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1、土壤固化剂技术研究与工程应用现状柯结伟,庞有师,陈志勇(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007)摘要:从土壤固化剂的分类、物资材料组成、实验研究方法、固结机理四个方面来阐述土壤固化剂的科学研究现状。阐述了固化剂产品在我国的工程应用现状,并综合分析固化剂的发展形势,指出其中不足,对国内固化剂的发展提出几点建议。关键词:土壤固化剂;分类;技术研究;工程实践;固结机理软弱地基处理一直是困扰道路建设的一个难题,在我国的干线公路,特别是高等级公路建设中,普遍采用石灰稳定土、水泥稳定土或各种综合稳定土类底基层等传统的土壤加固方法。而这些方法往往会带来土体强度不够、容易产生收缩裂缝、受环境温度影
2、响较大、工程费用增加、生态环境破坏等方面的问题。土壤加固剂作为一种新型的土壤加固材料,它的出现,研究与应用解决了关于软弱地基处理方面的很多实际问题。国外一些发达国家在20世纪40年代就开始了对土体加固技术的研究,并已经形成了一门综合性的交叉学科。国际上,欧洲建筑业最先提出土力学理论;日本由于地理因素限制,对土壤固化剂的研究投入很大,成果较多;美国和加拿大在利用土壤固化技术建设道路上有很多成功的例子;还有像德国、澳大利亚、南非等国也处在研究的前列1。土壤固化剂自从20世纪90年代引入我国以来,科学研究方面已经取得了一定的成果,并且我国建设部于1998年6月30日发布了土壤固化剂的行业标准(CJ/
3、T30701998)。国内土壤加固剂在路基加固、堤坝防护、渠道防渗等方面得到的一些实际应用,在减少工程费用、提高路基强度、减少施工工期、增强土体稳定性等方面取得了一定的效果。目前国内不少科研院所也开始了对土壤加固技术的研究,建筑材料市场上也出现了少量我国自己开发研制的土壤加固剂。但从整体上看,国外与国内的土壤固化剂都存在一些缺陷,如直接作为基层强度还不够高、单一品种固化剂只能适应某种特定类型土壤等等。这也是制约土壤加固剂广泛使用重大因素,而且近几年研究工作也处于低潮。该文从土壤固化剂的分类、结构物质组成、固结原理、试验研究方法、固化剂的国内市场、固化剂的工程应用六个方面阐述土壤固化剂在我国的发
4、展现状,并指出发展当中的几点不足,以便各方从中找到自己的科学研究方向。1土壤固化剂的分类国内的固化剂产品大致可以分为标准固化材料和非标准固化材料两类,而土壤固化剂属于非标准类固化剂。在非标准固化剂中按其作用原理的不同又可以分为物理类、化学类和生物类固化剂,其中生物酶类土壤固化剂是一种高科技液态复合酶制品,具有催化土壤固化、改变土壤结构的显著作用,是一种高效生物土壤稳定材料。他的出现使受“土蚁塔”的启发,通过研究蚂蚁唾液的成分和固化原理,最近研究制造出来的。现在市场上的固化剂大都以化学固化剂为主。化学固化材料从其组成上应分为有机类和无机两大类:(1)有机类:可分为单组分和多组分的液体这里的单组分
5、和多组分并不是以往概念上的组分,他是以固化材料原液的种类划分的。(2)无机类:有固粉型和液粉型之分,而固粉类中多是以水泥和石灰为主的无机结合料,我国现行的土壤固化材料多是以这种固化形式为主。固化剂的分类形势,如图1所示。2土壤固化剂的结构物质组成随着科学研究的深入和工程实践的增多,新材料不断出现,固化剂的种类也就越来越多。目前市场上土壤固化剂的材料分为无机结合材料、含有离子的粘稠状液体物质和化学物质三种物质组成2,同时材料的不同决定着他们有着不同的性质。21无机结合料无机结合料类主要包括石灰、水泥、粉煤灰和一些为了提高早强性的钠盐。可以某种材料单独使用,也可以几种材料混合运用。作为一种传统的固
