土壤固化剂的应用与推广.doc

土壤固化剂的应用与推广成 果 报 告江苏苏油建设有限公司二OO四年十二月目 录第一章 项目概况第一节 立项的背影、依据和应用前景第二节 项目的组织形式第三节 项目的研究内容第四节 项目的创新点第二章 项目的研究成果第一节 与标准的符合性第二节 ISS离子土壤固化剂固化典型路基的施工方法第三节 ISS与石灰土掺配时各项技术指标分析第四节 经济效益分析第三章 存在问题与建议第一节 存在的问题 第二节 建议第四章 下一步攻关方向第一节 下一步攻关方向第 一 章项 目 概 况第一节 立项的背景、依据和应用前景目前我国公路工程建议中大量开采石料，对水土保护、生态保护、环境保护都产生了极为不利的影响，为此、急需研究和开发新材料来取代传统的筑路材料，以达到最大限度的保护生态资源的目的。而且，江苏油田位于苏皖两省6市12县内，地处高邮湖、邵伯湖、洪泽湖和里下河地区，河湖星罗，素有“水乡油田”之称。目前，江苏油田井场道路一般采用8%-12%石灰土做为基层，泥结碎石做为面层，这种结构在正常使用下一般3-5年就需要维修，维护成本较高，而采用混凝土结构，虽能增加使用寿命，但综合成本很高。那么，采用什么样的结构或新型材料既能延长道路使用寿命，又能节省综合成本呢。早在2000年8月，我公司就在寻求一种能大幅度提高路基强度的新型材料，基于此类原因，我公司经过对市场的不断的调查与比对分析，最后选定了由澳洲国际离子土壤稳固剂实业有限公司设计生产的Roadbond/Roadbacker，中文注册名称为“路基实”，习惯叫法“ISS”。江苏油田的油区道路大多数处于平原地区，修筑道路需要大量的土和碎石，道路基层侵害最大的是“水”，而ISS最突出的特点是解决“水”对路基的侵害。因为ISS路基实是一种由多个强离子组合而成的化学品，其中含有一种活性成分硫化油，硫化油是一种阴离子型表面活性剂，在结构上具有独特的二重性，硫化油与粘土矿物质相互作用后能使原本有很大活动性的阳离子被束缚在原位而被硫化油分子所密封，这样，被压实材料中的毛细管内覆盖着硫水层，他可以让水自由流动，但不会被处理过的材料吸收也不会影响其稳定性。众所周知，岩土工程都存在着湿胀、干缩的现象，其主要原因是：用来建设这些岩土工程的土壤里含有粘土。粘土矿物具有颗粒细小、表面积巨大的特点，又具有强烈的亲水特性，能大量地吸附水分，在干燥及温度较高的情况下又易失去水分。于是，土壤的体积就会因为水分的吸收或挥发而变化很大，湿胀、干缩作用的结果必然是岩土工程损坏。因为，如果能有效地去除土壤中的水分，就可以一劳永逸地解决这个问题。ISS离子土壤固化剂，也叫离子土壤强化剂，将它加入到土壤或路基材质中，使土壤由亲水性变成憎水性，从根本上将土壤内部的吸附水全部去掉，在常规压实机械的碾压后，能有效地改进土壤的工程性质，包括增加压实度、密度、承载能力，凝聚土壤颗粒，减少土壤的水敏感性，提高土壤的防渗性等。离子土壤强化技术提供一种新的、低成本的，可以就地取材的岩土工程建设方法。国际上称ISS是20世纪重大发明，也是我国“土壤稳固剂的引进、开发和应用”项目列为在2010年前拟定实施的33项交通科技重点项目之一。离子土壤固化剂不同于一般的诸如石灰、水泥等化学强化剂，ISS只是一种催化剂，它只是通过其自身的离子交换作用改变土壤的性质，并不参与土壤的胶结或化合作用，又由于其分子与土壤颗粒的紧密结合，所以，ISS一旦掺合到土壤中，其总量并没有减少，也不随时间而消耗。相反，由于其催化作用的特点，其对土壤的强化作用会持续有效，从而使土壤永久强化。由于ISS作用并不产生象化学强化剂那样的胶结或凝固，所以，ISS处理过的道路既坚硬又具有柔性。ISS结构上的亲水性和硫水二重性，使它可以阻止水分进入土壤体系，从而可以获得永久强化之功效。