土壤固化剂加固软土路基技术及工程应用研究

土壤固化剂加固软土路基技术

及工程应用研究

科技研发项目立项申请

某年某月

项目名称：土壤固化剂加固软土路基技术及工程应用研究实施单位：某总承包项目部

负责人：

起止时间：某年某月-某年某月

公司科技研发项目立项申请

一、项目立项背景

在路基修筑时经常会遇到不良土质，如果不对其进行改良处理，其天然土质根本无法直接作为公路路基，否则路基很容易达不到预计使用年限就提前遭到破坏。目前采取较广的改良措施是将石灰、粉煤灰等改良物质添加到路基土中，使得路基的性能有所改善。但经石灰、粉煤灰等物质改良后的路基早期强度并不高，而且在施工过程中会产生较大的扬尘，不利于施工人员的安全作业。针对这种情况，一种新型的路基土壤改良措施应运而生，它是将土壤固化剂按适量比例掺入到路基土中，使之与路基土发生物理化学反应，用以改变原来路基土的力学性能，使其能够更好的满足路基的路用性能。

软土是工程建设中经常会遇到的一类土体，其强度极低、含水率高、有机质含量高，天然孔隙比大、且常含有重金属离子等，如何处理这些软土成为路基施工中亟待解决的问题。而其中，对软土的固化处理，是一种最为快速的方法。本研究成果将为采用土壤固化剂固化软土提供科学实用的施工控制依据，并为相关施工技术规范的制定提供第一手的资料，对改善软土路基的实用施工效果，提高路面使用品质、延长路面结构使用寿命，提高经济效益具有积极意义。

二、现状和发展趋势

（一）软土固化剂分类

对于软土固化剂，按照特点和形态，可分为液态和粉状固态固化剂‘按照成分可分为无机化合物类、有机化合物类、酶类、复合类固化剂等不同类型。其中，无机类又包括水泥类、石灰类、碱激发类等；有机类包括离子交换类、聚合物类等；酶类则主要指生物酶类；复合类则包括有机无机复合、有机酶类和无机酶类复合等。

（1）无机类软土固化剂

对机理认识的深入大大扩展了无机胶凝材料的范围，从单一的氧－硅－铝－碱土金属系统扩展到了氧－硅－铝－碱金属和氧－硅－铝－碱金属－碱土金属系统，将胶凝材料的范围扩展到第一主族，从而产物也越来越复杂，这三类胶凝体系的反应机理和产物各不相同，分别为：第一类是传统的胶凝体系，如石灰、水泥系等，产物主要为硅酸钙、铝硅酸盐、碳酸盐等；第二类为地聚合物，产物主要为碱沸石类化合物；第三类体系的最终产物主要为碱－碱土沸石及硅酸钙、铝硅酸盐、碳酸盐等。此外，一些学者开发出了碱－碳酸钙（镁）胶凝材料。

（2）有机类软土固化剂

离子土壤固化剂是一种由多个强离子组合而成的液体化学物质，以磺化油为主要材料，经中和后得到所需产品。在实际应用中具有用量少、易于运输、施工方便、早期和后期强度易于控制、对土的适应性强等优点，但也存在使用寿命期较短（３０年）、抗水性能较差、受环境的影响较大等缺点。高分子材料用于软土固化研究己经有五、六十年历史，较为成功的材料主要有丙烯酰胺类浆液、木质素类浆液、脲醛树脂类浆液、聚氨酯类浆液、橡胶乳液、沥青类乳液等。

（3）酶类软土固化剂

酶类固化剂是由有机物质发酵而成，属蛋白质多酶基产品，为液体状。国外学者对菌类稳定剂、昆虫稳定固化技术已进行了深入研究。生物酶对海洋黏土的加固效果最好，强度增加最高可达２０％，而生物酶对完全风化花岗岩的加固效果则不太理想，抗剪强度指标只有少许改变，海洋黏土和完全风化凝灰岩的压缩性因为生物酶的作用有所增强。酶类固化剂一般不适合单独固化软土，要混合其他固化材料一起使用才能达到更好的效果。

（二）固化机理

（1）无机土壤固化剂的固化机理

无机土壤固化剂的固化机理为：固化剂首先会和土壤中的水分发生反应生成水化硅酸钙、水化硫酸钙和水化铝酸钙等凝胶状水化物，这些凝胶状物质一部分自身硬化形成骨架，一部分与土壤颗粒生成络合物，最终形成空间稳定的网状结构，这种结构大大增强了土壤的稳定性，有的还会生成膨胀性物质填充网状结构之间的孔隙，改善土壤的孔隙结构，提高强度。无机类土壤固化剂发展较早，工程应用广泛，为了研究其固化机理，樊恒辉等采用扫描电镜和能谱分析的测试手段对水泥基土壤固化剂固化土的微观结构和固化剂水化产物进行了研究，结果表明水泥基土壤固化剂的水化产物包括水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、碳酸钙和三硫型水化硫铝酸钙（ＡＦｔ）等物质，其中水化硅酸钙凝胶和ＡＦｔ是构成固化土强度的主体。六方棱柱状的ＡＦｔ晶体和纤维状的水化硅酸钙凝胶纵横交错搭接形成网状结构，填充于土壤颗粒孔隙之中；网络状或者其他形状的水化硅酸钙凝胶附着在土壤颗粒表面并将其包裹，黏结相近的土壤颗粒。方祥位等也同样利用扫描电镜对ＧＴ型土壤固化剂改良土的微观结构进行分析，确定了固化效果主要来源于水化硅酸钙凝胶的生成。分别向土壤中掺入石灰和ＧＴ型土壤固化剂进行对比分析。从扫描电镜照片可以看到石灰改良土样的土壤团粒之间存在孔隙，而ＧＴ型固化剂改良土样中具有大量细小的钙矾石针状晶体与一些云状的水化硅酸钙凝胶体相互交织，并且将表面覆盖着水化硅酸钙凝胶膜的土壤团粒紧密连接在一起，形成了较为理想的亚微观内部结构，从而具有更好的工程特性。