6、化剂,有着丰富的工程实践经验。虽然原料丰富,价格便宜,但经过实践,人们同时也发现了他有很多方面不足:凝结后容易产生干缩裂缝,受环境和温度影响较大;加固土的类型受限制,对塑性指数高的粘土和有机土加固效果不理想;早强性能差,直接影响工程进度,加入早强剂又会直接提高原材料价格。22含有多种强离子的粘稠状液体物质含有多种强离子的粘稠状液体物质形成的固化剂一般为离子固化剂(IonicSoilStabilizer)。1959年发明于美国,逐渐流传到加拿大、南非、澳大利亚等国。具有以下几方面优点:持续作用时间长,加固强度高;加固后为柔性基层,不易产生裂缝;材料对人、动物、植物没有毒害作用,是绿色产品。各个国
7、家的主要离子固化剂品种如表1所示。23化学物质两种或者更多品种的化学物质组合一般形成复合型土壤固化剂,主要是针对不同的土壤类型来选择不同的组合方式。产品有固态和液态两种形式。国内在方面研究发展较快,NCS固化剂是我国较早研制成功的新型复合粘性固化剂,紧接着武汉工业大学硅酸盐工程中心采用矿渣、石灰及固化元素复合而成了H干硬性固化剂。3土壤固化剂的固结原理固化剂的固结原理不仅同材料组成有关,不同的土壤环境、固化时间的长短都会改变固化剂的固结原理。但固化剂的材料种类决定了固结原理的大致类型。无机稳定类固化剂一般呈固态,而离子类固化剂和有机类固化剂一般呈液态。下面按照固化剂的物理形态来分类阐述固化剂的
8、固结原理。31固态固化剂固态固化剂大部分包括水泥、石灰等无机稳定材料。固化主要包括以下过程:在水的作用下产生化学反应生成凝胶状的水化物来固结土壤;与水作用下产生钙、镁、铝离子与土体中的钠、钾进行置换,减小电膜层厚度;与土混合作用产生结晶体将土体中自由水以结晶水的形式存储下来10,从而达到固结效果。32液态固化剂液态固化剂一般包括离子类固化剂和有机类固化剂3。离子类土壤固化剂一般固化原理为:用水稀释后,产生强大的离子作用,这种电化学作用可改变粘土颗粒双电层结构,能永久地将土壤的亲水性变为疏水性,使土易于压实,形成结构稳定的整体板块。有机类固化剂的固结原理一般为固化剂渗透到土体当中,发生化学反应,
9、生成无机胶凝体从而达到固化效果。4土壤固化剂的一般试验研究方法室内实验是检测土壤固化剂性能的一重要手段。实验一般遵守公路路面基层施工技术规范4、公路工程无机结合料稳定材料试验规程5、土工试验方法标准6三个标准。实验测定一种土壤固化剂的质量好坏往往是从以下几个方面着手的。41强度实验作为土壤加固剂加固路面或者道路基层,土体的抗压强度当然是最受关注的。大多数情况下都是测出他的无侧向抗压强度。进行加固剂加固土的强度试验一般按照以下步骤进行7:(1)土样选择和土体各种性能指标的测定。在进行土壤固化剂适应土壤类型测定时,往往要选择不同的土样,同时还要测定土体的液限、塑性、塑性指数、颗粒比重、含水量。(2
10、)试验样品的制作。在进行最佳配比的实验时,选择不同的配比制作不同的样品,控制样品养护温度和记录养护时间。(3)根据无机结合料稳定料试验规程试验操作方法,将养护后的试件置于压力机上下机头之间,加压至试件破坏,记录破坏荷载。42加固剂的收缩性能实验路面(尤其是沥青路面)出现裂缝大多与路基产生收缩裂缝有关,因此加固剂加固土的收缩性能成为了评定加固剂质量的另一个重要标准。加固剂的收缩性能主要考虑两个方面:温度收缩性能;干燥收缩性能8。一般情况下,温度大于0固化剂的温度收缩性能与石灰土持平;当温度小于0时,石灰土的温度收缩性能要好于加固剂。在干燥收缩性能方面,固化剂要大大好于石灰土。表2和表3为某种固化