ISS处理过的岩土工程，可让微量的水自由流过，但不会被处理过的材料吸收，随着自然蒸发，这些自由水从体系中消失而不影响其稳定性。这样，原本被认为不适宜用于建设的材料，经过ISS处理，就可以就地取材，变成完全符合工程要求的建设材料。用ISS处理的方法建设道路，能改进土壤的工程特性，主要是包括压实度、密度、对水分的敏感性、塑性等，从而增强了其承载能力、抗损毁能力，并能大大减少道路的扬尘。与一般的岩石及一般的化学强化土（如石灰强化土、水泥混凝土）不同，ISS处理过的土壤并没有凝结，所以，它固结形成的板状结构具有良好的弹性，不会发生裂痕的倾向。由于处理过的土壤中的水已被排除，不再存在水的冻结的问题，所以，ISS处理的道路不存在低温冻裂的情况。ISS的使用也具有安全简便，可明显缩短筑路工期等优点。使用ISS只需按一定的比例加水稀释，喷洒到要处理的土壤中，再拌合均匀，然后就按常规的方法铺平、碾压即可。施工完毕24小时后即可达到正常通车使用条件；7日后，化学反应使土壤达到坚固状态，28日后达到最高强度并趋于稳定。ISS是一种环境友好的产品，对人体、牲畜、植物和大自然均无损害，并能促进植物的生长，而且工程建设及维护简便，对养殖场、草坪、山体植被等生态平衡有促进作用。另外，由于ISS施工法减少了原地材料的废弃及新材料的开采及搬运，使建设工程对环境的损害减低到最小程度，最大限度地保护了环境生态。经查阅相关资料，ISS产品自60年代发明以来，在世界各地得到不断的推广应用，特别是象美国、加拿大、澳大利亚、南非这样的幅员辽阔的国家，有很多象乡村公路、农场或林场道路、私人道路等一般不需铺设路面的道路，ISS产品大派用场。它极大地降低了道路工程的建设及维护保养成本，增强路基强度和承载力，使道路工程耐久耐用。ISS产品长期以来被美国联邦交通运输局、美国农业部的森林管理局、美国军事工程部、美国海军及德克萨斯州、奥克拉荷马州、俄亥俄州、宾夕法尼亚州、纽约州、加利福尼亚州等州的交通局所推崇并得到推广应用。在澳大利亚，ISS产品被广泛应用，其中南澳大利亚州就有三分之二的道路是以ISS施工的。在南非，已有几千英里的道路以ISS法施工。据国外的使用经验表明 ，用ISS建设的道路，虽经交通车辆的长期运行或洪水侵蚀，其稳定性与承载能力可保持30年不变。到现在，ISS不仅被用于次级道路，在很多国家，它已应用于高等级道路，成为一种被普通接受的筑路新方法。在中国，截至2003年底使用ISS成功建成数条道路，预料在未来数年ISS在公路建造上会带来热潮。ISS产品已经在发达国家得到普遍的应用，这些年来，它更被引进到澳洲、赞比亚、新几内亚、中国、菲律宾、新加坡及欧洲、南美洲等很多国家从而被证明为在各种不利天气条件（如极热、极冷、冰冻等）下的一种修筑各种等级道路的低成本的筑路方法。ISS是为建设道路而发明的，但其应用范围已远远超出其原先的范围，现在，它已被推广应用到机场、停机坪、油田、矿山、矿井坑道、港口、码头、堤坝、排水渠、停车场、货场、林区道路、农场道路、乡间道路、铁路、引水道防渗及建筑基础工程等等，在所有希望便捷、投资经济且基础坚固的基础工程中，ISS都发挥着它独特的优势。ISS由于其巨大的优越性而受到使用部门的高度评价。使用ISS做成的路基，20-30年不会损坏，可显著延长道路使用年限，改善交通条件。针对ISS与石灰、水泥综合稳定土的抗水蚀能力较强的特点，对于修筑井场道路时可减少外进土数量，利用原路基土就地翻修，适当加高路基即可。同时，江苏地区又是砂石料缺乏地区，传统的道路修建砂石料用量很大，而目前国家对砂石料的开采、使用已开始进行限制，能代替砂石的最好材料就是土壤，而要把土壤固化成坚固的路基，就必然要用土壤固化剂。因此，ISS在本地区的推广、使用具有深远的社会效益和较好的经济效益。