（2）离子土壤固化剂的固化机理

离子土壤固化剂的固化机理为：离子固化剂可使土壤水分中的电荷与土壤颗粒电荷充分交换，发生离子交换反应，减弱由土壤毛细管力、表面张力以及土壤孔隙引起的吸水作用，破坏土壤颗粒的吸附水膜，降低颗粒间的排斥力，使得土壤从“亲水性”变成“憎水性”，最后经过整平、振动、夯实，提高土壤密度，形成新的土壤结构。Ｔｉｎｇｌｅ等将离子土壤固化剂的固化机理概括为：土壤颗粒吸附离子，发生离子反应和离子交换，改变土壤的分子结构，达到减少土壤颗粒表面电荷、减薄双电层、提高堆积密度的效果。离子固化剂主要用于对膨胀土进行改性。膨胀土的含水量变化会导致其体积发生较大改变，从而对修建于其上的人行道、住宅、地下公共设施等产生损害。Ｚｈａｏ等选取德克萨斯州的膨胀土为实验对象，测定经固化处理后膨胀土的膨胀率、液限、

塑限、塑性指数和线性收缩率等物理性质，并利用原子吸收光谱测定了固化前后土壤孔隙水中Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋、Ｃａ２＋的浓度。因为土壤孔隙水中的阳离子浓度增加可以减薄双电层的厚度，根据Ｇｏｕｙ-Ｃｈａｐｍａｎ理论，双电层厚度减薄会使膨胀土的膨胀势降低，所以通过测定膨胀土孔隙水中的阳离子浓度即可得出膨胀势的大小，从而评判固化效果的优劣。我国是一个滑坡等自然灾害多发国家，膨胀土稳定性受含水量影响较大是一个主要原因，Ｘｉａｎｇ等研究了ＩＳＳ离子土壤固化剂对河南安阳地区膨胀土的固化效果，固化后膨胀土的测试结果显示切变强度增加；垂直收缩率和自由膨胀率减小，这说明土壤颗粒表面吸附水减少，吸附层厚度变薄，土壤颗粒结合力增强；界面动电势和阳离子交换量减小。上述结果共同反映了ISS土壤固化剂对安阳膨胀土的固化十分有效。但是膨胀土的微观结构变化和ISS固化剂在土壤中的渗透作用仍需进一步研究。除了膨胀土之外，Alhasssan等研究了ISS2500离子土壤固化剂固化尼日利亚东北部黑棉土的效果，结果表明ISS2500固化剂可将碱性黑棉土转变为酸性，增强水分的离子化和土壤与水分的阳离子交换。6000ｇ黑棉土中加入３ｍl的ISS2500离子固化剂后其ＣＢＲ值可提高34.2％，塑性指数可提高2.85％。

（3）有机土壤固化剂的固化机理

有机土壤固化剂的固化机理是：组分中的某些活性物质溶于水后可以明显降低水的表面张力，置换出土壤中的阳离子，减小电势并减薄扩散层厚度，使得土壤颗粒之间的排斥力降低，从而易于形成压实度更高的压实体。除此之外，有机物相邻键节上带有正电荷并且分子量高，高分子链会与土壤颗粒互相缠结，形成封闭整体，提高强度和水稳性。

（4）生物酶土壤固化剂的固化机理

生物酶土壤固化剂的固化机理为：生物酶的催化作用和外界压力会在黏土颗粒表面形成凝结硬化壳，而渗入内部的某种酶组分会替换土壤中凝聚能力低的离子，可打破粘土矿物的双电层结构，排出其中的水分，促使土壤颗粒胶结、聚集。同时，吸附在粘土矿物表层和内层的固化剂能阻止对水分的吸收，以上这些因素协同作用使生物酶固化土的强度和稳定性均有所增强。常用的生物酶固化剂有泰然酶（Ｔｅｒｒａｚｙｍｅ）和派酶（Ｐｅｒｍａｚｙｍｅ），是一类环境友好、无毒无害的液体添加剂，主要用于道路底基层土壤的固化。当前关于生物酶固化剂的研究，主要集中在固化剂添加剂量和固化土养护时间对固化土的各种物理性能如无侧限抗压强度、加州承载比（ＣＢＲ）的影响上，而对其固化机理的研究较少。Ｅｕｊｉｎｅ等将泰然酶固化剂用于加固印度道路底基层土壤，得出了最适宜的添加剂量，分析了养护时间不同造成的固化土无侧限抗压强度的变化。Ｂａｂｙ等使用泰然酶固化膨胀性黑棉土，研究了不同泰然酶掺量和不同养护时间对固化效果的影响，结果表明随着固化剂掺量提高，黑棉土的液限、塑限、最佳含水量均降低，最大干密度则增大，无侧限抗压强度和ＣＢＲ值则随着掺量的增大和养护时间的延长而逐渐增大，说明泰然酶改变了黑棉土的膨胀性，改性后的黑棉土可以用于道路建设。