11、剂加固土的温度收缩性能和干燥收缩性能与石灰土的比较。43加固土的弯沉实验土壤加固剂加固土使得固化土基层形成板体结构,承受来自路面的车辆荷载。在长期车辆荷载的作用下,道路沉降值得大小又成为了评价固化剂质量好坏的一个标准,这与土体加固后的弹性模量的大小有关。经常使用的有两种方法:测定在规定的时间内,道路发生沉降值的大小;计算道路发生规定的沉降量所需要的天数。44加固土的稳定性实验稳定性实验包括两个方面:水稳定性实验;冻稳定性实验。随着各种江河通道淤泥的堆积,地区性洪水发生的概率越来越大,这就对道路的水稳定性提出了要求,加固土的水稳定性也成为了加固剂质量好坏的一重要标准。温度变化不仅会引起温度收缩,
12、还会引起加固土强度降低。进行多次冻融循环,测量加固土体强度变化又成为实验研究的另一项内容。45加固剂对化境的影响随着环境保护意识的增强,人们对加固剂加固土又提出了新的要求。任何产品都必须标出对人、动物和环境破坏影响的大小。对固化剂有毒物质成份的鉴定必将成为一项新的实验内容8。5土壤固化剂产品情况国外土壤固化剂的工程应用已经相当普遍,像安定剂、富士土等都是国外使用较频繁,适用于各类土壤的固化剂。国内引进国外较多的土壤固化剂有:南非的ISS稳定剂(IonicSoilStabilizer),澳大利亚的TR12、日本的ATST(Aught-Set)3000固化剂,美国的EN-l固化材料等。同时我国也在
13、从事这方面固化技术的研究,目前已有近80家机构和公司在进行固化剂的开发应用9。国内主要的几种固化剂如表4所示。6国内土壤固化剂的工程实践情况在道路路基加固工程当中,我国大部分还是采用传统的石灰稳定土和水泥稳定土。固化剂的使用还处于初步应用阶段,很多道路技术人员对这方面的信息了解比较少,这方面的施工经验也很缺乏。在少量的土壤固化剂的工程实例当中大部分都是直接使用国外的产品,其中南非的ISS离子土壤加固化剂、北京中土奥特赛特科技发展有限公司代理日本的Aught-Set固化剂是在使用较为频繁的两种国外土壤固化剂。虽然土壤加固剂国内还处于初步应用阶段,但是到目前为止国内土壤固化剂的应用的范围已经涉及到
14、以下几个方面。61在防渗工程当中的应用水渠防渗和堤坝防渗是土壤固化剂在防渗工程应用当中的两个方面。2001年太原市森林公园改建指挥部决定采用北京中土奥特赛特无机土壤固化剂对湖底进行固化处理。其固化面积236万m2,占人工湖总面积的10%。此工程就属于无机土壤固化剂的应用10。62在农业工程方面土壤固化剂在农业工程中的适用范围很广。如:池塘、湖泊清淤以及淤泥质土的处理,农田水利设施的节水改造等8。63在道路工程方面土壤可用于高速公路,一级二级公路的基层、底基层,用于软弱路基的稳定处理以及低交通量公路、农业道路网的路面结构层或面层。他具有“固化速度快、相对强度高、收缩量小、经固化的土壤不会出现二次
15、流化”等优点,与传统的处理技术相比可以就地取材进行施工,能节省大量的水泥、砂石料费用,与混凝土材料相比,一般可降低造价30%左右11。这些优点使得土壤固化剂在道路工程中的应用发展势头良好。2003年9月中旬,法库县大泉眼乡一条路段进行固化土稳定基层的试验,该路全长1300m,宽55m,底基层为砂砾,基层为20cm固化稳定基层。根据实验室试验结果,选定固化剂与风化岩的比例为793混合料进行拌和,施工时按固化类路面基层和底基层技术规程CJJ/TS098中的湿路拌法施工。从固化土基层整形碾压后的情况来看,表面平整无沟槽和轮迹,颜色一致无裂隙、松散现象。碾压成型后的第二天基层表面已有一定强度,已经可以洒水养生,从表观看效果很好。目前该路段已使用一年有余,路面情况基本完好12。但是到目前为止最经济实用、采用最多的方法中无机