该材料的使用，不但能提高路基强度、简化路面结构、缩短施工周期、扩大材料来源，而且还可降低道路投资。是一种新型的、多快好省的筑路材料，推广前景十分广阔。第二节 项目的组织形式为能切实做好次项工作，公司专门成立了科题研究小组，同时聘请局设计院道桥室的赵四元同志担任本课题的技术顾问，公司总经理担任课题负责人，并从公司技术部、实验室、工程处等部门抽调了六名人员参加课题的研究和试验工作。确保研究工作的顺利进行。第三节 项目的研究内容1、ISS路基实的各项参数是否符合CJ/T3073-1998标准要求。2、ISS路基实与不同土质的最佳掺配比例；在正常施工时，寻求最佳的掺配比例，使路基的CBR、回弹弯沉、无侧限强度最优，且为最经济；大面积施工时土的最佳含水量、粉碎度及机械组合和碾压遍数及最迟碾压时间对路度的影响；3、掺入ISS路基实后的土基强度增长情况及其增长规律；4、掺入ISS路基实后的土基抵抗变形的能力及抗水侵蚀能力；5、将ISS路基实与石灰、粉煤灰、水泥、碎石、土掺合做道路路面时，其各项技术指标分析；6、掺用ISS路基实的经济效益分析；7、一般土路基与ISS离子土壤固化剂路基的施工方法。第四节 项目的创新点 1、直接将土、石灰、粉煤灰、碎石按适当比例掺配拌和后做为井场路路面。2、在石灰土或砂砾土中掺入一定比例的ISS路基实后，用于桥梁台背回填，减少工后沉降和桥头跳车现象。3、翻修改建路面可利用原路面材料，从而有效降低开挖、运输、外运费及人工机械成本。第 二 章项目的研究成果第一节 与标准的符合性CJ/T3073-1998土壤固化剂标准的规定：固化土的7天无侧限抗压强度应符合下表规定：层位固化剂类别道路等级城市快速路、主干路城市次干路、支路基层液状水泥类3-42-3石灰类0.8水泥石灰类3-42-3石灰粉煤灰类0.80.6粉状固化剂3-42-3底基层液状水泥类1.51.5石灰类0.80.5-0.7水泥石灰类1.51.5石灰粉煤灰类0.50.5粉状固化剂1.51.5 2004年7月到11月期间我们分别对兴化区块和黄珏区块的不同土质进行了7天无侧限抗压强度实验，结果如下表：工程名称第一组7天无侧限抗压强度（Mpa）第二组7天无侧限抗压强度（Mpa）兴化区块（沙26平1井场路）2.42（4%石灰+5%固化剂）2.16（4%石灰+5L/m3固化剂）黄珏区块（韦8-10井场路）1.47（4%石灰+5%固化剂）1.39（4%石灰+3L/m3固化剂）注：第一组试件为将固化剂掺入土中后立即成型，第二组为将固化剂掺入土中后4小时成型根据以上试验结果，石灰类底基层路基的7天无侧限路基的7天无侧限抗压强度完全符合CJ/T3073-1998标准要求。第二节 ISS离子土壤固化剂固化典型路基的施工方法 1、一般土路基所谓的一般土ISS路基是相对于特殊土ISS路基而言的，指的是除特殊土以外的路基，按土的工程分类来划分，有巨粒土路基、粗粒土路基、细粒土路基等，本次研究的重点是针对细粒土拌合ISS压实后的路基。虽然ISS对粗粒土，甚至有一定的粘粒含量的巨粒土也有效能，但对粘粒含量大于30%的ISS细粒土路基，是最具代表性的ISS路基。一般土的ISS路基的施工与常规的路基相同，一般都是按常规方法在填筑好的路基的顶层上，再铺筑一层压实厚度在15-30cm的ISS土。对于填筑高度（或厚度）不超过1米的矮路基，其ISS层厚一般为15厘米以内；而且对于填高大于12米的高路基，其ISS层的厚度应为15-30厘米之间；介于两者之间的一般高路基，其ISS层厚度大体可控制在20厘米左右。2、挖填方ISS路基：在填方部分的新土与老土的结合部位，可喷洒ISS水溶液以增强其密实度。在开挖的边坡上，也可以喷洒ISS水溶液再拍实来增强边坡的稳定性。对于作为路基的扰动土层，可以ISS水溶液喷洒其基面并压实达到规范要求的密实度。