土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究及案例

1 11.1課題研究的目的及意義 31.2國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 51.3課題研究內(nèi)容及結(jié)論 1.4課題研究創(chuàng)新點(diǎn) 第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述 2.1土壤固化劑分類 2.2土壤固化劑固化機(jī)理 2.3幾種常用的土壤固化劑及其作用機(jī)理 2.3.1ISS型土壤固化劑 2.3.2復(fù)合類土壤固化劑 2.3.3路邦EN-1土壤固化劑 2.3.4帕爾瑪土壤固化酶 2.3.5幾種常用土壤固化劑對比 第三章土壤固化劑固化土強(qiáng)度試驗研究 3.1試驗材料 3.2試驗裝置 3.3擊實(shí)試驗 3.4不同土壤固化劑強(qiáng)度結(jié)果對比 3.5土壤固化劑固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗 3.5.1土壤固化劑固化土最佳輔料配比確定 3.5.2土壤固化劑固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和壓實(shí)度的關(guān)系 3.5.3土壤固化劑固化土不同齡期試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果453.5.4土壤固化劑固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水量關(guān)系 3.5.5土壤固化劑固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰含量關(guān)系 3.5.6不同齡期路邦EN-1效果的對比 3.5.7土壤固化劑固化土摻加碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗 3.6土壤固化劑固化土CBR試驗 3.7土壤固化劑固化土回彈模量試驗 3.8強(qiáng)度試驗研究結(jié)論及建議 第四章土壤固化劑固化土水穩(wěn)性及干縮性試驗研究 4.1土壤固化劑固化土水穩(wěn)性試驗研究 4.1.1試驗準(zhǔn)備 4.1.2土壤固化劑浸水前后的強(qiáng)度特征 4.1.3不同土壤固化劑固化土的水穩(wěn)性 4.2土壤固化劑固化土干縮性能研究 4.2.1土壤固化劑固化土干縮試驗步驟 4.2.2土壤固化劑固化土干縮性能 4.2.3土壤固化劑固化土干縮裂縫防治措施 第五章土壤固化劑固化土試驗段及實(shí)體工程 25.1空客A320總裝線配套工程土壤固化劑試驗路 5.1.1空客A320總裝線配套工程試驗路簡介 5.1.2試驗路試驗方案 5.1.2.1試驗路處理方案 5.1.2.2試驗路材料選擇 5.1.2.3試驗路測點(diǎn)布置及測試步驟 5.1.3試驗路測試結(jié)果 5.1.3.1室內(nèi)試驗測試結(jié)果 5.1.3.2室外試驗測試結(jié)果 5.1.4空客A320總裝線配套工程試驗路測試結(jié)論 5.2天津港南港路土壤固化劑固化土試驗路 5.2.1南港路試驗路簡介 5.2.2試驗路試驗方案 5.2.2.1試驗路處理方案 5.2.2.2試驗路材料選擇 5.2.2.3試驗路測點(diǎn)布置及測試步驟 5.2.3試驗路測試結(jié)果 5.2.3.1室內(nèi)試驗測試結(jié)果 5.2.3.2室外試驗測試結(jié)果 5.2.4南港路試驗路測試結(jié)論 5.3天津地區(qū)土壤固化劑固化土基層、處理層推薦表 第六章土壤固化劑固化土施工工藝研究 6.1固化劑類路基處理原材料的選擇與技術(shù)要求 6.2土壤固化劑固化石灰土施工工藝 6.3土壤固化劑固化水泥石灰土施工工藝 6.4質(zhì)量要求與檢查驗收 第七章課題結(jié)論及建議 7.1課題的研究結(jié)論 7.2問題及建議 31.1課題研究的目的及意義黨中央把建設(shè)好濱海新區(qū)納入到國家區(qū)域發(fā)展的重要組成部分，其基礎(chǔ)設(shè)施的建然而，濱海新區(qū)瀕臨渤海，地下水位高、含水量大，地下有著深厚的軟土層，地基沉載力低，沉降變形大；而進(jìn)出港密集的重載交通卻往往要求較高的土基強(qiáng)度和適應(yīng)重載要求的路面結(jié)構(gòu)基層和處理層，如此矛盾的兩大問題是濱海新區(qū)面臨的難題。濱海新區(qū)土質(zhì)條件復(fù)雜，表層土多為粉質(zhì)粘土或粘土，這些土質(zhì)含水量大、塑性指數(shù)高(26以上)、強(qiáng)度低、對水敏感，往往很難滿足工程需要，特別對于分布在這些土層中的淤泥或淤泥質(zhì)土更是工程中予以廢棄的土源；表層以下又分布著很厚的軟土層，由于軟土具有松軟、孔隙比大、天然含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性小和結(jié)構(gòu)性靈敏的特點(diǎn)，必須予以處理；除軟土分布廣、厚度深外，濱海新區(qū)還分布著現(xiàn)幾米甚至幾十米的大坑，這些大坑需要處理和填筑，造成土地和資源的浪費(fèi)；與此導(dǎo)致大量土地因為堆積開挖出的淤泥或不滿足工程需要的土源而荒蕪。如何充分利用現(xiàn)場開挖的土源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的是工程界極需解決的問題。圖1.1-1現(xiàn)場開挖廢棄的土源濱海新區(qū)的核心是天津港，天津港道路交通典型的特點(diǎn)是重載、超載，這也是道路損壞的罪魁禍?zhǔn)?。以天津濱海新區(qū)南疆碼頭南港路為例，平均超載為額定荷載的100~150%,最大超載為額定荷載的300%,實(shí)測單軸軸載均在12噸以上，50%車輛單軸軸載在18噸~30噸之間，巨大的荷載使得現(xiàn)有路面不堪重負(fù)，損壞極其嚴(yán)重，這種交通狀況對路面基層、基礎(chǔ)強(qiáng)度提出更高要求。4圖1.1-2濱海新區(qū)進(jìn)入港區(qū)的重載交通軟基、重載特點(diǎn)使濱海新區(qū)道路損壞雪上加霜，傳統(tǒng)采用碎石、水泥、石灰及粉煤灰等筑路材料對土壤進(jìn)行固化處理作為基層和處理層的作法已無法適應(yīng)重載及軟基的要求，特別是石灰、水泥固化土所具有的強(qiáng)度低、干縮大、易開裂、易軟化、水穩(wěn)性差的缺陷更是濱海新區(qū)道路出現(xiàn)“當(dāng)年修，來年壞”的現(xiàn)象。尋找能提高基層及路基處理層強(qiáng)度、提高水穩(wěn)性、減少干縮性的土壤添加劑是極其必要的。濱海新區(qū)地下水位高，原地表下0.5~1.5米即見地下水，考慮造價及與現(xiàn)狀銜接的原因，道路一般填土高度很低，道路工作區(qū)內(nèi)往往受到地下毛細(xì)水的作用，甚至路床內(nèi)仍然受地下水或地面水的影響，路基處理層及基層水穩(wěn)性較差、后期強(qiáng)度很難達(dá)到要求。開發(fā)區(qū)許多改造道路在開挖后，基層或處理層已失去應(yīng)有的板體、甚至成為泥狀，這與水泥、石灰固化土水穩(wěn)性差、后期強(qiáng)度逐漸降低有關(guān)。為此，急需尋找一種“憎水性”材料，以抵抗地下水的影響，傳統(tǒng)上采用碎石隔水層的方法由于石料匱從全國來看，各地土壤種類繁多、性質(zhì)各異，且對水具有嚴(yán)重的依賴性，地表、地下水對其性能影響極其嚴(yán)重，特別是軟土地區(qū)，多數(shù)土源無法直接利用，均需利用水泥、石灰、粉煤灰、碎石等材料進(jìn)行改進(jìn)，這必然造成工程費(fèi)用的大大增加；另一方面，傳統(tǒng)石灰、水泥穩(wěn)定土存在水穩(wěn)性差，遇水強(qiáng)度減小、干縮系數(shù)大等缺點(diǎn)，多年來用其作為道路基礎(chǔ)、路面基層出現(xiàn)許多問題，特別是交通量大幅增加、車輛荷載在工程中對既有材料的充分利用、避免土地浪費(fèi)、環(huán)境污染等要求得到人們的普遍關(guān)注，人們也逐漸認(rèn)識到工程中使用最多的土壤也是不可再生資源，在工程中充分發(fā)揮針對這些問題，國內(nèi)外出現(xiàn)了許多改善土壤性質(zhì)的新型固化材料，這種固化材料在常溫下能夠直接膠結(jié)土體中土壤顆粒表面或能夠與粘土礦物反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)(包、帕爾瑪?shù)葒猱a(chǎn)品),這些固化劑能改善土的物理力處理層，且強(qiáng)度高，水穩(wěn)性好，干縮性小，可有效減少水泥、石灰、碎石等路基路面由于中國幅員遼闊，各地自然條件差異懸殊，技術(shù)水平、材料來源和經(jīng)濟(jì)條件等5不盡相同；水文情況、地質(zhì)資料、材料性能、土基情況各異；不同的土壤固化劑適合不同的土壤，且具有不同的適用條件，其施工工藝也有所不同。因此，對這些固化劑基于上述原因，為實(shí)現(xiàn)濱海新區(qū)軟基、重載對基層、處理層的要求(強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好),同時又能達(dá)到充分利用已往工程廢棄土源(淤泥質(zhì)土、鹽漬土等)的目的，本課題對國內(nèi)外土壤固化劑進(jìn)行系統(tǒng)研究，選取適合濱海新區(qū)軟土、重載要求的土壤固化劑，提高道路基層或處理層的強(qiáng)度、改善其整體水穩(wěn)性、提高固化土抗裂性能，最終達(dá)到改變傳統(tǒng)筑路材料弊端、充分利用現(xiàn)場材料的目的。通過該課題的研究使公路、城市道路能適用地下及地面水的影響，最終實(shí)現(xiàn)路面基層材料及路基處理材料的本課題將通過實(shí)地調(diào)查、理論分析、結(jié)合室內(nèi)外試驗，對國內(nèi)普遍采用的幾種固化劑進(jìn)行研究，分析固化劑處理道路路基及基層的作用機(jī)理、最佳配比、適用土質(zhì)、施工工藝等，選擇出適合路基處理層、道路基層要求的土壤固化劑固化土，達(dá)到(1)改善土性，提高強(qiáng)度；用憎水性的材料替代傳統(tǒng)的碎石材料；(2)提高軟土地基道路路床強(qiáng)度，恢復(fù)軟土層上的硬殼層；(3)改變傳統(tǒng)石灰土、水泥土水穩(wěn)性差、強(qiáng)度低、抗裂性能差、耐久性差等弊端；(4)充分利用現(xiàn)場土源作為工程材料的目的。