥水化后的胶体中，Ca（OH）2和Ca2++2（OH）-共存。沙体中粉黏粒矿物表面通常会带有Na+和K+离子。析出的Ca2+会与Na+、K+离子进行当量吸附交换，其结果可以使沙粒形成土团。由于水泥水化生成物Ca（OH）2具有强烈的吸附活性，可以使这些较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥沙的链条状结构，有封闭土团间孔隙的作用，形成稳定的连接。
（2）硬凝反应。随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+，当Ca2+的数量超过上述离子交换的需要量后，则在碱性环境中与沙中活性的SiO2和Al2O3发生化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物。
（3）碳酸化作用。水泥水化物中的游离Ca（OH）2不断地吸收水中的
和与空气中的CO2作用生成碳酸钙：
这种反应也能使土固结，提高土的强度，但比硬凝反应的作用要差一些。
应该指出的是，由于沙体中的粉黏粒含量极少，在水泥加固土中，离子交换作用及团粒化作用和硬凝反应对强度增长的贡献相对黏土来说效果不明显，因此水泥加固沙的强度主要来自水泥水化物硬化形成的骨架。
7.2.1.2 研究方案
（1）材料试验。试验用材料为水泥（325＃）固化剂，以及用于试验的两种风积沙——塔克拉玛干沙漠风积沙（南疆塔克拉玛干沙漠腹地风积沙）和古尔班通古特沙漠风积沙（北疆古尔班通古特沙漠风积沙）。材料试验主要为水泥指标测定试验及风积沙基本特性试验。
（2）击实试验。确定两种风积沙在不同水泥掺入量情况下的最佳含水量和最大干密度。
（3）抗压强度试验。初选水泥掺量为6%、8%、10%、12%、14%。将各种配比的水泥加固沙按其最佳含水量拌和，以各自的最大干密度成型，分别用路面强度试验仪测其3d、7d、28d、90d龄期饱水抗压强度。根据7d饱水抗压强度试验的结果，确定下一步试验采用的水泥掺量。
（4）劈裂强度试验。水泥掺量的百分比为8%、10%、12%、14%。将各种配比的水泥加固沙按其最佳含水量拌和，以各自的最大干密度成型，分别用路面强度试验仪测其7d、28d、90d龄期间接抗拉强度。
（5）抗压回弹模量。水泥掺量为8%、10%、12%、14%。将各种配比的水泥加固沙按其最佳含水量拌和，以各自的最大干密度成型，分别用路面强度试验仪测其90d龄期抗压回弹模量。
（6）温缩系数试验。水泥掺量为8%、10%、12%、14%。将各种配比的水泥加固沙按其最佳含水量拌和，以各自的最大干密度成型小梁试件，测其90d龄期的温缩系数。
7.2.1.3 材料试验
在进行水泥加固风积沙技术试验研究时所采用的水泥为325＃矿渣硅酸盐水泥，其主要技术指标见表7-18。
表7-18 325＃矿渣硅酸盐水泥主要技术性质
试验所用的两种风积沙基本特性如下：
（1）风积沙的化学成分。
南疆塔克拉玛干沙漠风积沙呈黄色，轻矿物含量很高，一般在90%以上，主要是石英、长石和方解石。重矿物含量在5%左右，主要有闪石类、云母类、帘石类及石榴石、磁铁矿、赤铁矿、金红石、电气石。主要化学成分有SiO2、Na2O、MgO、Al2O3、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、Fe2O3，含量见表7-19。
表7-19 塔克拉玛干沙漠风积沙的化学成分
北疆古尔班通古特沙漠风积沙呈灰黄色，轻矿物含量一般在90%以上，主要有石英、长石、碳酸盐、云母。重矿物包括辉石、角闪石、云母、绿帘石、绿泥石、榴石、磷灰石，还有褐铁矿、赤铁矿等。石英和长石的含量随地貌单元而不同：沙丘顶处石英占79.9%，长石占8.0%；丘间地处石英占79.3%，长石占11.6%。