（见图2.1）图2.1挖填ISS路基当原地形高于修筑道路的路基时，需要挖方，这就是挖方路基，也称路堑。一般土挖方ISS路基，主要是在土基开挖的基础上作适当ISS顶层（一般约为15-20厘米）的处理。由于路基开挖扰动了原地层的天然状态，给稳定性带来了不利因素，尤其是挖方较深且土层条件较差时，开挖边坡要特别引起注意。对于作为路基的扰动土层，可以ISS水溶液喷洒其基面并压实到要求的密度。对于边坡，可适度放缓或在坡面上喷洒ISS水溶液再人工拍实来加固。填方土ISS路基施工与常规的施工方法要求相同，在填土和ISS拌合之前，必须将原地上的杂草、树根、农作物残根、腐殖土、垃圾杂物清除掉，并填平坑、洞、穴等。通常，用于ISS路基填筑的都是透水性较好的土，如细粒土类的低液限（LL50%）粉土中的砂质粘土、砾质粘土（CL），砂质粘土，砾质粘土，粉土（ML）。对于粗粒土类，ISS作用效果不明显，但如果用混合填筑法填筑，只要掌握好分层填筑顺序、厚度等，ISS对其中的粘质或粘砾质仍可起一定的作用。在按常规施工方法填筑好路基，在路基（堤）顶面或两侧边坡，松铺ISS土层25-30厘米，重型压实后约为15-18厘米，以增强路基的承载能力与稳定性。在ISS水溶液与土壤的拌合中，一定要均匀，碾压施工时ISS土的含水量以比其最佳含水量高出1%-2%为宜。一般土填方ISS路基的基本情况见图2.2图2.6。在斜坡上开挖填筑的路基，如果采用分层填筑法（图2.3），ISS的应用方法是：在按常规方法填筑好后，在填方及挖方中保留的设计路基顶面上，用ISS土铺设厚度约15-20厘米的密实层。如果采用横向填筑法（图2.4），也是在其顶面上铺一层20厘米左右的ISS压实土即可。对混合填筑法施工的填方路基（图2.5），应在其顶面及填筑斜坡外侧，用ISS水溶液均匀拌入并碾压成约20厘米厚的ISS土层。旧路基加高加宽，在加筑的部分的顶面再铺一层ISS压实土即可。图2.2 一般土ISS混合填筑法1-透水性较大的土层；2-透水性较水的土层；3-ISS土层图2.3斜坡上的分层填筑法 图2.4斜坡上的横向填筑法图2.5斜坡上的混合填筑法图2.6旧路基加宽、加高填筑法对于一般高填方ISS路基，还要特别注意其稳定性、承载能力及沉降量。如果在软弱土基上施工高填方路基，可以通过打孔灌液的方式加固，方法是在软弱地基中打直径100mm左右的孔，深度为1-5米，间距依土基的软弱程度而定，然后向孔中灌注水溶液。第三节 ISS与石灰土掺配时各项技术指标分析我公司于2004年5月起，组织公司相关科室对固化剂的主要技术指标按CJ/T3073-1998土壤固化剂标准，结合CJJ/T80-98固化类路面基层和底基层技术规程、JTJ034-2000公路路面基层施工技术规范、JTJ057-94公路工程无机结合料稳定材料试验规程，对沙26平1井场道路用土进行室内试验，对韦8-10井场道路分别进行了室内和室外实验，实施方案为：3.1、对沙26平1井场的土样，我们采取将3%石灰+5L/m3固化剂、4%石灰+5L/m3固化剂和12%石灰土进行了对比试验，分别进行击实试验和7天无侧限抗压强度试验，结果如下表：样品种类试验项目及结果击实试验7天无侧限抗压强度试验相互间的强度对比3%石灰+5 L/m3固化剂最大干密度1.812g/cm3最佳含水量13.8%2.16MPa3%石灰+5 L/m3固化剂比12%石灰土增长16%，4%石灰+5 L/m3固化剂比12%石灰土增长30%4%石灰+5 L/m3固化剂最大干密度1.790g/cm3最佳含水量15.3%2.42Mpa12%石灰土最大干密度1.690g/cm3最佳含水量17.0%1.86MPa注：7天无侧限抗压强度试件压实度为95%。 