最終推薦出適合道路基層、處理層的土壤固化劑固化土典型路面結(jié)構(gòu)，制定一套適合于公路1.2國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀20世紀(jì)40年代土壤固化劑開始蓬勃發(fā)展，現(xiàn)已形成一門綜合性的交叉學(xué)科。它涉及建筑基礎(chǔ)、公路建設(shè)、堤壩工事、井下作業(yè)、石油開采、垃圾填埋、防塵固沙等多種領(lǐng)域，包括機(jī)械方法、物理作用、土工織物、化學(xué)膠結(jié)等多種手段，綜合了力學(xué)、結(jié)構(gòu)理論、膠體化學(xué)、表面化學(xué)等眾多理論，它的處理對象也擴(kuò)充到砂土、淤泥、工業(yè)污水、生活垃圾等多種固體、半固體，處理的目的也不僅僅是單一的加固，還包括國際上，歐洲建筑業(yè)最先提出土力學(xué)理論：日本由于地理因素限制，對土壤固化劑的研究投入很大，成果較多；美國和加拿大在利用土壤固化劑技術(shù)建設(shè)道路上有很多成功的例子；還有德國、澳大利亞、南非等國也處在研究的前列。國內(nèi)以國家“七6五”項目為牽頭，雖然起步較晚，但是掀起了一陣研究高潮，研制了多種固化劑，并且部分成果已經(jīng)從實(shí)驗室走到了應(yīng)用第一線，對國家建設(shè)做出了貢獻(xiàn)，特別是近年來國際上許多國家都在引進(jìn)此項技術(shù)加以研究和應(yīng)用。由于土壤本身的反應(yīng)活性很低，再加上道路施工對土壤固化劑的要求較高(不僅要求在成本上有較大幅度降低，而且希望強(qiáng)度要高、防水抗凍性能要好、施工方式簡單、道路保養(yǎng)費(fèi)用降低等)。到目前為止，我國土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上還處在起步階段，而研究工作現(xiàn)在也處于低潮，特別是在道路工程應(yīng)用中，僅停留在試驗階段，并沒有大面積使用。國外發(fā)達(dá)國家對土壤固化劑的研究起步較早，主要從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，綜合土力學(xué)、土壤化學(xué)、有機(jī)高分子化學(xué)、化學(xué)工程、材料工程、環(huán)境工程等多學(xué)科知識，形成跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科一土壤固化學(xué)。國內(nèi)外所應(yīng)用的固化劑種類一般有電離子類、生物酶類、水化類固化劑等。美國、日本、墨西哥是世界上研究土壤固化材料最活躍20世紀(jì)60年代以來，美國、日本等國家由于工程建設(shè)的需要，對土壤固化技術(shù)進(jìn)行了深層次的研發(fā)，加固土壤的材料由原來單一的水泥、石灰、粉煤灰發(fā)展到專門用來固化土壤的新材料——土壤固化劑(SoilStabilizer)?，F(xiàn)在土壤固化劑已經(jīng)大量應(yīng)用于公路、鐵路、水利、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域，效益顯著,被美國《工程新聞》稱為20世紀(jì)的偉大發(fā)明創(chuàng)造之一，日本稱之為21世紀(jì)的新材料。國外使用較廣的固化劑主要有日本田熊公司的Aught-Set系列土壤固化劑，美國帕爾瑪公司的固化酶，路邦公司的EN—1型固化劑等。其中路邦公司的EN—1型固化劑已經(jīng)在美國、墨西哥、澳大利亞廣泛應(yīng)用，并獲得很好的實(shí)用效果和經(jīng)濟(jì)效益，我國長江動力(集團(tuán))公司首先引進(jìn)該項技術(shù)應(yīng)用在湖北孝感至武漢的孝天公路上，近幾年，路邦固化劑在四川、貴州、廣州、上海等地得到很好的應(yīng)用。美國帕爾瑪公司的固化酶筑路技術(shù)不僅在美國、加拿大、墨西哥等北美國家普遍采用，近幾年來也已在新加坡、馬來西亞、印度等亞洲國家推廣。北京怡天生物公司和上海大慶能源有限公司引進(jìn)了這種新技術(shù)，并在北京昌平、上海奉賢、內(nèi)蒙、江西等省市修建了各種等級公路十余條。日本田熊公司的Aught-Set系列土壤固化劑也已大量用于高速公路、鐵路的路基處理，并已把土壤固化劑技術(shù)用于海底深層土的固化處理，該種固化劑在國內(nèi)海南省公路上推廣應(yīng)用。7在應(yīng)用的基礎(chǔ)上，許多國外學(xué)者針對不同土質(zhì)研制開發(fā)出了不同土壤固化劑，如系列標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗、不排水三軸試驗的基礎(chǔ)上，建立了基于極限狀態(tài)理論的輕型水泥土應(yīng)力、應(yīng)變模型，認(rèn)為在p-q空間內(nèi)固化土的破壞線與未經(jīng)固化土的破壞線平行，Lav等用火力發(fā)電站的粉煤灰分別于水泥和石灰混合用于土的固化，對固化土作了微結(jié)構(gòu)、化學(xué)、礦物學(xué)等的分析，發(fā)現(xiàn)兩種固化劑的加固效果幾乎相同。探求一種不需要或需要少量水泥、粉煤灰、瀝青、石灰、廢渣等固化材料，只需這與目前我國道路普遍采用的水泥、石灰等無機(jī)類固化土所出現(xiàn)的問題有關(guān)：首先，基礎(chǔ)設(shè)施的迅猛發(fā)展，使得路面基層、路基淺層處理(橋頭或池塘路段)需要大量土壤、碎石、石灰、水泥、粉煤灰，石料顯得越來越缺乏，石灰的需求量也在迅猛增長，這不僅導(dǎo)致石灰的價格上漲，而且質(zhì)量低劣的石灰也乘機(jī)混入使用；基層材料中粉煤灰的匱乏及運(yùn)輸困難，市場求大于供，這些都導(dǎo)致了筑路成本的大幅度想的效果，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均不盡人意。這些固化材料的主要不足之處在于：(1)、石灰固化材料與土壤形成的固化體強(qiáng)度形成緩慢，往往影響施工進(jìn)度；固化體強(qiáng)度與石灰摻入量在一定范圍內(nèi)成正比，若加大摻量而超出一定范圍，其強(qiáng)度反而下降，對固化體強(qiáng)度要求較高的工程，石灰顯得無能為力；干縮大、易開裂、易軟化，水穩(wěn)性差。特別是地下水位以下，石灰固化土已很難保證其應(yīng)有的強(qiáng)度。8(2)、水泥受土壤類別限制，對塑性指數(shù)高的粘土、裂土、有機(jī)土及鹽澤土固化(3)、粉煤灰早期強(qiáng)度低，應(yīng)用于道路基層、底基層的穩(wěn)定處理影響施工進(jìn)度和種種跡象表明，隨著交通科技的不斷發(fā)展、道路等級的不斷提高，如何突破傳統(tǒng)筑路材料及工藝，在最大經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)路基處理方式、路基乃至基層材料的合理選擇，尋求一種既能就地取材，又能提高路基、路面材料使用性能的土壤添加劑成為道路工作者普遍關(guān)注的話題。這也就是近幾年雨后春筍般出現(xiàn)土壤固化劑的直接我國20世紀(jì)90年代初開始引入國外的高性能土壤固化劑，在吸收國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對我國土壤性質(zhì)，開始了研究工作。近十余年，國內(nèi)先后有十多家科研院所和大專院校對土壤固化劑展開研究，如北京建工學(xué)院、山東大學(xué)、武漢大學(xué)、化工部晨光化工研究院和鐵道部科學(xué)研究院等，取得了一批試驗研究成果，有的已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際工程中。目前土壤固化劑已經(jīng)越來越多的在我國公路、鐵路、水利工程中得到應(yīng)作為我國九運(yùn)會的主會場——廣東奧林匹克體育中心，占地50萬m2的外圍道路與停車場，由于占地面積大、回填時間短、軟基面積大，自然沉降無法達(dá)標(biāo)、大面積混凝土路面造價過高等因素存在，最終采用ISS土壤固化劑進(jìn)行場地處理，取得了良好國內(nèi)外最早采用的固化材料為EN-1土壤固化劑在我國首先由長江動力(集團(tuán))公道路和各種運(yùn)動場；若修建城市公路及高速公路，可鋪薄薄一層瀝青作封層，使路面9廣東省增城市一環(huán)路采用ISS固化劑對路基進(jìn)行處理，取得了良好的效果，研究結(jié)果表明：該材料固化土基具有經(jīng)濟(jì)(20元/m2以下)、快速(施工6000~7000平方米耗時約24h)、耐久(穩(wěn)定性和承載能力可保持30年以上)、無施工污染等多項優(yōu)點(diǎn)，這一事實(shí)在澳大利亞2000年悉尼奧林匹克運(yùn)動場道路、澳洲太平洋高速公路、廣州環(huán)保道路、云南省西雙版納旅游專用線等公路、城市道路工程中均得到了證實(shí)。深圳市自1979年建市以來，經(jīng)過二十年的建設(shè)，已形成四通八達(dá)的城市交通網(wǎng)絡(luò)，隨之而來的是城市道路的更新改造問題。由于建市初期，城市道路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，道路經(jīng)過較長時間的使用后，道路主車道及人行道都不同程度地出現(xiàn)病害，直接影響到行車安全和舒適性。1999年以來，對市區(qū)道路進(jìn)行大修改造，其路面底基層或道胎大部分采用土壤固化劑進(jìn)行加固，道路完好率有了較大的提高，取得了良好的效果。湖南洞庭湖水系發(fā)達(dá)，路基處理費(fèi)用較高，采用EN-1和磺化油固化劑進(jìn)行路基淺層處理，使工程造價節(jié)約25%~30%,而且克服了湖區(qū)土濕軟，易受雨水侵泡、沖蝕的特點(diǎn)，保證了工程質(zhì)量。同時其特有的性能也使瀝青路面克服冬天容易脆裂、夏天易變軟的不足。這些都為土壤固化劑改良土在池塘、沿海地區(qū)及相似地質(zhì)地區(qū)路基、基層處理中的運(yùn)用積累了寶貴的經(jīng)驗。另外，在最近兩年，路邦EN-1固化劑在上海包鋼廠區(qū)、空客A320道路工程、南港路道路工程、西區(qū)道路工程中得到很好的應(yīng)用，并在應(yīng)用中采用土壤固化劑固化水泥作為路面結(jié)構(gòu)基層，然后施作瀝青路面取得了良好的效果，圖1.2-2、1.2-3分別給出其施工及使用一年后的照片。