（2）风积沙的易溶盐含量。
从表7-20、表7-21可看出，两种沙样的易溶盐含量均较低，均属于非盐渍土。塔克拉玛干沙漠风积沙的氯盐含量比古尔班通古特沙漠风积沙高，而硫酸盐含量略低。
（3）风积沙的颗粒组成。
风积沙的粒度成分绝大部分由细沙组成，粗沙和中沙的含量都很低，粒径比较集中。为了使试验具有代表性和典型性，取样时取沙丘的顶部和底部沙样各半，再人工将其混合，取混合后的沙样作为试验用沙。筛分结果列于表7-22，可看出：
①塔克拉玛干沙漠风积沙的不均匀系数Cu=2.40，曲率系数Cc=1.45；古尔班通古特沙漠风积沙的不均匀系数Cu=1.90，曲率系数Cc=1.32。两种沙样的不均匀系数都较小，粒径比较均匀，均属于不良级配沙。
表7-20 塔克拉玛干沙漠风积沙易溶盐含量分析表
表7-21 古尔班通古特沙漠风积沙易溶盐含量分析表
表7-22 试验用沙的颗粒组成 （%）
②两种沙样粒径主要分布在0.25～0.074mm，均属于砂类土中的细沙。
③风积沙中的粉黏粒含量极少，表明颗粒表面活性很低，无黏性，松散性很强，水稳性好。
塔克拉玛干沙漠风积沙和古尔班通古特沙漠风积沙的级配曲线如图7-44、图7-45所示。
（4）风积沙的非塑性。
风积沙几乎不含粉黏粒，具有明显的松散非塑性性质，在大多数的情况下，风积沙的塑性指数几乎等于零。由于它的非塑性，使风积沙成型比较困难，而且成型后的抗剪性能也比较差。
（5）风积沙的透水性。
图7-44 塔克拉玛干沙漠风积沙粒径级配累计曲线
图7-45 古尔班通古特沙漠风积沙粒径级配累计曲线
风积沙具有良好的透水性，即沙粒表面对水几乎没有物理吸附性，最大吸水率不足1%，一般都在零附近。沙漠风积沙的滤水作用非常明显，水在沙层中直接往下渗透，使沙漠表层土经常处于干燥状态。
（6）风积沙的非湿陷性。
湿陷性是指土颗粒在干燥时具有较强的骨架结构，而遇水后骨架发生变形或崩塌的一种性质。风积沙的自然结构或压密结构都具有非湿陷性质，即沙颗粒遇到水后能够保持原有的骨架性质。
（7）重型标准击实曲线。
①试验方法及设备。试验按《公路土工试验规程》进行。击实筒容积2177cm3，锤直径5cm，重4.5kg，落高45cm，分三层击实，每层98次。
②试验结果及分析。试验结果见表7-23、图7-46和图7-47。
表7-23 塔克拉玛干沙漠风积沙重型击实试验结果
图7-46 塔克拉玛干沙漠风积沙的击实曲线
图7-47 干密度-含水量曲线
从图7-46、图7-47中可知，在含水量为零时，干密度为一峰值，随着含水量的增大，干密度开始降低，含水量ω=2%～4%（塔克拉玛干沙漠风积沙）、ω=3%～5%（古尔班通古特沙漠风积沙）时，干密度开始上升，直到ω=18.2%（塔克拉玛干沙漠风积沙）、ω=17.1%（古尔班通古特沙漠风积沙）时出现又一个峰值。
分析认为，由于土的压实实质上是克服土颗粒之间的内摩擦力和黏聚力将空气挤出，使土颗粒发生位移、错动、挤密、充填，致使颗粒间孔隙体积减小，从而提高土的密度，以增强土抵抗外部压力的能力的物理过程。因此含水量对风积沙压实过程的影响可归结为其黏聚力和内摩擦力的影响。
图7-47中点A代表风积沙的干燥状态，此时的沙干燥、松散，黏聚力近似为零，击实过程的击实功所需要克服的只是土颗粒间的内摩擦力。由于沙的固体颗粒周围存在未满足的应力场，可以吸附相邻的物质，所以表面结构和内部不同，暴露在正常的大气条件下，表面不清洁而含有被吸附的薄膜。由于上述薄膜的存在，真正的固体接触面积只可能在部分接触面上发生。由于吸附薄膜中物质的摩擦角要小于石英之类块状矿物的摩擦角，使得干沙颗粒之间的内摩擦角较小，在冲击荷载作用下易于相对移动、嵌挤和充填，达到密实稳定的状态和获得较大的干密度。
