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/T3070—1998)。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。

2·1　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:①凝结后容易产生干缩裂缝,受环境和温度影 响较大;②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;③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。

2·2　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:①持续作用时间长,加 固强度高;②加固后为柔性基层,不易产生裂缝; ③材料对人、动物、植物没有毒害作用,是绿色产品。各个国家的主要离子固化剂品种如表1所示。

2·3　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固结原理。

3·1　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:①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;②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;③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。

3·2　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]。①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。②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,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。

4·1　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)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。

4·2　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:①温度收缩性能;②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。

4·3　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:①测定在规定的时间 内,道路发生沉降值的大小;②计算道路发生规定 的沉降量所需要的天数。

4·4　加固土的稳定性实验

稳定性实验包括两个方面:①水稳定性实验; ②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,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。

4·5　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 以下几个方面。

6·1　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2·36万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]。

6·2　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]。

6·3　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5·5m,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7∶93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/TS0—98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 无机类占主导地位,特别是石灰、水泥、工业废渣由 于其有较好的性价比在土壤固化工程应用最为广 泛[13]。土壤固化剂使用还是处于初级阶段,固化剂 的应用还没形成一个统一的施工规范,大部分工程都 还是处于一个试验的性质,很多情况下都是与传统的 加固方法作对比。工程量都很小,施工经验和器械都 缺乏。国内产品应用较少,大部分都是采用国外应用 较成熟的固化剂。

7　结　论

7·1　土壤固化剂的特点

土壤固化剂作为一种新型土壤加固材料与传统的 加固材料有着其固有的不同特点,主要体现在以下几 个方面:

(1)固结速度快,早期强度高,同时固结土的 抗渗性能、抗干缩和抗冻性能都要好于传统的石灰稳 定土和水泥稳定土。

(2)土体干燥速度快。由于加固剂加固土固结 时会吸收、固结土体中的水分,使得土体含水量降 低,从而改善土体的稠度,降低土体的塑性指数。

(3)固化剂的用量少,就地取材,减少运输、 节省施工时间和降低工程造价。

(4)土体压缩效果好,便于施工。固化剂(尤 其是液体固化剂)与土体易拌和,与土壤接触较均 匀,反应较充分。

(5)不但初期强度高,而且与水充分作用,固 结时间较长,反应充分,后期强度也很高。

(6)目前能够适应不同类型土体的土壤固化剂 较少,不同种类的固化剂对不同类型的土体的加固效 果的差异也很大,有的适合砂性土、有的适合粘性土 和粉土。工程实践当中,每种加固土的混合配比都需 要通过实验确定。加固剂的不普遍性导致了他不能够 像水泥那样进行规模化生产,制约了他的发展。

7·2　对国内土壤固化剂的发展提出几点建议 国内土壤加固剂的发展还处于初级阶段,很多从 事道路方面的科技工作人员对这方面的信息了解很 少。固化剂作为一种新型的土壤加固材料有着其固有 的优点,是土壤加固材料发展的趋势。国内加固剂的发展与国外还有很大的差距,在追赶国外高技术的发 展历程当中要注意以下几点:

(1)形成一个系统的教学体系。土壤固化技术 在国外已经形成了一门发展成熟的自然科学学科。他 涉及到土壤化学、岩土力学、有机高分子化学、材料 工程、环境工程等众多学科的知识。但是在国内土壤 固化学发展较为零散,发展混乱。应该加快形成一个 系统的本科和研究生教学体系、正规的科研机制,为 我国固化技术的发展提供强大的理论基础。

(2)加强与国外科学技术的交流。国内固化技 术起步较晚、起点较低。要想追赶国外的土壤加固技 术,应该加快发展步伐,这就要求多与国外进行科学 技术交流,吸取别人优点、找出自己不足、少走弯 路;同时不能照搬硬套,不同国家的土体性质不同, 应该形成一个适应我国土壤状况的加固技术。

(3)科研同时要考虑到土壤加固剂加固土体的 单独性和普遍性。土壤颗粒组成、矿物成分和化学成 分往往因成土条件的不同而不同,导致土壤固化剂的 固化性能有很大差异,所以研究工作应当考虑到土壤 固化剂的单独性。但是同时,规模化生产又要求土壤 固化剂的普遍性。在研制土壤固化剂时应当考虑到自 然界中各种土壤分布的不均匀性,施工过程中土质的 不确定性。因此又应当兼顾土壤固化剂的普遍性。

(4)制定出相应的试验规程和施工技术规范, 研制出专用的施工设备。由于土壤固化剂的应用领域 不同,不同工程要求的固化性能指标也就有所不同。 应当根据工程的需求,有针对性的测定土壤加固剂加 固土体的性能。但是目前国内土壤固化剂还没有统一 的、专门的试验规程,对各种土壤固化剂的研究与比 较造成了困难。因此,应制定土壤固化剂的试验规 程。同理应该尽快制定出相应的施工技术规范来规范施工过程。同时市场上还没有出现适用于土壤加固剂 的专门施工机械,影响到土壤加固剂的施工速度和施 工效果,为了固化剂的更好、更全面的发展应该开始 研制适用土壤加固剂的专门施工机械。

参考文献

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