石屑施工操作更方便，材料不需篩分和選擇，碾壓成型快，表面密實(shí)。在40度高溫和以便消除大量的工業(yè)廢渣，以廢治廢，并提出了一種新型的防滲材料，抗?jié)B和抗收縮南柳公路所經(jīng)過的柳州地區(qū)是典型的軟土地區(qū)，利用奧特賽特固化劑進(jìn)行路基處理，由于這種材料是以水泥為主體、摻入特殊的激發(fā)元素后得到的，在軟土路基中可就地拌合，將固化劑與土壤經(jīng)過機(jī)械或人工攪拌、碾壓后即可達(dá)到需要的強(qiáng)度指標(biāo)，從而達(dá)到固化土壤的目的。經(jīng)固化的土壤可作為道路工程的基層材料，可應(yīng)用于道路帕爾瑪固化劑在西藏、青海等西部地區(qū)也得到很好的應(yīng)用，該種固化劑能固化碎石，大大減少水泥的用量，雖然水穩(wěn)性差，但固化后的強(qiáng)度卻大大增加，因此，適合在西部干燥地區(qū)使用，圖1.2-4為該固化劑在部分地區(qū)使用的照片。圖1.2-4G219西藏拉孜段及G109當(dāng)雄段帕爾瑪固化劑固化土道路另外在我國，利用土壤固化劑作為防滲材料也受到普遍關(guān)注，已建有一些固化劑的防滲渠道試驗工程，如WH系列土壤固化劑在江西省興國縣長岡水庫灌區(qū)塘石段渠道改造工程中的試驗應(yīng)用，利用固化劑“奧特賽特2000號”在山東省葛溝灌區(qū)節(jié)水改造工程進(jìn)行土渠渠底土壤固化處理。在河套灌區(qū)選擇4種土壤固化劑進(jìn)行渠道防滲試在理論研究方面，近十余年，國內(nèi)先后已有十多家科研院所和大專院校對土壤固化劑展開了研究，如北京建工學(xué)院、山東大學(xué)、武漢水利電力大學(xué)、化工部晨光化工研究院和鐵道部科學(xué)研究院等，取得了一批實(shí)驗室研究成果，有的還在一些鐵路、公路上做過試驗路。如晨光化工研究院的TR土壤固化劑系列曾在四川成雅路K92+800作路基填方，在108國道K2369修補(bǔ)瀝青路面的坑槽，在資(陽)資(中)公路K27+650~750段用固化碎石土作路面基層試驗等等，都取得了良好的成績和效益。然而由于土壤固化劑在國內(nèi)畢竟還是新鮮事物，從研究、生產(chǎn)到應(yīng)用施工，可以說是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到化工、機(jī)械、道路工程等很多學(xué)科領(lǐng)域，加上對此項技術(shù)的投入極為有限，致使大多都停留在實(shí)驗室研究階段，未能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)國內(nèi)外研究成果及工程事例均表明，固化劑處理路基、軟弱土基、簡易路面、隔水層、大型廣場場地、基層填料等土木工程均具有明顯的效果，但這些研究及應(yīng)用仍然處于起步階段，僅停留在對某種固化劑的單獨(dú)研究方面，未對幾種國內(nèi)外常用的固化劑進(jìn)行綜合研究，其強(qiáng)度、水穩(wěn)性、干縮性如何缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識，其在重載、軟基道路中使用效果如何國內(nèi)未見有關(guān)報道，特別是幾種固化劑在天津濱海新區(qū)軟土地區(qū)針對國內(nèi)普遍采用的固化劑及應(yīng)用情況，本課題針對天津土質(zhì)情況及軸載特點(diǎn)，1、對土壤固化劑進(jìn)行分類，對比各類固化劑的固化效果及固化原理，對常用的幾種固化劑—ISS固化劑、復(fù)合類土壤固化劑、路邦EN-1土壤固化劑、帕爾瑪土壤固化酶作用效果及作用原理進(jìn)行系統(tǒng)分析，以國內(nèi)使用較多的三種固化劑——ISS固化劑、2、選取軟土地區(qū)典型的淤泥質(zhì)土和淤泥，摻加不同配比、不同種類的固化劑對其進(jìn)行固化處理，從強(qiáng)度、水穩(wěn)性、干縮性等方面對比不同固化劑固化土的固化效果，3、從大量室內(nèi)對比試驗中選取出適合天津軟土特點(diǎn)的土壤固化劑，以天津濱海地區(qū)典型的重載道路——空客A320總裝線配套工程(運(yùn)輸大件道路)、天津港南港路改造工程(進(jìn)入南疆港唯一通道，重載、超載嚴(yán)重，平均超載為額定荷載的100~150%,最大超載為額定荷載的300%,實(shí)測單軸軸載均在12噸以上，50%車輛單軸軸載在18噸~30噸之間)為依托，結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，采用固化劑對現(xiàn)場開挖的土進(jìn)行固化處理作為重載軟土地基條件下的處理層及底基層，各鋪筑200米試驗路，通過彎沉、回彈4、在鋪筑試驗路的基礎(chǔ)上，課題結(jié)合空客A320總裝線配套工程、上海市寶鋼集團(tuán)浦鋼搬遷廠區(qū)道路工程、天津港南港路改造工程、包頭鋼鐵基地廠區(qū)道路工程、湛江寶鋼基地廠區(qū)道路工程鋪筑的土壤固化劑固化土實(shí)體工程，研究土壤固化劑固化土5、結(jié)合室內(nèi)外試驗及實(shí)體工程，對土壤固化劑固化土適應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行研究，分析土壤固化劑固化土替代傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)層的機(jī)理，推薦出土壤固化劑固化土路面典型結(jié)構(gòu)形式，為路面結(jié)構(gòu)從半剛性基層路面向柔性路面結(jié)構(gòu)過渡準(zhǔn)備條件，實(shí)現(xiàn)一、離子型液體土壤固化劑具有打破土顆粒表面的結(jié)合水膜，同時在土顆粒表面形成一層油面層，因此使土顆粒更加緊密，強(qiáng)度大大增加、水穩(wěn)性顯著改善，適合固化粘粒含量高的土壤。水基高分子化合物(ISS固化劑)和陰離子表面活化劑(路邦EN-1固化劑),能使土顆粒表面的金屬陽離子結(jié)合，使原本有很大活性的金屬離子被固定下來，阻止了金屬陽離子與水結(jié)合成可溶體，減薄了結(jié)合水膜，使土顆粒更加緊密，強(qiáng)度大大增加、水穩(wěn)性提高，這種反應(yīng)是不可逆的，不會由于水的浸入而破壞。這一特性彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水抗裂性能均有很大提高，成為適合濱海新區(qū)2、由于路邦土壤固化劑含有活性磺化油，有磺酸基和羥基組成“親水頭”,也有土壤顆粒中排除，圍繞著土壤顆粒或在粘土之間形成一個油面層。這樣，土壤中的結(jié)合水就被疏水尾排除，結(jié)合水膜減薄，土顆粒更加緊密，同時疏水尾包裹土壤顆粒，阻止水分進(jìn)入這個體系中，使壓實(shí)后的土體水穩(wěn)性大大提高。正是由于該種機(jī)理的存在，使得該種固化劑強(qiáng)度及水穩(wěn)性均大大提高，成為典型的“憎水性”材料，此種固化劑尤其適合諸如天津濱海新區(qū)地下水位高，容易受水侵蝕地區(qū)的道路路基處理和基3、由于路邦土壤固化劑能與鹽澤土中的C鹽漬地區(qū)土壤中含有大量C1-離子，溶液中的Cl一可以與石灰及固化劑水化產(chǎn)生的可溶性Al?O?和CaO結(jié)合，迅速形成氯鹽，從而提高固化土的早期強(qiáng)度，這一特點(diǎn)表明了路邦土壤固化劑更適合在鹽漬土(例如濱海新區(qū))地區(qū)使用。二、不同土壤固化劑對土壤具有不同的固化作用，室內(nèi)試驗對比結(jié)果表明，路邦EN-1固化劑摻加少量的輔料(水泥、石灰)處理淤泥質(zhì)土，較傳統(tǒng)的石灰土、水泥石灰土強(qiáng)度大大提高，水穩(wěn)性顯著改善，抗裂性能明顯提高，可作為軟土、重載條件下1、室內(nèi)強(qiáng)度試驗對比結(jié)果表明，ISS固化劑、路邦EN-1土壤固化酶均需摻加一定的輔料(水泥、石灰),隨著輔料(水泥、石灰)和固化劑摻量的逐漸增加，強(qiáng)度逐漸增大。在浸水條件下，帕爾瑪浸水后試件即溶解，而ISS固化劑、路邦EN-1土壤固化劑養(yǎng)生6天，浸水一天后強(qiáng)度較不摻加固化劑強(qiáng)度增加15~40%,說明ISS及路邦EN-1固化劑在浸水條件下具有很強(qiáng)的固化效果，特別是路邦EN-1通過經(jīng)濟(jì)及性能綜合比較，最終確定2-6%的石灰、0.012-0.018%的路邦EN-1固化劑，2-5%的石灰、2-4%的水泥、0.011-0.019%的路邦EN-1固化劑，2-5%的水泥、20%—40%的碎石、0.012-0.019%的路邦EN-1固化劑適合天津地區(qū)土質(zhì)特點(diǎn)為適合軟土、重載條件下道路路基處理層、道路路面結(jié)構(gòu)基層的最佳配比。2、室內(nèi)水穩(wěn)性試驗對比結(jié)果表明，不同固化劑固化土水穩(wěn)性是不同的，路邦EN-1及ISS土壤固化劑固化土具有很強(qiáng)的憎水性，浸水后強(qiáng)度降低的幅度遠(yuǎn)小于不摻加固化劑固化土及摻加帕爾瑪固化劑固化土強(qiáng)度，且路邦EN-1及ISS土壤固化劑固化土在浸水條件下強(qiáng)度隨齡期的增長而增長，說明該兩種固化劑固化土有很強(qiáng)的抗水毀能力。3、室內(nèi)干縮性試驗對比結(jié)果表明，除路邦固化劑可適當(dāng)降低土壤的干縮量外，其他固化劑對土的干縮性影響不大，采用5%的石灰土摻加路邦固化劑固化土的失水率最三、試驗路及實(shí)體工程修筑結(jié)果表明，土壤固化劑固化土較傳統(tǒng)的固化土無論從于消除現(xiàn)有半剛性基層材料剛度大、脆性大等弊端開辟了新的途徑，也說明土壤固化劑固化土更適合作為類似濱海新區(qū)軟弱土基上的重載道路基礎(chǔ)。