从点A到点B，随着含水量的增加，干密度逐渐减小，在点B达到最小值。分析其原因，首先是水对石英等矿物的非润滑作用而引起的，根据美国詹姆斯·米切尔（JamesMitchell）的实验，用氯化钠干燥过的石英颗粒与石英块之间的摩擦角为6°，而潮湿状态下为24.5°。其次是毛细管应力作用而产生的吸力。再者是因为颗粒间公共结合水膜的水胶结作用结合水不同于自由水，它具有一定的黏滞性、弹性和抗剪性，含水量较低时，通过公共结合水膜产生的水胶结作用很强，从而增大内聚力，使沙不易压实。
从点B到点C，随着含水量的增大，结合水膜的厚度增大，而厚层结合水膜的内外层具有不同的性质，其中水的黏滞性随着距离土颗粒表面的距离的增加而减小，水在颗粒之间的润滑作用逐渐增强，使得土体的内摩擦力逐渐减小，同时毛细作用随含水量的增大而减小，颗粒的移动变得容易。单位土体中空气体积减小，土颗粒和水的体积增大，干密度也增大，在点C达到最大值，含水量就成为最佳含水量。
点C以后，虽然随含水量增大，土的内摩擦力和内聚力还在减小，但单位体积内空气的体积已减小到最小限度，而水的体积却在不断增加，由于水是不可压缩的，因此在同样的击实功下，土的干密度反而减小。
7.2.1.4 水泥加固沙击实试验
将塔克拉玛干沙漠风积沙、古尔班通古特沙漠风积沙分别按6%、8%、10%、12%、14%的掺入量掺入水泥，试验方法按照交通部标准《公路土工试验规程》进行，试验采用重型击实。试验结果见表7-24、表7-25。
表7-24 塔克拉玛干沙漠风积沙的击实试验结果
表7-25 古尔班通古特沙漠风积沙的击实试验结果
7.2.1.5 水泥加固沙抗压强度试验
将两种沙样在各自最佳含水量及最大干密度条件下用静力压实法成型试件，并在标准的养生条件下养生到预定龄期，利用路面强度仪以1mm／min的速率加荷到试件破坏。记录试件破坏时的最大压力P（N），用下面的公式（7-14）计算试件的无侧限抗压强度Rc：
式中 P——试件破坏时的最大压力（N）；
A——试件的截面积（mm2），
；
D——试件的直径（mm）。
每个试验数据均取6次平行试验的平均值。
1）水泥加固沙中水泥掺量的比较
为比较水泥加固沙中水泥掺量的配比，将两种沙分别以五种不同的水泥剂量配比（6%、8%、10%、12%、14%）恒温恒湿养生7d，养生期的最后一天将试件浸泡在水中，水的深度使水面高出试件顶面2.5cm。试件的制备及试验方法均按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。
将不同剂量水泥加固沙的7d饱水抗压强度值列于表7-26中。
表7-26 7d饱水抗压强度 （MPa）
根据表7-26中不同剂量时所得的饱水抗压强度值来绘出两种沙样水泥剂量与强度的关系曲线，图7-48、图7-49分别为塔克拉玛干沙漠风积沙、古尔班通古特沙漠风积沙水泥剂量与强度的关系曲线。
从图7-48、图7-49中可以看到，两种沙样随着水泥剂量的增加，其抗压强度也随之增加，整个曲线呈上升趋势。12%剂量的两种加固沙均能满足不小于1.5MPa二级和二级以下公路底基层的抗压强度要求，14%剂量的两种加固沙均能满足2～3MPa二级和二级以下公路基层的抗压强度要求。
图7-48 塔克拉玛干沙漠风积沙水泥剂量与抗压强度的关系曲线
图7-49 古尔班通古特沙漠风积沙水泥剂量与抗压强度的关系曲线
饱水抗压强度与水泥剂量的函数关系如下：
为方便起见，将各种水泥剂量下的水泥加固风积沙用符号表示为：
