庄中霞1,王士恩2

(1.广东水利电力职业技术学院,广东广州　510635;2.广东水利水电科学研究院,广东广州　510635)

摘要:土料的固化技术一直以来在土木工程领域中都是备受关注的课题.特别是将其引入到工程的应用中, 对节省资源、防洪消险、有效利用水资源等均有明显的效果.利用固化新技术加固城市堤防,可提高堤防的防 渗、抗压等性能,同时具有施工方便、就地取材、维护方便等优点.

关键词:固化技术;堤防加固;利路力;防渗

中图分类号:TU472.5　文献标识码:A

1　堤防加固概况

堤防加固一般采用加高、加宽原堤防的方法, 以达到设计断面要求,对于透水堤基采用各种截 渗措施,以截断或延长渗径.但是部分传统的堤防 加固方法因造价较高,而新型土料固化剂具有适 用范围广、性能稳定、价格低廉、就地取材、施工及 维护方便等优点[1],非常适合目前市场的需要,在 固化技术中越来越受到广泛的重视.

现场试验堤段位于广东省中西部的新兴县, 属西江流域,新兴江自南而北贯穿全境,最后汇入 西江.新兴城市堤防多采用当地材料筑成,防洪标 准不高,河堤较低,堤身稳固的关键是堤脚要稳, 这样就难以被洪水冲毁.此次工程项目是利用固 化技术加固堤基土层,增加其强度,减少其变形[2]. 采用高压喷射灌浆防渗加固技术,在浆液中加入一 定量的利路力(Renolit)固化剂,而且还将Renolit固 化剂用于堤面道路、护坡及护脚固化技术. 堤防的加固方法很多,相对于一般的加固方 法,添加Renolit固化剂的新颖之处在于:Renoli 和水泥与当地泥土材料搅拌、混合后,形成水稳 层,抗渗性能较好;泥土固化剂不需要重新加工碎 石和沙,大大减少了工作量,节约了成本;固化剂 具有环保和提高工程质量的优势等.在浆液中加 入一定量的Renolit固化剂加固堤防在我省堤坝加 固中尚属首次,是一次试验性应用.

2　利路力泥土固化剂的技术性能及 加固机理

2.1　利路力(Renolit)泥土固化剂的技术性能 随着注浆技术的广泛应用,注浆材料得到了 较大的发展.注浆材料从最早的石灰和粘土、水 泥,发展到今天的水泥—水玻璃浆液和各种化学 固化浆液,Renolit固化剂就是其中的一种. 溶液型灌浆材料又叫化学浆材,可分为水玻 璃类、丙稀酰胺类灌浆材料、丙稀酸盐类土料固化 剂、聚氨酯类灌浆材料、环氧树脂灌浆材料、木质 素类灌浆材料等.在此以Renolit固化剂为例说明 其特性.添加Renolit固化剂的固化浆液和凝胶体 的主要性能:①聚合反应开始前,粘度基本保持不 变.聚合反应一旦开始,粘度急剧变化,具有很快 达到最终凝胶的性能;②浆液可灌性能好,浆液更 加浸润土粒,对地基内的微细孔隙有较好的可灌 性;③浆液胶凝时间可在数秒到数小时内控制;④ 凝胶体的渗透系数在10E-7~10E-10cm·s-1之间, 固体砂的渗透系数在10E-5~10E-8cm·s-1之间; ⑤固砂体抗压强度在0.3~1MPa之间.

Renolit土料固化剂较适用于灌浆工程中浆液 的固化,由于固化浆液的可灌性好,防渗效果明显, 可用于堤坝防渗加固中作为灌浆材料的添加剂. Renolit固化剂通过与土料发生物理或化学等 的反应,使土体得到固化,属于固化材料中用量少、效果好的添加剂,而且这类固化剂可有效地固 化砂石和泥土(包括砂质土、粘土、粉土、淤泥、城 市垃圾、粉煤灰、工业废渣、建筑弃渣等)以作建筑 材料,与传统的固化方式如水泥或石灰等相比,在 同等条件下,同龄期固化体的强度得到了很大的 提高,且抗渗、抗冻、防腐蚀性能也很好.

2.2　利路力泥土固化剂加固机理与室内对比试验

利路力(Renolit)泥土固化剂是一种以聚合材 料和纤维组织为主要成分的复合泥土固化剂.当 它和水泥、土壤结合时,增强了土颗粒的粘聚力和 颗粒间的结合力,从而提高了水泥土壤的强度、弹 性模量和耐水性能,不仅可以防止水泥土出现干 缩裂缝而降低强度,而且可以在寒冷地区防止冻 胀.因而多年来一直被用来作为路面结构的基层 和垫层,也可直接作为路面面层使用.