著改善，綜合回彈模量較傳統(tǒng)固化土提高100~200%,CBR值提高240~280%,彎沉降低50~80%,對基層或處理層強(qiáng)度和抗應(yīng)變能力均有顯著改善，成為替代傳統(tǒng)基層或處理2、土壤固化劑室內(nèi)回彈模量較低(300~800Mpa),而室外綜合回彈模量較高(反映包括土基在內(nèi)的綜合強(qiáng)度)、彎沉較小，說明土壤固化劑固化土是典型的柔性材料，有高的強(qiáng)度、適度的回彈模量，有很強(qiáng)的抗應(yīng)變能力，這對于消除現(xiàn)有半剛性基層材料剛度大、脆性大等弊端開辟了新的途徑，也說明土壤固化劑固化土更適合作為類似四、土壤固化劑固化土較傳統(tǒng)的固化土由于充分利用現(xiàn)場開挖土源、操作簡單、1、在總結(jié)空客A320總裝線配套、南港路、湛江、包頭等實(shí)體工程經(jīng)驗而提出的《固化劑類路基處理層及基層施工操作規(guī)程》,與傳統(tǒng)固化土具有類似的施工方法，使得土壤固化劑固化土施工更加簡便，避免施工操作的盲目性和隨意性，保證了施工2、采用固化劑典型路面結(jié)構(gòu)方案可比傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)方案大大節(jié)省費(fèi)用，綜合造價可節(jié)省8%~26.4%?？紤]土壤固化劑固化土顯著的優(yōu)勢，同時能夠處理已往不滿足工程需要的淤泥質(zhì)土、鹽漬土等廢棄的土源，為天津地區(qū)乃至國內(nèi)類似土壤處理找到了合理的途徑，同干縮性小、抗凍性好的土壤固化劑，避免了已往采用單一指標(biāo)進(jìn)行評價的盲目性。對國內(nèi)外幾種常用固化劑(路邦EN-1、ISS、帕爾瑪)的強(qiáng)度、水穩(wěn)性、干縮性、干縮性小、抗凍性好的土壤固化劑，避免了已往采用單一指標(biāo)進(jìn)行評價的盲目性。2、針對濱海新區(qū)重載、軟土的特點(diǎn)，選取合適的土壤固化劑，確定合適的配比處針對濱海新區(qū)重載、軟土的特點(diǎn)，提出采用路邦EN-1土壤固化劑固化現(xiàn)場開挖土水穩(wěn)性差、抗裂性能低的弊端，為軟土地基、重載道路路基處理找到了合理途徑。充分利用已往廢棄的土源(塑性指數(shù)大于26,淤泥質(zhì)土),在摻加土壤固化劑和部分輔料(水泥，石灰)的條件下達(dá)到滿足工程需要的目的，改變?yōu)I海新區(qū)已往現(xiàn)場開挖土源廢棄后占用寶貴的土地資源，遠(yuǎn)運(yùn)滿足工程要求土源需要開挖農(nóng)田的惡劣現(xiàn)3、提出土壤固化劑固化土典型路面結(jié)構(gòu)，編制《固化劑類路基處理層及基層施工操作規(guī)程》,制定出一套適合于公路及城市道路土基及基層的土壤固化劑處理技術(shù)。干縮系數(shù)大、剛度大的傳統(tǒng)半剛性基層(水泥、石灰、粉煤灰等穩(wěn)定材料)材料，為綜合路基處理可靠、路面結(jié)構(gòu)組合合理的基礎(chǔ)上，推薦出土壤固化劑固化土典型路面結(jié)構(gòu)，制定出一套適合于公路及城市道路土基及基層的土壤固化劑處理技術(shù)。在總結(jié)大量試驗工程及實(shí)體工程施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，編寫了《固化劑類路基處理層及基層施工操作規(guī)程》,與傳統(tǒng)固化土具有類似的施工方法，使得土壤固化劑固化土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述脹、收縮造成道路的翻漿、凹凸下沉，容易造效果，對于當(dāng)前國內(nèi)道路及其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要的理論意義和使用價值。從土壤固化劑對土壤的固結(jié)機(jī)理對其進(jìn)行分類，以便選取適合本地區(qū)的土壤固化劑極其重要，從固化劑發(fā)展的過程以及固結(jié)機(jī)理來看，現(xiàn)有的固化劑大1、石灰水泥類固化劑劑的性能。例如，在此類固化劑中添加無機(jī)鹽類，促進(jìn)鈣釩石的生成.可以有效土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述減少形變量，并且增加早強(qiáng)性，從而給這一類固化劑帶來新的活力。這一類固化劑的元素組成與土壤較為接近，主要是活性硅氧化物、鋁氧化物等，與水泥相區(qū)別。它利用活性激發(fā)成分促進(jìn)固化劑水化和產(chǎn)生膠結(jié)土壤顆粒的膠凝物質(zhì)，并且在一定程度上激發(fā)土壤顆粒本身的活性，在固化劑和土壤顆粒之間進(jìn)一步形成有效的作用力，并且保留部分活性成分。在較長的時間內(nèi)穩(wěn)定地增加強(qiáng)度。由于這類固化劑采用的是水硬性成分，所以防水抗凍性能較好。這是目前較為成功的土壤固化劑，而且國內(nèi)礦渣等資源比較豐富，成本也比較低，所以市場前景比較好。缺點(diǎn)是這類固化劑適用的土壤類型有限，而且固化劑摻入量仍然較大，施工量沒有降低，對于本地缺乏資源的地區(qū)，進(jìn)行施工需要較高的運(yùn)輸成本，這也是限制其應(yīng)用的一大因素。改進(jìn)型土壤固化劑是用于改善土壤物理力學(xué)性質(zhì)以適應(yīng)工程技術(shù)要求的新型化學(xué)材料，目前工程中應(yīng)用的土壤固化劑總體上可以分為兩大類，即離子類固化劑和復(fù)合類固化劑(高聚類固化劑)。這類固化劑種類很多，包括多種樹脂、纖維、表面活化劑等。傳統(tǒng)的高聚物改良土壤包括水土保持、土壤保濕、疏松土質(zhì)等，在此基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)利用聚合物交聯(lián)形成立體結(jié)構(gòu)包裹和膠結(jié)土粒，或者利用表面活性劑改變土粒表面親水性質(zhì)，形成有效的抗水能力。在土壤壓實(shí)的基礎(chǔ)上，可以得到較好的抗這種固化劑有如下優(yōu)點(diǎn)：固化劑的摻入量較少，運(yùn)輸方便，成本可以有較成分或者直接利用土壤成分來實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，土壤早期強(qiáng)度和后期穩(wěn)定強(qiáng)度均可以滿足要求；適用的土壤類型比較豐富，所以適應(yīng)性也比較好。缺點(diǎn)是這類固化對聚合物本身的穩(wěn)定性也是一種考驗，有待進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)踐檢驗。土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述壤固化劑為多種強(qiáng)離子組合的水溶劑，溶于水后立即產(chǎn)生離子化而使水溶液呈高導(dǎo)電性，由于離子交換作用，H+及OH-離子迅速子脫離排走，這一反應(yīng)是不可逆反應(yīng)，是永久性的。這一過程使土料按兩端正負(fù)電極整合而聯(lián)結(jié)在一起，經(jīng)過碾壓，土壤中的孔隙與水分不復(fù)存在而形成塊體，即土壤固化體。固化作用主要是有效地把土體的水分排走，使土壤由原來由于這一類固化劑作用的機(jī)理是利用強(qiáng)離子來破壞土壤顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)，減弱土壤表面與水的化學(xué)作用力，并且從根本上改變土壤顆粒的表面性質(zhì)，使其趨于憎水性，因此，在壓力作用下使得土壤形成強(qiáng)度和良好的抗水性能。特別是其中還包括一定的離子交換促使土壤具備一些活性，從而促進(jìn)土壤這一類固化劑與高聚物類固化劑有相同的優(yōu)點(diǎn)，施工方便、成本較低。但是也有較大的缺點(diǎn)，由于施工需要的用水量比較大。所以在北方和西部一些缺水的地方施工存在困難；另外這種固化劑對土壤成分有一定的要求，這也在很3、復(fù)合類固化劑這種固化劑多與傳統(tǒng)的水泥、石灰固化劑復(fù)合使用，稱復(fù)合類固化劑。這種復(fù)合類固化劑一般是固態(tài)干粉狀，通常由水泥、石灰等無機(jī)結(jié)合料和化學(xué)添加劑復(fù)合而成。固化劑與土壤顆粒混合后發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，其中硅酸鈣水化后形成氫氧化鈣和水化硅酸鈣(C-H-S)凝膠。氫氧化鈣和活性二氧化鈣再次反應(yīng)，補(bǔ)充生成具有強(qiáng)度的水化硅酸鈣，加強(qiáng)了土壤顆粒之間的凝結(jié)，使土層形成具有強(qiáng)度的土壤結(jié)構(gòu)層。經(jīng)水化反應(yīng)生成的結(jié)晶體使得固化劑材料體積增加，它有效的填充了土壤顆粒之間的孔隙，使得顆粒之間更加緊密。同時，固化劑中某些離子也能與土壤顆粒產(chǎn)生高效率的離子交換，使加固土層內(nèi)部針柱晶體相互交叉形成獨(dú)特的鏈狀和空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改變了固化土中孔徑分布。另外，固化劑和水作用時，改變了原土體表面的附著自由水，使其重新排列組合，大量自由水以結(jié)晶形式固定下來，使土壤中的含水量迅速減少，土壤顆粒重新按兩端正負(fù)荷相互吸引而緊密結(jié)合，經(jīng)過碾壓后，密實(shí)度增土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述從目前國內(nèi)外使用的土壤固化劑來看，不外乎以上四種類型，但在實(shí)際使用上，經(jīng)常是多種類型的固化劑混合使用。此外在采用化學(xué)固化劑的過程中也常輔助以物理手段，例如國外曾采用施加電場的方式來排除土壤水分，引導(dǎo)離子電泳在土壤中形成固化鹽類。此外，有很多種類土工織物也常用來增加土塊2.2土壤固化劑固化機(jī)理總結(jié)國內(nèi)外普遍使用的土壤固化劑加固土，固化機(jī)理可總結(jié)為三大過程、土壤固化劑加固土的機(jī)理非常復(fù)雜，其固化機(jī)理歸納起來，可以概括為物土體的基本單元在外力的作用下彼此靠近，從而減少土體的孔隙率，增大密實(shí)度，降低滲水性，這種過程是可逆的，土體的強(qiáng)度隨外界條件的改變會發(fā)生變化。物理力學(xué)過程是一種最簡單、最基本的加固手段，但該過程是任何類型的土壤固化劑在固化土壤時都必需的，因為固化土壤的密度和土壤固化劑在土體化學(xué)過程是指土壤固化劑在固化土壤的過程中，其本身組分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、土體與土壤固化劑中的某些組分發(fā)生的反應(yīng)等。