塔克拉玛干沙漠风积沙掺入8%的水泥……1—8
塔克拉玛干沙漠风积沙掺入10%的水泥……1—10
塔克拉玛干沙漠风积沙掺入12%的水泥……1—12
塔克拉玛干沙漠风积沙掺入14%的水泥……1—14
古尔班通古特沙漠风积沙掺入8%的水泥……2—8
古尔班通古特沙漠风积沙掺入10%的水泥……2—10
古尔班通古特沙漠风积沙掺入12%的水泥……2—12
古尔班通古特沙漠风积沙掺入14%的水泥……2—14
2）抗压强度与龄期的关系
（1）将两种沙在水泥剂量8%、10%、12%、14%时，龄期为3d、7d、28d、90d的抗压强度值汇入表7-27中，并将龄期与抗压强度的关系绘图为图7-50与图7-51。
表7-27 不同龄期水泥加固沙抗压强度 （MPa）
（续表）
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图7-50 沙样1加固沙抗压强度与龄期的关系曲线
图7-51 沙样2加固沙抗压强度与龄期的关系曲线
从图7-50、图7-51中可以看到，两种沙样的抗压强度均随着龄期的增长而不断增加，回归公式如下：
式中 Y——抗压强度（MPa）；
X——龄期（d）。
可以看出，抗压强度与龄期大致呈指数关系，其增长速率随水泥剂量增大而增大。
（2）为研究每个龄期间隔的强度增长规律，根据表7-27中的计算结果，计算出不同龄期的水泥加固沙的日平均强度增长速率。计算方法如式（7-25）所示：
式中 V——某一龄期段日平均强度增长速率（MPa／d）；
R1——某一龄期段最初饱水抗压强度（MPa／d）；
R2——某一龄期段最终饱水抗压强度（MPa／d）；
T1——某一龄期段开始时的养生天数（d）；
T2——某一龄期段结束时的养生天数（d）。
计算结果列于表7-28中。
表7-28 水泥加固沙日平均强度增长速率 （MPa／d）
从表7-28中可以看到，水泥沙的强度增长速率显然要比水泥混凝土的强度增长速率慢，主要原因是在水泥加固沙中，水泥用量相对较少，水泥的水化完全是在沙的围绕下进行的，沙具有较高的亲水性，于是在水泥加固沙中出现“与沙争水”的现象，因此沙对水泥的水解与水化有着显著的影响作用，表现出水泥加固沙的强度增长要比水泥混凝土的强度增长慢。另一方面，沙颗粒中的粉黏粒成分对石灰或Ca2+具有吸收作用，从而引起下列情况发生：
①粉黏粒从液相中吸收石灰以及石灰由固相结合料中转入溶液中在很长时间内不断地进行着。
②液相中石灰的浓度有很大变化时，相应地固相中含水硅酸盐的成分也会发生变化，因而能影响到由其形成的晶体结构的键合强度。
由于沙体中粉黏粒含量很少，沙颗粒与水泥水化和水解的“争水”作用要比沙体中粉黏粒对石灰、Ca2+吸附作用显著得多。
从表7-28还可以看到，水泥加固沙在初期的抗压强度日平均增长率明显要高于其他时间段。这是因为在初期阶段，水泥加固沙处于最有利于各种反应的最佳状态，即沙颗粒等基材与水处于最佳配比，固体表面液膜中用于可交换的阳离子浓度最高，液相中的碱性最强，能被碱性所激发的活性火山灰物质的含量也最大，因此初期阶段在水泥加固沙中所发生的各种物理作用、物理化学作用以及化学反应的速度就相应较快，随反应而产生的结晶和凝胶结构形成也就相对较快，从而表现在强度日平均强度增长速率较快，随着龄期的增长，强度日平均增长速率逐渐变缓。
7.2.1.6 水泥加固沙水稳定性试验
将两种沙样各种龄期加固沙在保温、保湿养护条件下的水稳定系数（R饱／R干）列于表7-29。
表7-29 水泥加固沙日平均强度增长速率 （MPa／d）
从表7-29可以看到，不同水泥剂量的水泥加固沙的水稳定系数都随龄期的增长而增大。这是因为水泥加固沙经过了物理作用、物理化学作用及化学作用后，其内部晶体的析出、生长，晶体结构的形成等过程引起。