利路力是一种分子聚合物添加剂,化学成分 主要是:丙烯酸树脂≤5%;钙盐≤8%;矿物油≤ 1%;纤维素≤2%;水≤84%.丙烯酸盐是丙烯酸 和金属组成的有机电解质,加入交联剂后就生成不溶于水的聚合物.丙烯酸盐固化剂是由一定浓 度的单体、交联剂、引发剂、缓凝剂等组成的水溶 液.常用的交联剂多为N-N-亚甲基双丙稀酰胺和 六氢-1,3,5三丙稀酰基一均三嗪,丙烯酸盐常采 用氧化还原引发体系,通过游离基聚合反应生成 不溶于水的含水凝胶[3].

利路力泥土固化剂外观为白色粘胶状液体, 无毒、无环境污染;当它与普通水泥及现场土料混 合搅拌后会凝成混凝土状物料且强度高,不必烘 干;凝结过程迅速,在短时间内形成高强度、防水 性能好、防腐耐用、稳定性强的混凝土是依靠其分 子高强度的拉聚力,一旦形成混凝土状物资后,坚 强耐用;它总体成本低廉,一般只有钢筋混凝土高 速公路造价的50%左右.与常规水泥相比,利路 力具有明显的市场优势.其使用方便性与常规水 泥相当,但成本更具优势.且不要求添加沙石料, 也不要求钢筋,这会带来较好效益,尤其在边远地 区或沙石料昂贵的地区.实验室将Renolit与硅酸 盐水泥对比试验结果[4]如表1、表2所示[4].

从表1,表2可以看出:使用的抗压强度明显 高于同比掺入量的水泥(强度比>1),而且随着 Renolit掺量的增加,Renolit固结体的强度也随之 增加;Renolit固结体的抗渗、抗变形、抗冻性能也 优于水泥和粘土.

3　固化剂在加固堤防中的应用

3.1　Renolit在堤防高压喷射灌浆防渗技术中的应用

高压喷射灌浆的喷射流具有冲击切割破坏土体并使浆液与土搅拌混合的功能.浆液在高压射 流作用范围内扩散充填,要求有较好的可灌性和 可塑性.添加合适的固化剂可改善这些性能,从而 提高凝结体的物理力学特性、渗透稳定性及结构 稳定性.本次现场试验添加了10%的液状Renolit 固化剂于粘土水泥浆中.

高压喷射灌浆时,一部分浆液与地层搅混进 入地层,另一部分浆液将由孔壁流出地面(俗称冒 浆).浆液控制的主要目的是在保证浆液量的前提下,使用最优的浆液水灰比和最佳固化剂掺量, 尽量减少或降低冒浆量,以保证加固效果.为此, 在堤防高压喷射灌浆中采取以下几条措施:①选 用合适的水灰比.高压喷射灌浆工程一般采用的 水灰比不大于1∶1的浆液,由于本次加固强度要 求不高,主要作为防渗加固用的工程可用一定比 例的粘土水泥浆,并加入10%的液状Renolit固化 剂,以提高其固化效果,降低工程造价;②通过试 验,调整工艺参数,使其冒浆量最小;③对流出地 面的浆液,经过沉淀池沉砂回收再次利用.

本次现场试验施工采用单管高压旋喷注浆, 其施工作业流程为

定孔位→造孔→下喷射管→喷射→旋转提升 →回灌→成桩→结束

↑ 高压粘土水泥浆(添加固化剂)

在施工期间及完工后,对旋喷桩进行抽芯检 查,抽芯孔数为各段施工旋喷桩数的2%.各抽芯 孔所取芯样完整、含量均匀、强度较高、连续性良 好,通过检查证明,在高压旋喷注浆工程中添加约 10%的Renolit固化剂能提高防渗性能、硬化性能, 效果较理想.

3.2　堤面道路、护坡及护脚固化技术

固化堤面不仅可以方便交通和汛期抢险,而 且可以防止雨水在堤顶渗漏给堤坝造成的破坏. 可参照Renolit在公路中的应用技术,堤面道路上 应用土料固化剂的主要程序如下:

(1)前期准备工作:土壤物理化学性质分析→ 固化剂选用及成本分析→固化土物理力学渗透性 试验→调整固化剂配比;

(2)规划设计:选择设计方案→确定施工方案 →施工组织设计;

(3)施工流程:场地平整、松土、粉碎→散铺固 化剂→拌和(调整含水量)、整平、压实→养护,必 要时修补.