前者包括無機(jī)類土壤固化劑材料本身的水解與水化反應(yīng)，與空氣中二氧化碳的碳酸化反應(yīng)，有機(jī)類土壤固化劑的聚合與縮聚反應(yīng)等，后者如土壤固化劑中的組分與土壤顆粒之間的火物理化學(xué)反應(yīng)過程主要指土壤顆粒與土壤固化劑中各組分的吸附過程，包括物理吸附、化學(xué)吸附和物理化學(xué)吸附。物理吸附指在分子力的作用下，土體的基本單元將土壤固化劑中的某些組分吸附在其表面，使其表面自由能得以降并在吸附劑與被吸附物質(zhì)之間形成化學(xué)鍵。物理化學(xué)吸附指土壤固化劑中的某些離子與土體基本單元表面的離子發(fā)生了離子交換吸附。在土壤固化劑與土體土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述的物理化學(xué)作用過程中，無機(jī)類土壤固化劑主要是物理化學(xué)吸附，如無機(jī)類土壤固化劑中的鈣鹽、鎂鹽溶解后，鈣離子和鎂離子與土體基本單元所吸附的鈉離子發(fā)生交換反應(yīng)，可以增加土壤顆粒的團(tuán)聚作用；有機(jī)類土壤固化劑主要是物理吸附和化學(xué)吸附過程，如高分子材料某些是物理吸附和化學(xué)吸附過程，如高分子材料的某些基團(tuán)與土壤顆粒之間的物理吸附，高分子材料與土壤顆粒吸附的高分子之間可以發(fā)生化學(xué)吸附。以上三種過程是對土壤固化劑固化機(jī)理的簡單概括，這三種過程并不是相互孤立的，而是相互聯(lián)系和相互促進(jìn)的。2、土壤固化劑固化的兩大處理土壤固化劑固化過程因其成分不同而不同，但作用機(jī)理需處理好土顆粒間水的作用，以及土顆粒之間的相互作用，總結(jié)目前土壤固化劑在該方面的作用，可看出土壤固化劑的作用機(jī)理如下：(1)水的處理從土壤固化過程來看，土壤中水分的存在對土壤固化具有很大的負(fù)面影響。土壤中的水分包括游離水和結(jié)合水，其中游離水以及通過物理吸附或表面剩余作用力吸附的水影響土壤固化。由于水的存在，溶解了土壤中的鹽類和土壤本身部分帶正電的活性成分，反過來促使水產(chǎn)生電離，形成的氫氧根離子在土壤顆粒表面通過弱的化學(xué)作用吸附聚集，使得土粒成為帶負(fù)電的膠粒，進(jìn)一步和土粒周圍的陽離子形成雙電層結(jié)構(gòu)，使得土壤變成溶膠體。這樣的膠體具有一定的穩(wěn)定性，膠粒與膠粒之間維持一定距離，主要是范德華力在起維系土體的作用，所以土壤的強(qiáng)度比較差；即使在某種條件下破壞了這種膠體結(jié)構(gòu)，在飽水的環(huán)境里產(chǎn)生的也是松散的絮凝，對土壤的強(qiáng)度并沒有多少提高。所以為了固化土壤，必須將土壤中的水除去，并且還要保證這種形成雙電層和土壤溶膠的過程不再發(fā)生。處理水的方式有兩種。一種是將游離水轉(zhuǎn)化為結(jié)晶水.利用生成高結(jié)晶水的物質(zhì)消耗土壤中的游離水分。結(jié)晶水不參與上述破壞土壤強(qiáng)度的過程，并且生成的結(jié)晶水合物具有膠凝的性質(zhì)，可以堵塞土塊中的各種毛細(xì)管道.避免滲入水分再一次破壞固化土的結(jié)構(gòu)。上述第一、第二類固化劑均采用這一種方式。但實(shí)驗事實(shí)表明，這種方式處理后的土壤往往抗水性能并不佳。進(jìn)一步實(shí)驗表明.對于含親水性陽離子較多的土壤，在形成結(jié)晶水的過程中伴隨著溶液濃縮土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述和鹽類結(jié)晶過程，往往導(dǎo)致部分游離水殘余，另外這些鹽類也阻礙膠凝物質(zhì)對土粒的膠結(jié)作用.在土粒與膠凝物質(zhì)之間形成親水間層.遇水容易崩壞。所以如何處理這部分陽離子.對土壤固化影響很大。第二種常用的處理水的方式是破壞土粒表面的親水性質(zhì)，削弱土粒與水之間的作用力，利用施壓和引流等措施除去土壤中的水分。第三、第四類固化劑物包裹層本身具有的憎水性質(zhì)；而電離子溶液是利用離子交換將土粒表面親水性較強(qiáng)的陽離子變成親水能力較差的鋁離子等，再輔助以離子配位，使得土粒表面趨于電中性，從而釋放土粒表面的吸附水。從效果上看，采用高聚物固化劑抗水性能普遍很差，而采用電離子溶液，從現(xiàn)有資料來看，是比較有效的。從最近的一些實(shí)驗事實(shí)可以分析，用高聚物固化土壤形成的憎水層往往含有水分子可以自由進(jìn)出的通道。這是由于一般的聚合物為鏈狀結(jié)構(gòu)，而且由于聚合度的限制沒有辦法在土粒上形成完整的包裹層。另外，聚合物分子與土粒之間的化學(xué)鍵合強(qiáng)度往往不夠，土粒優(yōu)先與水分子形成化學(xué)鍵，當(dāng)水分經(jīng)由通道靠近土粒表面時，很快就會破壞聚合物的包裹作用，從而使得固化土塊迅速崩解。所以，如何有效的形成包裹結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)與土粒的鍵合，是聚合物類土壤固化劑發(fā)展的方向。(2)土壤顆粒的膠結(jié)于相互之間反應(yīng)結(jié)合形成整體。研究表明，土體的力學(xué)性質(zhì)并不取決于粘土中基本結(jié)構(gòu)單元的強(qiáng)度，而是取決于它們之間的結(jié)構(gòu)粘結(jié)力。所以采用何種方式粘結(jié)土粒，是影響固化土強(qiáng)度的主要因素。從另一個角度看，促進(jìn)土壤顆粒在固化劑中的分散，增加粘結(jié)效率，也可以增強(qiáng)土壤固化效果。在后一點(diǎn)上，液體固化劑較之固體固化劑有著明顯的優(yōu)勢，可以節(jié)省大量的施工費(fèi)用。結(jié)土粒的結(jié)構(gòu)，不管是凝膠或者是高聚物鏈，將土粒包裹鑲嵌在已經(jīng)形成的結(jié)類固化劑得到的固化土無限側(cè)壓一般要高于第三、第四類固化劑。但是采用這種方式，土粒和粘結(jié)物之間的作用并不是化學(xué)鍵，而是物理固定和靜電作用，所以，正如前述已經(jīng)分析的那樣，要做好防水的準(zhǔn)備，提高粘結(jié)物質(zhì)本身的強(qiáng)土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述度。對于那些親水陽離子，可以通過離子交換或者結(jié)合沉淀的方式除去。如果采用高聚物固化劑，聚合物鏈的長度和支化程度都正比于固化土的強(qiáng)度；增加第二種膠結(jié)土粒的方式就是激發(fā)土粒本身的活性，利用土粒與土粒之間的反應(yīng)使得土壤成為整體，這也是土壤固化劑最終的目標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)有資料，第二類固化劑涉及到激發(fā)土壤的反應(yīng)活性；電離子溶液固化劑處理的土壤顆粒含有部分具有活性的鋁，在壓力和配位離子作用下，土粒相互靠近以及通過化學(xué)鍵連接在一起。這些只是具有建設(shè)意義的機(jī)理推測，深入的研究需要建立在認(rèn)真分析土壤顆?；瘜W(xué)組成和空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，需要對具有活性的硅酸鹽類物質(zhì)和土壤進(jìn)行對比分析。就目前所知，在一定條件下，土壤顆粒自己會聚合。在形成離子晶體時，遵循Pauling法則。根據(jù)這一法則，利用低價離子取代土壤中的鋁離子，有利于土壤中礦物晶體的再形成。另外，鈣離子有利于硅酸鹽的聚集，鐵離子化合物會在土壤結(jié)晶中處于中心晶核的地位。實(shí)際上，這兩種膠結(jié)的方式經(jīng)常出現(xiàn)在同一種固化土中，相互促進(jìn)。2.3幾種常用的土壤固化劑及其作用機(jī)理2.3.1ISS型土壤固化劑ISS(IonicSoilStabilizer)是美國開發(fā)研制的一種新型的電離子土壤形成堅固的板塊結(jié)構(gòu)。從20世紀(jì)70年代起，ISS已在世界上數(shù)十個國家與地①利用土膠粒的雙電層原理，在高分子液體固化劑加入后，產(chǎn)生高濃度的反離子，通過其與土膠粒表面負(fù)電荷間的電性力來克服土膠粒間的“能壘”,增加膠粒間的吸引力，降低ζ電勢(ζ電勢是吸附層與擴(kuò)散層之間的電勢差，擴(kuò)散層中反離子濃度越小，則擴(kuò)散層越薄，ζ電勢越小，那么雙電層厚度越薄，土顆粒間吸引能越高),在外界功作用下，將擴(kuò)散層中反離子盡量壓縮到吸附層土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述內(nèi)，減小擴(kuò)散層厚度，即降低ζ電勢，則可有效地減薄雙電層厚度，使得粘土最終使整個土體形成牢固的整體空間框架結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到加固土的作用。③土壤固化劑合成時，使用的憎水基高分子化合物，固化時可以溶解在水中，并以水溶液形式加入土中。固化土壤時，高分子鏈上親水基團(tuán)與土顆粒表面礦物相互作用，朝向土顆粒，而憎水基團(tuán)背離土顆粒。這樣高分子長鏈將土顆粒包裹在一起，把多余的水分析出在團(tuán)聚的土體表面，并通過外部的重力壓實(shí)作用和蒸發(fā)作用，使土顆粒之間緊密膠聯(lián)，并排出水分，加固了土壤，增強(qiáng)了土壤的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B透強(qiáng)度。這一過程是不可逆轉(zhuǎn)的，通過固化處理的土①水化反應(yīng)。土壤固化劑本身部分水化反應(yīng)生成硅酸鈣、鋁酸鈣等膠凝性物質(zhì)，使粘土顆粒表面形成凝結(jié)硬化殼。與粘土物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硅酸鈣、鋁酸鈣等膠凝性物質(zhì)，使粘土表面產(chǎn)生凝結(jié)硬化，具有水穩(wěn)性、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。同時土壤固化劑中的激發(fā)劑可以有效地破壞礦渣、粉煤灰中的玻璃體結(jié)生成含32個結(jié)晶水的鈣礬石針狀結(jié)晶體3Ca0.AL203.3CaSO4.32H20,將土壤中大量的自由水已結(jié)晶水的形式固定下來。同時這種水化反應(yīng)形成的結(jié)晶體使得材料的體積增加，它有效的填充土團(tuán)粒間的孔隙，使固化土變得致密起來。