7.2.1.7 水泥加固沙间接抗拉强度试验
各种水泥掺量的沙样均按照各自的最大干密度用静力压实法成型试件，试件的尺寸为50mm（直径）×50mm（高），试件成型后立即进行保温保湿养生，养生期的最后一天，把试件浸泡水中，并使水面高于试件顶面2.5cm。用测力环式压力机以1mm／1min的速率加压。具体的试验方法按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。
每类沙样做三个试件的平行试验，试验结果列于表7-30中。
表7-30 水泥加固沙劈裂强度 （MPa）
（续表）
水泥加固沙的间接抗拉强度（劈裂强度）反映了加固沙颗粒的板体性。水泥加入沙体中，水泥与沙中水分发生水解、水化反应，产生的水泥石在沙体中形成骨架作用，将沙颗粒连接成整体，从而使加固沙的整体强度增加。从表7-30中可以看到，加固沙的劈裂强度随水泥剂量的增大而增大，而且随龄期的增加而增大。
7.2.1.8 水泥加固沙室内抗压回弹模量试验
各种水泥掺量的沙样均按照各自的最大干密度用静力压实法成型试件，试件的尺寸为100mm（直径）×100mm（高），试件成型后立即进行保温保湿养生90d，养生期的最后一天，把试件浸泡水中，并使水面高于试件顶面2.5cm。用预定的最大荷载的一半0.25MPa进行两次加荷卸荷预压试验，使承载板与试件顶面紧密接触。具体的试验方法按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。试验结果列于表7-31中。
表7-31 90d抗压回弹模量 （MPa）
加固沙的回弹模量代表材料的刚度，即在外力作用下抵抗变形的能力，从表7-31看，沙样的回弹模量随水泥剂量的增大而增大，两种水泥加固沙均具有较高的抵抗变形能力。
7.2.1.9 水泥加固沙的温缩性能
温缩系数采用钢弦式应变计测定。
1）钢弦式应变计的测定原理
图7-52受力部件3是指传力应变筒，当应变筒受到外荷载之后产生轴向变形，则钢弦被拉紧或松弛产生内应力σc。根据振动学理论，一根弦自振频率与其应力之间的关系为
图7-52 钢弦式应变计工作原理图
1—钢弦；2—支架；3—受力部件；4—线圈
式中 N——钢弦的自振频率（Hz）；
lc——钢弦的长度（cm）；
σc——钢弦的内应力（kgf／cm2）。
ρ——钢弦材料的密度（kg／cm3）。
当温度变化、钢弦受力时，可得到温缩系数αt的计算公式（7-27）：
式中 E——钢弦的弹性模量；
Δt——温差（℃）；
β——钢弦的膨胀收缩系数（με／℃）；
Ni+1——在温度为ti+1时，钢弦式应变计的频率（Hz）；
Ni——在温度为ti时，钢弦式应变计的频率（Hz）。
2）温缩系数的确定
将养生至90d的小梁试件（4cm×4cm×16cm，静压模法制成）在100℃恒温箱中烘至恒重，用应变计夹将被测试件与钢弦应变计固定在一起，再将被测试件与钢弦应变计一起放入恒温箱中恒温。按预定开始温度30℃恒温1h后，记录各钢弦应变计的初始频率，以温差Δt=10℃降温，每降一温差Δt后，恒温2h并采集数据，直到测试温度降至-25℃为止。计算单位温度变化所产生的应变值，即若每一温度区间（例如ti～ti+1）测定的材料温度收缩应变相为εi和εi+1，则该温度区间内平均温缩系数αt如式（7-28）所示：
式中 Δt——温差（℃）；
β——钢弦的膨胀收缩系数（με／℃）；
Ni+1——在温度为ti+1时，钢弦式应变计的频率（Hz）；
Ni——在温度为ti时，钢弦式应变计的频率（Hz）；
K——钢弦的系数，