采用土料固化剂制作护坡的方法很多,如斜 坡碾压方法、现浇法、喷浆法、膜袋法、预制件法 等.在现场采用利路力固化当地土料,仿照路面施 工的方法在斜坡上按设计要求进行翻挖、破碎,使 其破碎度均匀,并均匀混合泥土,按配方用量(大 约为泥土的10%)的水泥均匀混入该翻松泥土中, 用机车把上述泥土—水泥翻混均匀,再压整成形. 用已准备好的Renolit—水均匀混合液的洒水车将 坡面喷洒均匀,一般来回三次.约需2h后再压 实,待其凝结3h,即可凝结成较硬的坡面. 在坡面坡脚波浪冲击较频繁的部位,可以考 虑设置消波性能好、结构牢固、施工方便而且经济 的防浪异形块体,这些异形块体大多采用钢筋混 凝土制成,为减少造价,考虑结合当地原材料情 况,采用土料固化剂固化当地土料或砂卵石来制 作,为增加固化异形块的抗冲刷能力,还可以在土 料中掺加一定量的抗拉强度较高的短纤维.

4　使用Renolit固化剂的施工要求

堤防工程由于受自然条件的作用和人为因素 影响,工程状态较为复杂,因此应把好施工质量 关.土料固化技术作为一种试验新型加固方法,尚 没有统一的行业规范,在水利工程施工质量监控方 面,目前也没有统一的标准.因此采用土料固化技 术固化土料主要应依据《土工试验方法标准》(GBJ -88),《堤防工程设计规范》(SD50286-98)等. 在堤防灌浆中,选择合适的泥浆,是保证灌浆 质量的重要条件.不同的浆液直接影响泥浆的固 结速率和所形成浆体帷幕的防渗效果.所以在灌 浆前应对本地粘性土料制成的不同稠度的泥浆进 行物理力学性能试验,以便掌握各种浆液的物理 力学性质,在灌浆施工中选择合适的泥浆.泥浆的 试验内容一般有流动性(粘度)、自由析水率和稳 定性等.灌浆对泥浆的一般要求是:可灌性好、稳 定性高、析水固结快,形成浆体防渗性能强,变形 模量与坝体土相近.试验证明添加Renolit固化剂 的浆液可改善这些性能.

土料固化剂用于高压旋喷灌浆、堤防护坡、道 路,在工程施工前,应对现场采用的土料及砂砾料,取具有代表性样本进行试配,以确定满足工程 要求的配合比.对所用土料进行检查试验,以确定 用料品种及范围,保证用材合格.对原坡面清理后 取样测试,坡面软弱部位应先行挖除人工补填夯 实.原材料因品种及含水量有变异时,应根据要求 调整配合比,以保证配比准确无误.

另外,在固化剂与土料的搅拌均匀度及含水 量的调整中,现场施工要求较高,应严格按照规范 操作,否则使用固化剂的效果不明显,这也是阻碍 新型固化剂推广使用的重要原因之一.

5　结　语

(1)土料固化剂这一首先在交通公路等方面 应用的新型建材在城市堤防工程领域也可使用.利用土料固化剂进行防渗加固施工,其强度和防 渗效果有一定的改善.如果施工质量得到保证,加 固后可明显减少堤坝的渗水量,在简易公路、护坡 中的应用效果更好.

(2)土料固化剂这项新技术的兼容性较好,便 于与各种施工方法相结合.例如在堤坝防渗加固 的一些方法中添加合适的固化剂,将固化剂按比 例加入回填土或固化浆液中,采用综合技术,其固 化效果可明显得到改善,而成本相对而言增加 不多.

(3)土料固化剂对土料的的适用性较广,在固 化土或灌浆中加入相应的固化剂,相对于其成本 而言,它的强度、防渗等性能改善显著,比掺同量 水泥、石灰的固化效果要好.与混凝土相比,能节 省大量的水泥、沙石料费用,因此综合造价较低.

参考文献:

[1]　梁文泉.土壤固化剂的性能及固化机理的研究[J].武汉水利大学电力学报,1995,28(6):675.

[2]　侯瑜京.土壤固化剂技术在堤防加固工程中的应用[R].中国水利水电科学研究院,2000.

[3]　利路力(Renolit)泥土固化剂[Z].泰国国际利路力总公司,2001.

[4]　庄中霞.土料固化剂固化土料的室内试验研究[J].中国农村水利水电,2006(3):92-94.