在電子顯微鏡下以看到土壤顆粒被C-H—S凝膠包圍，并相互連成一片，在土壤粒子之間形成一個牢固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，從而提高了密實(shí)度，對抗壓、抗?jié)B、抗硫土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述③離子交換。土壤固化劑與水作用產(chǎn)生大量的Ca2+,以及激發(fā)素中含有的高價陽離子，如Fe3+、A13+等，由于具有較高的離子強(qiáng)度，與土顆粒中的Na+、K+、Ca+進(jìn)行離子交換作用，使得粘土膠團(tuán)表面ζ電位降低，膠團(tuán)吸附的雙電層減薄，電解質(zhì)濃度增強(qiáng)、顆粒趨于凝聚，清除土壤內(nèi)的液相和氣相，生成的硫酸鈣結(jié)晶，體積膨脹而進(jìn)一步填充孔隙，同時與針狀結(jié)晶相互交叉，形成鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而緊密結(jié)合，從而提高了地基的強(qiáng)度、耐水性和抗凍性。④土壤固化劑與活性物質(zhì)反應(yīng)。土壤的成分比較復(fù)雜，它里面含有大量的成分與這些活性成分反應(yīng)生成膠凝性物質(zhì)，發(fā)揮粘土潛在活性，增加及增強(qiáng)了總之，復(fù)合類土壤固化劑的固化機(jī)理是在與土壤細(xì)顆粒接觸時發(fā)生多種物理和化學(xué)反應(yīng)，使界面形成牢固的多結(jié)晶聚集體，從而改變了顆粒界面接觸的美國的路邦EN-1土壤固化劑是一種內(nèi)浸性材料液態(tài)固化劑，該固化劑為酸由于路邦土壤固化劑(EN-1)是一種自然溶解的分散劑成分，可使土壤形成壤固化劑(EN-1)經(jīng)水稀釋后，可與土壤中的礦物質(zhì)及土壤顆粒發(fā)生溶解、結(jié)路邦EN-1型土壤固化劑為離子類固化劑。該產(chǎn)品是一種高分子化學(xué)土壤固土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述路基密實(shí)度，增強(qiáng)路基的承載能力，并顯著改善路基的水穩(wěn)①置換土粒表面的結(jié)合水，減薄土粒表面的結(jié)合水膜，使土體更容易壓實(shí)。水一般通過物理壓實(shí)即可擠出土體。而結(jié)合水往往通過各種力學(xué)和化學(xué)鍵連接劑加入土壤中后，由于磺化油中的SO?陰離子頭與土顆粒表面的金屬陽離子結(jié)粘土的礦物是以SiO?為骨架而合成的板狀或針狀結(jié)晶，通常其表面會帶有Na+和K+等離子，固化劑遇水后與這些離子進(jìn)行置換，使得粘土膠團(tuán)表面ξ電位降低，膠團(tuán)所吸附的雙電層減薄，電解質(zhì)濃度土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述④與鹽澤地區(qū)土中C1-離子反應(yīng)形成氯鹽，增加早期強(qiáng)度。鹽漬地區(qū)土壤中含有大量CI離子，溶液中的Cl一可以與石灰及固化劑水化產(chǎn)生的可溶性A?O?用形成的離子，包括鐵、鋁、鎂、鈣、鈉、鉀等陽離子和硅酸、鋁酸、鋁硅酸、定比例配制成水溶液，灑入泥土中，通過生物酶素的催化作用，經(jīng)過外力壓實(shí)，速度很慢，整個過程需要千百萬年時間才能完成。有沒有辦法可以加速這一過程?隨著生物技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了一種能催化這一反應(yīng)的特殊生物催化劑—土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述化粘著作用而產(chǎn)生的一種強(qiáng)力的硬化過程，從而形成類似于頁巖的致密而堅固的整體。由于酶的催化作用使反應(yīng)的速度大大加快，酶的催化作用促進(jìn)有機(jī)大分子聯(lián)合生成一種中間反應(yīng)物，它改變了粘土的原有格構(gòu)，使其結(jié)果十分致密，并起到一種屏蔽作用，從而有效地防止土壤進(jìn)一步吸附水分而膨脹導(dǎo)致密度的降低。2.3.5幾種常用土壤固化劑對比幾種土壤固化劑共性：三種土壤固化劑均有類似傳統(tǒng)固化劑(水泥、石灰)所具有的水化、置換和離子交換等反應(yīng)，由于這些反應(yīng)的發(fā)生，使得在土顆粒之間生成了膠凝性物質(zhì)和結(jié)晶體，形成鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，土顆粒更加緊密，從而提高了強(qiáng)度，但這些反應(yīng)是可逆的，隨著水的浸入，鏈狀、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)即可打破，強(qiáng)度降低。與ISS、復(fù)合類、路邦EN-1土壤固化劑不同，帕爾瑪土壤固化酶從土的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理出發(fā)，利用酶的作用對土壤進(jìn)行固化處理，激發(fā)土的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，從而提高土壤的強(qiáng)度，但這種加固是一種可逆反應(yīng)，受水的影響強(qiáng)烈，在水的作用下土體強(qiáng)度將進(jìn)一步衰竭，而又隨著水的排除而逐漸恢復(fù)。ISS、路邦EN-1土壤固化劑除以上作用外，由于含有憎水基高分子化合物 (ISS固化劑)和陰離子表面活化劑(路邦EN-1固化劑),能使土顆粒表面的金屬陽離子結(jié)合，使原本有很大活性的金屬離子被固定下來，阻止了金屬陽離子與水結(jié)合成可溶體，減薄了結(jié)合水膜，使土顆粒更加緊密，強(qiáng)度大大增加、水穩(wěn)性提高，這種反應(yīng)是不可逆的，不會由于水的浸入而破壞，這也是該種土壤固化劑所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。路邦EN-1土壤固化劑獨(dú)特性質(zhì)：由于路邦土壤固化劑含有活性磺化油，有磺酸基和羥基組成“親水頭”,也有主要有碳原子和氫原子組成的“疏水尾”,土壤固化劑加入土壤中后，由于磺化油中的SO?陰離子頭與土顆粒表面的金屬陽離子結(jié)合，原本有很大活性的金屬陽離子被固定下來，阻止了金屬陽離子與水結(jié)合成可溶體，磺化油與土顆粒結(jié)合后，其疏水尾就被從土壤顆粒中排除，圍繞著土壤顆?；蛟谡惩林g形成一個油土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第二章土壤固化劑分類及作用原理綜述面層。這樣，土壤中的結(jié)合水就被疏水尾排除，結(jié)合水膜減薄，土同時疏水尾包裹土壤顆粒，阻止水分進(jìn)入這個體系中，使壓實(shí)后的土體水穩(wěn)性大大提高。這也是路邦土壤固化劑所具有的特殊性質(zhì)，正是由于該種機(jī)理的存在，使得該種固化劑強(qiáng)度及水穩(wěn)性均大大提高，此種固化劑尤其適合地下水位高，容易受水侵蝕的道路路基處理和基層改良中。另一方面，路邦土壤固化劑能與鹽澤土中的C1一離子反應(yīng)形成氯鹽，增加早期強(qiáng)度。鹽漬地區(qū)土壤中含有大量Cl-離子，溶液中的C1一可以與石灰及固化劑水化產(chǎn)生的可溶性ALO?和CaO結(jié)合，迅速形成氯鹽，從而提高固化土的早期強(qiáng)度。這也是路邦土壤固化劑的又一特點(diǎn)，這一特點(diǎn)表明該種土壤固化劑適合在鹽漬土地區(qū)使用。正是由于路邦EN-1土壤固化劑所具有的獨(dú)有特性，其固化后的土壤強(qiáng)度和水穩(wěn)性較其他固化土大大提高，后續(xù)的室內(nèi)外試驗均證明了這一點(diǎn)。土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第三章土壤固化劑固化土強(qiáng)度試驗研究第三章土壤固化劑固化土強(qiáng)度試驗研究為探求土壤固化劑在道路路基、基層中的作用，課題在廣泛調(diào)研國內(nèi)外固化劑處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，對幾種國內(nèi)普遍采用的固化劑進(jìn)行室內(nèi)試驗研究，以便對不同固化劑的固化性能進(jìn)行對比；在此基礎(chǔ)上，選擇適合于天津市軟土地區(qū)路基處理及基層固化材料的固化劑，并對此(一種或幾種)進(jìn)行集中試驗，探求最佳摻配比例，選擇可以代表天津地質(zhì)情況的公路及城市道路作為試驗段，用所確定的固化劑進(jìn)行路基處理及基層材料替換，與傳統(tǒng)的基層材料進(jìn)行對比，并通過室內(nèi)外對比試驗確定固化劑處理路基及基層的施工工藝及最佳劑量。共選擇了三種固化劑——路邦EN-1固化劑、帕爾瑪固化劑、ISS固化劑，對于三種固化劑的作用原理，前章已進(jìn)行了論述，其中路邦EN-1、ISS為離子型固化劑，帕爾瑪為生物固化酶。選擇的土樣有空客A320、津汕高速公路以及天津港南港路，以期使室內(nèi)選取的土壤能代表天津地區(qū)土壤的特點(diǎn)，使試驗的結(jié)果具有針對性。其中空客A320場地位于天津市區(qū)與濱海新區(qū)之間，屬于典型的高液限淤泥質(zhì)粘土，天然含水量高(32~53%),塑性指數(shù)在28~32之間，干縮性大、對水敏感，不滿足工程土條件，但考慮東麗區(qū)土源匱乏，必須予以利用。津汕高速公路位于天津市區(qū)的西部，也屬于高液限粘土，天然含水量在26~40%之間，塑性指數(shù)高達(dá)24~30,有機(jī)質(zhì)含量高，干縮性大，已往多通過摻加5%~8%的石灰以滿足工程需要。天津港南港路位于濱海新區(qū)，瀕臨海邊，位于南疆港，土質(zhì)屬于典型的鹽漬土，含鹽量高，對結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重，天然含水量在23~31%,塑性指數(shù)16~25之間，有機(jī)質(zhì)含量高，工程中多對該種土源進(jìn)行廢棄。三處地域代表了天津典型的土質(zhì)特點(diǎn)，從西部的高液限粘土，到中部的淤泥質(zhì)粘土，到東部的鹽漬土，力求能代表天津地區(qū)土性特點(diǎn)。