3.2、对韦8-10井场道路土样的室内和室外试验结果如下表：室内土工试验：样品种类试验项目及结果击实试验7天无侧限抗压强度试验相互间的强度对比4%石灰+3 L/m3固化剂最大干密度1.714g/cm3最佳含水量16.8%1.39MPa1.47MPa4%石灰+3 L/m3固化剂比10%石灰土增长8%10%石灰土最大干密度1.690g/cm3最佳含水量18.7%1.36MPa塑性指数（IP）值：18.4室外弯沉试验：检测结构层层位结构层名称检测平均值（0.01mm）代表值（0.01mm）第一层K0+0000+08010%石灰土361892K0+0800+15010%石灰土137202第二层K0+0000+0804%石灰+3 L/m3固化剂197515K0+0800+15010%石灰土81128实验结果表明沙26平1井场区块、韦8-10井场区块的土质均适宜使用土壤固化剂，其7天无侧限抗压强度符合CJ/T3070-1998标准要求。2004年10月20日，根据室内实验结果我们选择在韦8-10井场路进行对比实验，该道路全长150米，路基宽4米，为保压力，前期已施工完一层18厘米厚的10%石灰土，进场后我们首先对已完成的石灰土测试了弯沉，然后将韦8-10井场路分为两段，第一段（K0+000-080）用4%石灰土+3%固化剂（0.3L/m3）进行施工，第二段（K0+080-150）用10%石灰土进行施工，厚度均为15cm，两段除了掺加的结合材料不同外，其他的施工方法、施工设备、碾压条件及养护都相同，施工期间分别取样检测了石灰剂量、无侧限抗压强度，施工后的第17天（11月13日）测试了弯沉，从表列结果可以看出，掺加4%石灰土+3L/m3固化剂的结构层和掺加10%石灰土结构层在抵抗变形能力上相比较，掺加了4%石灰土+3L/m3固化剂的结构层的弯沉提高了42%，10%石灰土结构层的弯沉提高了37%，掺加4%石灰土+3L/m3固化剂比10%石灰土结构层多提高5%。在无侧限抗压强度上相比较，掺加4%石灰土+3L/m3固化剂比10%石灰土结构层提高7.5%。其各项技术指标均符合标准、规范要求。第四节 经济效能分析 1、直接经济效益：因为两种方法的施工条件均相同，因此，直接对材料价格进行分析，a、10%石灰土：以每1000m2（15cm厚）计算，石灰土用量为26t，每吨200元，合计5200元，每平方米材料价格为5.20元。b、4%石灰土+3L/m3固化剂：以每1000m2（15cm厚）计算，石灰土用量为10.24t，每吨200元，小计2048元，每平方米材料价格为2.048元。固化剂为45L，每L为195元，每平方米材料价格为8.77元。合计每平方米材料价格为10.82元。2、潜在的经济效益：将工程总造价按各自的预期使用年限进行分摊，石灰稳定土的使用年限一般为8-10年，使用ISS固化剂使用年限一般为20-25年，因此，我们对假定的一段长1Km，宽10m的道路，按上述使用年限的下限对每年的使用成本进行分析：a、10%石灰稳定土按上述直接材料价格计算总成本为5200元（按8年使用年限计算），每年成本为6500元；b、使用0.3L/m3土ISS固化剂按上述直接材料价格计算总成本为108200元（按20年使用年限计算），每年成本为5410元；3、社会效益：目前国家已限制各类公路工程建设中大量开采石料，以达到对水土保护、生态保护和环境保护产生的不利影响，目前南京市及周边省市已经对石矿的开采出台了相关的限制措施和规定，因此，ISS的应用前景将十分广阔。同时，ISS也是一种环境友好的产品，它对人体、牲畜、植物和大自然均无损害，并能促进植物的生长，而且工程建设及维护简便，对养殖场、草坪、山体植被等生态平衡有促进作用。另外，由于ISS施工法减少了原地材料的废弃及新材料的开采及搬运，使建设工程对环境的损害减低到最小程度