。
3）温度收缩试验结果
温度收缩试验结果见表7-32。
表7-32 不同水泥剂量加固沙样温缩试验结果 （×10-6℃-1）
（1）水泥剂量对水泥加固风积沙温缩性能的影响。
水泥水化反应的产物由Ca（OH）2、CaCO3晶体以及水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙凝胶等构成，这些水化产物具有比原材料高的强度和比原材料大的温缩系数，是影响混合料温缩性能的主要因素。从图7-53可以看出，水泥剂量不同时，水泥加固沙混合料的平均温缩系数也不同，当水泥剂量较小时，平均温缩系数随水泥剂量的增加而降低，当水泥剂量大于10%时，平均温缩系数开始随水泥的增大而增大。初步分析认为：当水泥含量较小时，随着剂量的增加，水化生成物增多，混合料的整体刚度增加，颗粒间相互约束、牵制作用增强，对混合料的温缩系数起到了降低作用，宏观表现为混合料整体温缩系数减小：在水泥剂量相对较多时，随着剂量的增加，虽然混合料的结构刚度仍在增大，对混合料的温缩系数有一定的降低作用，但水化物含量的增加对温缩系数的提高作用更加明显，所以宏观表现为混合料整体温缩系数增大。
图7-53 水泥加固沙平均温缩系数与水泥剂量的关系曲线
（2）温度对水泥加固沙混合料温缩性能的影响。
为了分析温度对水泥加固沙混合料温缩性能的影响，根据表7-32的数据，将沙样1—14各温度区间的温缩系数结果以柱状图的形式表示为图7-54（其他沙样具有类似规律），从中可以看到，水泥加固沙的温缩系数αt随温度的降低而减小。在-10～0℃出现最小值，当温度t＜-10℃后又开始增加。初步分析如下：
在高温区0～30℃的温缩系数大于低温区-25～0℃的温缩系数，这是因为在高温时，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，温缩潜能大，因此宏观上表现为混合料的温缩系数较大；随着温度的降低，混合料颗粒相互之间逐步靠拢挤密，孔隙的直径变小，混合料的塑性减弱，温缩系数达到最小值；由于水化产物——水化硅酸钙、水化铝酸钙等凝胶具有较大的比表面积，随着温度的继续降低，凝胶体的表面张力明显增大，致使相邻粒子间的吸附作用加强，相互连接更加紧密，混合料中粒子间的距离进一步减小，宏观上表现为混合料整体温缩系数增大。
图7-54 温度系数-温度区间图
7.2.1.10 微观分析
前面已从试验数据上对水泥加固沙的力学性质进行了分析，下面从微观领域出发，了解水泥加固沙过程中新生成物的形态，以及形成怎样的结构使其构成整体，从而获得高的强度和良好的稳定性。
1）水泥加固沙的微观结构分析
（1）从图7-55看到，沙体中的孔隙几乎被水泥水化物晶体填充，大量的凝胶物紧紧黏在沙颗粒上，并有大量的针状纤维晶体正在形成，有向不同空间生长的趋势，有的针状纤维晶体已形成束状向四周延伸，将邻近的沙粒连接在一起，并有许多凝胶物不断增加并覆盖在固体颗粒的表面。
图7-55 塔克拉玛干沙漠风积沙的28d水泥加固沙微观结构（一）
图7-56 古尔班通古特沙漠风积沙的28d水泥加固沙微观结构（一）
（2）从图7-56看到，也有大量的针状纤维晶体形成，并向四周延伸，凝胶物越来越多。
（3）从图7-57看到，在沙粒的表面及沙粒间的孔隙中布满了网状的水化硅酸钙，这种致密的凝胶物形成所谓的“晶边-晶面结合”的蜂窝状结构，把沙颗粒包络于蜂窝状结构里面。
图7-57 古尔班通古特沙漠风积沙的28d水泥加固沙微观结构（二）
图7-58 塔克拉玛干沙漠风积沙的28d水泥加固沙微观结构（二）