從交通條件來看，津汕高速公路重車較多，貨車比例占整個交通量的60~80%以上，空客A320基礎(chǔ)設(shè)施道路為滿足大件車輛的需求，荷載達(dá)300~600噸以上，南港路為港區(qū)典型的重載道路，車輛單軸軸載達(dá)30噸以上，多數(shù)車輛超載嚴(yán)重。試驗參考《公路土工試驗規(guī)程》(JTJ051-93),《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第三章土壤固化劑固化土強(qiáng)度試驗研究承載比試驗側(cè)限抗壓強(qiáng)度試佳含水量度防滲試驗試驗準(zhǔn)備階段試驗階段試驗結(jié)論整理試件無側(cè)試驗結(jié)論干縮性試驗圖3.1-1試驗研究技術(shù)路線1、對空客A320、津汕高速公路現(xiàn)場的原狀土做天然密度、含水量、塑限定土壤的最大干密度和最佳含水量，為添加土壤固化劑或其它輔料提供依據(jù)。壤的力學(xué)特性，以便與添加土壤固化劑或其它輔料后的試樣做比較提供基礎(chǔ)數(shù)4、進(jìn)行各種輔料配比混合土的擊實(shí)試驗，根據(jù)不同含水量的擊實(shí)試驗結(jié)果，畫出干密度和含水量的關(guān)系曲線，確定該混合土的最大干密度和最佳含水5、根據(jù)前期施作試驗確定的最佳固化劑摻入比，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。對不同齡期(7天、14天、28天)試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、CBR承載比試驗和回彈模量試驗，確定該配比試件不同齡期的力學(xué)特性。6、上述試驗的每個齡期每個試驗項目分別制作3~6個相同的試件，取平均值作為試驗結(jié)果。通過對以上各項試驗結(jié)果進(jìn)行力學(xué)特性對比和經(jīng)濟(jì)性對比，對路邦土壤固化劑、ISS固化劑和帕爾瑪土壤固化酶給出客觀的綜合性評價。本次試驗所用材料及標(biāo)準(zhǔn)如下：1、土：空客A320土壤，其物理指標(biāo)見表3.1-1所示；津汕高速公路現(xiàn)場土壤，其物理指標(biāo)見表3.1-2所示，試驗時細(xì)粒土應(yīng)盡可能粉碎，粒徑不得大于15mm,有機(jī)質(zhì)含量不超過5%。土樣液限備注1低液限粘土234高液限粘土56津汕高速公路試驗土樣各種物理性指標(biāo)表3.1-2土樣液限塑限指數(shù)液限指數(shù)備注1亞粘土232、共選取三種土壤固化劑：路邦EN-1土壤固化劑(濃縮液),電離子土壤固化劑ISS,帕爾瑪土壤固化酶濃縮液路邦EN-1土壤固化劑(濃縮液),固化劑濃縮液摻入劑量為0.014%(室內(nèi)試驗摻入劑量再取0.012%和0.016%對比);電離子土壤固化劑ISS,棕黑色水溶液液體，最小稀釋比1:200,固化劑濃縮液摻入劑量為0.021%(室內(nèi)實(shí)驗摻入劑量再取0.023%和0.019%對比);帕爾瑪土壤固化酶濃縮液，最小稀釋比例1/500,固化劑濃縮液摻入劑量為0.067%(室內(nèi)實(shí)驗摻入劑量再取0.070%和0.064%對比),3、水泥：普通硅酸鹽水泥32.5號，終凝時間大于6小時。4、石灰：三級，70%鈣鎂含量。石灰劑量=石灰質(zhì)量/干土質(zhì)量，生石灰塊應(yīng)在使用前7~10天充分消解。消解的石灰應(yīng)保持一定的濕度，不得產(chǎn)生揚(yáng)塵，也不可過濕成團(tuán)。消石灰宜過孔徑10mm的篩，并盡快使用。5、水：采用飲用水或PH值大于等于6的水?！窀鞣N孔徑顆粒分析篩一套；圖3.2-1取土器圖3.2-2TGTA型反力框架圖3.2-6回彈模量試驗儀圖3.2-7天平根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTJ053-91)的規(guī)定，本次試驗為重型擊實(shí)，選用的擊實(shí)試驗方法為重型Ⅱ法的類別Ⅱ.2。無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定土(即土壤添加水泥石灰等輔料后的混合土)擊實(shí)試驗參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTJ057-94),選擇的試驗方法類別為丙類。標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗的主要參數(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗的主要參數(shù)要求表3.3-1類別錘底直徑錘質(zhì)量落高試筒尺寸層數(shù)每層擊數(shù)擊實(shí)功最大粒徑內(nèi)徑高容積53圖3.3-1擊實(shí)試驗土壤的最佳含水量隨著添加輔料配比的不同而變化，擊實(shí)試驗的目的是通過試驗來測定至少5個不同含水量土樣的干密度與含水量，畫出含水量與干密度的關(guān)系曲線，確定土壤的最佳含水量和最大干密度。試驗步驟如下：1、準(zhǔn)備試料，將風(fēng)干的土樣碾碎過篩，按四分法取篩下的土樣，每個試件用土約6.5公斤，估計風(fēng)干土樣的含水量，噴灑適當(dāng)用量的水進(jìn)行拌合。每個試件含水量相差2%～3%,其中有兩個大于和兩個小于最佳含水量。所需加水量按oη——土樣原有含水量，%;0——要求達(dá)到的含水量，%。2、將擊實(shí)筒放在堅硬的地面上，取制備好的土樣分3次倒入筒內(nèi)，當(dāng)按3層法時，每層需試樣1700g左右(其量應(yīng)使擊實(shí)后的圖樣等于或略高于筒高的試驗規(guī)程》(JTJ057-94)第3節(jié)，選擇的試驗方法類別為丙類。本試驗研究選取標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀的主要參數(shù)表表3.3-2類別錘底直徑錘質(zhì)量落高試筒尺寸層數(shù)每層擊數(shù)擊實(shí)功最大粒徑內(nèi)徑高容積53土壤的最佳含水量隨著添加輔料配比的不同而變化，擊實(shí)試驗的目的是通過中所占比重不大，所以不同配比無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土的最佳含水量變動不大。對現(xiàn)場土配制不同含水量并擊實(shí)，含水量依次相差1%~2%,且其中至少有土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第三章土壤固化劑固化土強(qiáng)度試驗研究o——含水量，%。空客土擊實(shí)試驗結(jié)果表3.3-3編號土+模筒質(zhì)量模筒質(zhì)量密度盒(g)土+盒盒含水量含水率干密度(g/cm312345無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土擊實(shí)試驗結(jié)果表3.3-4編號土+模筒質(zhì)量模筒質(zhì)量密度盒(g)土+盒盒含水率干密度(g/cm3)12345量為16.52%。用同樣的方法得出(現(xiàn)場土95%+水泥2%+石灰3%+固化劑)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土的干密度與含水量的關(guān)系曲線(見圖3.3-3),其最大干密度為土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第三章土壤固化劑固化土強(qiáng)度試驗研究圖3.3-2含水量~干密度關(guān)系曲線汕高速土的最大干密度為1.974g/cm3,最佳含水量為14.00%,下表為津汕高速津汕高速公路現(xiàn)場土擊實(shí)試驗記錄表3.3-5土樣編號2筒號1落距土樣來源京汕高速靜海段筒容積(g/cm3)每層擊數(shù)試驗日期擊錘質(zhì)量干密度試驗次數(shù)123456簡加土質(zhì)量(g)筒質(zhì)量(g)濕土質(zhì)量(g)濕密度(g/cm3)干密度(g/cm3)含水量盒號盒+濕土質(zhì)量(g)盒+干土質(zhì)量(g)盒質(zhì)量(g)水質(zhì)量(g)干土質(zhì)量(g)含水量(%)%最佳含水量=14.00%最大干密度=1.974g/cm校核者計算者試驗者土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第三章土壤固化劑固化土強(qiáng)度試驗研究圖3.3-3津汕高速土干密度與含水量關(guān)系曲線表，首先對原土樣及摻加固化劑土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗，試驗結(jié)果見表3.3-6。土樣與土壤固化土土擊實(shí)試驗結(jié)果表3.3-6固化劑路邦EN-1帕爾瑪最佳含水最大干密度最佳含水最大干密度最佳含水最大干密度未加固化劑土樣摻加固化劑土樣由表3.3-5可看出，不加土壤固化劑土樣的最大干密度為1.814g/cm3,最佳含水量為10.6%,分別摻加0.014%、0.021%、0.070%路邦EN-1、ISS、帕爾瑪土壤固化劑后，加固土的最大干密度分別為1.835g/cm2、1.826g/cm3、1.822g/cm3,最佳含水量分別為10.1%、10.3%、10.7%。摻加固化材料后，土的最大干密度增大約1%,最佳含水量降低約4.9%。3.4—1,為低液限粉土。試驗土樣各項物理性指標(biāo)表3.4-1土樣液限W?(%)塑限Wp(%)液性指數(shù)Ip備注1低液限粉土2土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究第三章土壤固化劑固化土強(qiáng)度試驗研究不同的配比(4%石灰、5%石灰、以及2%水泥3%石灰),每種配比共選取了5個土樣，配制不同含水量現(xiàn)場土并擊實(shí)，含水量依次相差1%~2%。試樣擊實(shí)后稱重、測定含水量、計算土壤干密度，下表給出固化土擊實(shí)試驗結(jié)果。土壤固化劑固化土擊實(shí)試驗結(jié)果表3.4-2固化劑路邦EN-1帕爾瑪最佳含水最大干密度最佳含水最大干密度最佳含水最大干密度固化石灰土(4%石灰)固化石灰土(5%石灰)固化石灰水泥土(2%水泥，3%石灰)對以上配比土壤固化劑固化土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，結(jié)果見表3.4-3。