（4）从图7-58、图7-59中可以看到，沙体中的孔隙几乎全部由片状的水泥水化产物氢氧化钙等填充，随着水化物的继续生成，水泥水化物将成为加固沙体连续的骨架结构，从而大大提高加固沙的强度。
图7-59 古尔班通古特沙漠风积沙的28d水泥加固沙微观结构（三）
（5）从图7-60、图7-61可以清楚地看到水泥矿物与沙体中的水发生剧烈的水解和水化反应后的产物，即片状的氢氧化钙。
2）水泥加固沙强度形成的微观结构分析
图7-60 塔克拉玛干沙漠风积沙的28d水泥加固沙微观结构（三）
图7-61 古尔班通古特沙漠风积沙的28d水泥加固沙微观结构（四）
水泥沙的强度主要来源于水泥水化物的胶结作用，水泥加入沙体中，使沙体的结构发生较大的变化，由原来的松散粒状变成颗粒的团聚结构，在粒状之间及表层生成了许多凝胶物质，这些凝胶物质主要为氢氧化钙和水化硅铝酸钙，是构成水泥加固沙的早期强度原因之一。凝胶结构往往是在颗粒接触的部位首先形成，一经连成整体后，几乎充满沙体中的所有孔隙，颗粒之间形成了致密的凝胶结构。这种结构具有如下特点：
（1）无定形结构。凝胶无方向地蔓延，所到之处，一经凝结，均形成了凝胶结构，从形貌上来看毫无规则。
（2）结构的连续性。凝胶结构是一种连续结构。颗粒之间由实体的凝胶所固结，这是与纤维晶体网架结构的区别所在。
（3）结构的稳定性。凝胶结构的无规则性，使这种结构具有各向同性的特点，抵抗外力的能力取决于凝胶膜的薄厚。不溶于水的凝胶愈厚，结构也就愈密实，物理-力学性能就愈好。
从图7-55、图7-56可以看到，随着龄期的增加，水泥加固沙的内部逐渐生出许多纤维状晶体。这些结晶为含水的硅酸钙、铝酸钙或水化硅铝酸钙。这些结晶体遍布在土颗粒之间，逐渐将土颗粒连接成整体，从而形成纤维晶体结构。
凝胶物具有很强的黏结能力，但这种黏结能力只产生于附近颗粒之间，对于较远的颗粒就不能直接发生黏结作用，针状晶体纤维网架结构正好填补了空间的位置，将近处的颗粒连接在一起，依靠凝胶结构与晶体纤维网架结构两种方式将众多的颗粒连接起来，形成整体强度。
纤维晶体结构具有如下特点：
（1）纤维晶体的生成及生长的方向性。纤维晶体往往在沙颗粒的化学活性部位生成，并沿着该方向生长。化学活性部位是纤维晶体生成与生长的中心，其他部位为凝胶所覆盖。但凝胶的形成并不阻止纤维晶体的生产与生长，表现出两者生成的二重性。
（2）纤维晶体生长的持久性。纤维晶体只要处于一定的温度与湿度环境下，就会随着龄期的增长而生成，且初期生长较快，中后期生长相对初期较慢，从而在力学性能上表现出早期强度增长快而后期强度增长慢的特点。
（3）纤维晶体的网架结构性。土颗粒表面的化学活性部位决定了纤维晶体生长的方向性。纤维晶体沿着不同的特定方向生长，也就自然地形成了纤维晶体的网架结构。这种结构随着龄期增长而加密，从而使水泥加固沙的物理-力学性能表现出抗压强度和水稳定性随着龄期的增长而得以提高。
（4）断裂纤维晶体的粗糙性。纤维晶体一经断裂，残折的晶体大大增强了表面的粗糙度。
上述的分析在一定程度上揭示了水泥加固沙的强度与微观结构的关系，以及物理-力学性能与微观结构的关系。
7.2.1.11 水泥固化剂加固风积沙技术试验的相关结论
（1）水泥加固沙的抗压强度随水泥掺入量的增大而增大，两者呈较好的二次抛物线关系；水泥加固沙的抗压强度随龄期的增长而增大，两者呈较好的指数关系。
（2）12%剂量的两种加固沙均能满足不小于1.5MPa二级和二级以下公路底基层的抗压强度要求，14%剂量的两种加固沙均能满足二级和二级以下公路基层的抗压强度要求。
（3）两种沙样的水稳定系数随龄期的增长而增大，而强度增长速率随龄期的增长而减缓。
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