不同土壤固化劑固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(7天齡期)試驗結(jié)果.4-3固化劑無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(Mpa)不加固化劑(浸水)路邦EN-1(浸水)ISS(浸水)帕爾瑪(不浸水)4%石灰5%石灰2%水泥+3%石灰從表3.4-3看出，不加土壤固化劑僅摻加石灰及水泥，4%石灰土7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.58Mpa,5%石灰土7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.67Mpa,3%石灰+2%水泥土7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.95Mpa;而摻加土壤固化劑后，三種固化劑固化土7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有所提高：對于4%石灰土，摻加路邦EN-1、ISS、帕爾瑪固化劑后，7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了37.9%、17.2%、25.8%;對于5%石灰土，摻加路邦EN-1、ISS、帕爾瑪固化劑后，7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了41.8%、23.9%、37.3%;對于2%水泥+3%石灰固化土，摻加路邦EN-1、ISS、帕爾瑪固化劑后，7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了26.3%、15.8%、5.2%。從表中看出，摻加土壤固化劑后固化土7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大大提高，且路邦EN-1配比不加固化劑與添加固化劑的で50×50mm試件，養(yǎng)生6天后浸水24小時，固化劑效果的對比抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果表3.4-4試件抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度均值試件抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度均值含水量17%加固化劑94%土含水量17%加固化劑含水量94%土含水量17%試驗結(jié)果表明4%水泥+6%石灰+90%空客土添加路邦土壤固化劑試件比不添加路邦土壤固化劑試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高15%左右；3%水泥+3%石灰+94%空客土添加路邦土壤固化劑試件比不添加的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高11%左右。因此，添加土壤固化劑可以提高土壤的承載力，改善土壤親水性變?yōu)閰捤?。為了有效提高土壤承載力，本次試驗研究使用了路邦固化劑和帕爾瑪固化劑兩種不同的固化劑，以比較兩種固化劑的使用效果。組號編號制做重量浸水前重浸水后質(zhì)抗壓強(qiáng)度平均值等效抗壓強(qiáng)度(MPa)提高百分比備注1加路邦固化劑2加帕爾瑪固化劑3既加路邦又加帕爾瑪注：等效抗壓強(qiáng)度是指壓實(shí)度相同時的無側(cè)(1)在同樣輔料配比的情況下，添加路邦土壤固化劑試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比添加帕爾瑪固化酶試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高約7.2%,這可能是由于帕爾(2)試驗結(jié)果表明，同時使用路邦固化劑和帕爾瑪固化劑試件的無側(cè)限抗試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了16.8%。而且其水穩(wěn)性能良好。3.5土壤固化劑固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTJ057-94)進(jìn)行。制作不同輔料配比、不同壓實(shí)度、不同含水量的試件，試驗過程中采用靜力壓實(shí)法制備で50×50mm試件，試樣密度按照高于其最佳含水量1%~2%的含水量制備。養(yǎng)護(hù)6天后浸水24小時，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。h——試件高度(mm)v——試件體積(cm3)o——最佳含水量式中F——試件養(yǎng)生后的抗壓強(qiáng)度；P——試件所承受的最大豎向壓力(N);A——試件受力面積(mm)。測力計校正系數(shù)C=112.6N/0.01mm;為確定土壤固化劑固化土最佳摻配比(滿足要求強(qiáng)度最小的固化劑及水泥石灰摻量),重點(diǎn)對空客A320現(xiàn)場土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。空客A320總裝線工程場地屬于典型的華北平原東部濱海平原地貌，屬海相與陸相交互沉積地層，廠區(qū)取土坑較多，地基土含水量較高、孔隙比偏大、呈中壓縮性。由于軟土地基強(qiáng)度低、沉降大、沉降歷時長，特別考慮A320總裝線運(yùn)輸車輛均為運(yùn)輸大件的車輛，極其不利于市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，軟土地基處理的好壞，直接影響道路、排水、橋梁的使用質(zhì)量與使用壽命，因此A320總裝線廠區(qū)道路、排水、橋梁建設(shè)必須把軟土地基處理作為一個首要的關(guān)鍵技術(shù)問題。參照設(shè)計規(guī)范的要求，擬建中的高速公路由于要運(yùn)載飛機(jī)總裝所需的大型構(gòu)件，因此其路床的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于0.4MPa,路基底基層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于1.5MPa。最佳輔料配比試驗的目的就是通過試驗，找出能夠滿足設(shè)計強(qiáng)度的最佳配比。即在使用土壤固化劑的情況下，添加最少的水泥、石灰的用量，用最經(jīng)濟(jì)的手段滿足設(shè)計的要求。為了給后面的試驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，首先用空客土添加4%水泥和6%石灰制作不加固化劑的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土050×50mm試件，制作試件前對空客土進(jìn)行碾壓過篩，使土壤粒徑滿足試驗規(guī)程的要求。先初步施作了3個050×50mm空客土試件，浸水后做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。試驗結(jié)果如下表所示：試驗結(jié)果如下表所示：編號密封固化劑浸水前質(zhì)量浸水后質(zhì)量壓力計讀數(shù)抗壓強(qiáng)度1是不加2是不加3是不加通過試驗得出在添加輔料4%水泥+6%石灰，不加固化劑的o50×50mm試為找到滿足設(shè)計強(qiáng)度的最佳配比，做了大量各種配比的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(見下面照片),通過試驗結(jié)果的總結(jié)，對土壤固化劑的性能和效果有了進(jìn)一步的認(rèn)識。最終確定2%水泥+3%石灰+路邦、4%石灰+路邦、3%水泥+3%石灰+路邦三種配比使用效果較好且造價較低。圖3.5-2室內(nèi)試驗場景圖3.5-3抗壓試驗后的部分試件圖3.5-4試件脫模圖3.5-5試件浸水圖3.5-6空客土+碎石+帕爾瑪圖3.5-7京汕土+碎石+帕爾瑪圖3.5-8空客土+50%碎石+帕爾瑪圖3.5-9空客土+40%碎石+帕爾瑪圖3.5-10空客土+20%碎石+帕爾瑪圖3.5-12空客土+2%水泥+2%石灰+路邦圖3.5-11京汕土+30%碎石+路邦圖3.5-13空客土+4%石灰+路邦圖3.5-14浸水后待壓試件圖3.5-15發(fā)生水解現(xiàn)象的試件圖3.5-16無水解現(xiàn)象的試件圖3.5-174%水泥+6%石灰無固化劑試件圖3.5-18津汕土+2%水泥+3%石灰+路邦圖3.5-19津汕土+1%水泥+3%石灰+路邦表3.5-3是以上三種配比添加路邦EN—1固化劑試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果。制作試件時很難達(dá)到每個試件的壓實(shí)度完全一致，為了便于三種配比試驗結(jié)果在同一壓實(shí)度下的橫向比較，表中給出根據(jù)抗壓強(qiáng)度與壓實(shí)度關(guān)系曲線推不同輔料配比添加固化劑后試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果表3.5-3描述編號等效重量(g)壓實(shí)度抗壓強(qiáng)度平均值等效抗壓強(qiáng)2%水泥+3%石灰+路邦4%石灰+路邦3%水泥+3%石灰+路邦等效質(zhì)量=試件質(zhì)量×50mm/試件高度(mm)試驗結(jié)果表明，空客現(xiàn)場土添加4%石灰和路邦固化劑的無機(jī)穩(wěn)定土做路床處理時，當(dāng)壓實(shí)度大于90.0%,其抗壓強(qiáng)度可大于0.80MPa;空客現(xiàn)場土添加2%水泥、3%石灰和路邦固化劑做底基層無機(jī)穩(wěn)定土?xí)r，壓實(shí)度達(dá)到95.5%以上則無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可滿足1.5MPa的要求；空客現(xiàn)場土添加3%水泥、3%石灰和路邦固化劑做公路基層無機(jī)穩(wěn)定土?xí)r，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度若要達(dá)到2.5MPa,壓實(shí)度必須控制在97.6%以上。大量的試驗結(jié)果表明，試