帕尔玛在天津市堤防道路上的应用研究.doc

土壤固化剂在天津市堤防道路上的应用研究李刚1,张振2,王红2,李广智2,张洪贵2(1.天津市水利基建管理处,天津300204;2.天津市水利科学研究所,天津300061)摘要：简要介绍了目前常见的土壤固化剂的种类和固化机理,并对搜集到的土壤固化剂进行了固化土室内初步试验,试验结果表明各种土壤固化剂均能不同程度提高土壤耐水浸泡能力。固化土试验路证明土壤固化剂具有良好的路用性能。关键词：土壤固化剂;堤防;道路1.前言土壤固化剂简称固化剂,是指在常温下能够直接胶结土粒表面或与土粒的粘土矿物成分反应生成胶结物质的改性剂,能改善和提高土壤技术性能的材料1。它能与各种土壤发生反应,形成具有一定承载能力、抗渗能力和耐久性的固化土。利用固化剂加固土壤具有以下主要优点:(1)利用天然土壤进行固化,就地取材,节省工程造价。(2)防渗效果良好,渗透系数可达到10-8cm/s。(3)固化土可承受一定压力,具有一定的耐久性,经水浸泡后不发生泥化。(4)固化剂施工简便快捷,环境污染小。由于土壤固化剂具有以上优点,在日本、美国等国的土木工程界受到极大重视,并被广泛应用于水利、交通、建筑等领域的固化、防渗工程中2。我国水利防洪工程中的堤防均为土质,多存在承载力低和不均匀沉降等问题,传统的防洪道路多为泥结石路面,也有部分混凝土路面。泥结石路面造价较低,也能较好地适应路基变形,但晴天一路灰尘、雨天泥浆飞溅,又易于遭受破坏;混凝土路面强度较高,但造价亦偏高,又不易适应路基的沉降变形,尤其对新筑堤防极易因不均匀沉降造成路面开裂破坏,路面破坏后维修困难,而且对以后堤防的继续加高加固会带来不便。因此,对于堤防防洪道路建设需要一种适应性良好的造价较低的筑路新材料和新工艺。2.固化机理土壤固化剂根据其状态的不同可分为液体和粉状两种,根据其固化原理主要可分为电离子类、生物酶类和水化类3种:(1)电离子类:电离子类一般为阴离子型表面活性剂,它利用高效离子交换作用来改变土壤的基本性质,能使粘土颗粒结构中的吸附水游离出来,使土的吸水能力大大降低,在压实功作用下,土体易于压实和稳定,从而有效提高土的密实度、承载力和防渗性能。经处理的土壤,由于其排水作用而使大部分的空隙被压缩,且大部分空间会被再结晶物质所填充,因此土壤渗透性大大降低,加固土一旦被压实稳固,将不会发生湿涨和塑化。澳大利亚的ISS土壤固化剂、美国的罗门哈斯土壤固化剂、WSP高分子有机土壤固化剂和英国的贝塞尔土壤固化剂都属于离子型土壤固化剂。(2)生物酶类:酶是活细胞所产生的一种生物催化剂,它本身在反应中不被消耗;有极少量的存在就可大大加速化学反应,土壤中的有机和无机物质通过酶的催化粘结作用会产生一种强力的硬化过程,从而形成致密而坚固的整体。酶的催化作用促进有机大分子联合生成一种中间反应物,它改变了粘土的原有结构,使其结构十分致密,并起到一种屏蔽作用,从而有效地防止土壤进一步吸附水分而膨胀导致密度的降低。美国的帕尔玛生物固化酶就属于此类。(3)水化类:由粉状无机盐、水泥、石灰、粉煤灰等不同材料混合均匀掺入土壤中,能改善和提高土壤技术性能的混合材料。土壤中掺入固化剂拌合后,在一定的pH条件下,通过各种途径的一系列复杂化学反应和离子交换作用,使固化剂本身和土壤中的矿物成分在土微粒周围形成晶体结构的多种水化物。这种以土微粒和水化物组成的胶体粒子在分子力作用下,凝聚成网状结构,在吸收化学反应过程中放出的热量、外界压力、温度的作用下而硬化,形成以化学键相结合的结晶体网状结构骨架而产生强度,生成密实而坚硬的半刚性板体3。目前市场此类固化剂较多,主要有北京的中土奥特赛特、武汉水利水电大学的HAS和HEC土壤固化剂、上海的NG型土壤固化剂、中国水利科学研究院的WH型土壤固化剂、日本的富士倍通土壤固化剂和天津的路宝土壤固化剂等。3.室内试验3.1原材料为了找到适合堤防道路土质的土壤固化剂,验证土壤固化剂的路用性能,试验选取了奥特赛特、HAS高性能土壤固化剂、NG土壤固化剂、内蒙古高性能土壤固化剂、WSP高分子有机土壤固化剂、ISS土壤固化剂、帕尔玛土壤固化酶7种土壤固化剂进行试验。考虑各种土壤固化剂适应性及试验的可比性,试验采用堤防道路常见的粉质粘土,其击实试验结果如下:3.2试件制备和配比(1)试件制备:试件制备采用50mm50mm的圆柱体试模,按比例将固化剂、土配好,按略高于最优含水量加水,放入搅拌机充分搅拌均匀后,按95%压实度计算每试件所需混合料重量,然后把拌好的混合料放入试模,用万能试验机静压成型试件,最后用脱模器将试件从试模中脱出,标准养护至规定龄期开展相关试验。(2)配比掺量:为了便于比较水化类粉状土壤固化剂之间的性能优劣,在初选试验中我们采用固定掺量比例(12%),对于离子型土壤固化剂和生物酶我们选用其各自推荐掺量开展无侧限抗压强度试验和水稳性试验。3.3试验结果试验主要考察各类固化土7d无侧限抗压强度及浸水后水稳系数,具体试验结果见表2:从试验结果中,可以很清楚地看到（1） 前4种水化类粉状土壤固化剂（奥特赛特、HAS高性能土壤固化剂、NG土壤固化剂、内蒙古高性能土壤固化剂）对土体的固化效果要明显优于离子型土壤固化剂和帕尔玛土壤固化酶。（2） 在水化类土壤固化剂中,HAS土壤固化剂固化土效果最好,其次是奥特赛特土壤固化剂。（3） 素土7d标准养护的无侧限抗压强度仅为0.42MPa,而掺入WSP高分子有机土壤固化剂、ISS土壤固化剂、帕尔玛土壤固化酶对土体强度有一定提高。标准养护6d后,当将素土试件浸入水中,土样就由外向内迅速在水中崩解,约60min后试件上部彻底崩落,试样成为倒锥形的形状,强度完全丧失。（4） 帕尔玛生物酶固化土浸入水后,试样外部缓慢开裂,并在约30min后上部掉角,开始软化,24h以后崩解;ISS固化土浸入水后,试件体积膨胀,缓慢开裂,在约60min后上部掉角,开始软化,30h以后上部崩解,下部还保持一定形状;WSP高分子有机土壤固化剂浸水后破坏现象基本类似。由此可以看出,掺入帕尔玛、ISS、WSP等液体固化剂在一定程度上改变了土壤粒子之间的结合力,减少了土壤粒子之间的空隙,增大了固化土的密度,延缓了土体浸水破坏时间,提高了土体非浸水无侧限抗压强度,但没有根本改善土体的水稳性能,因此以上液体固化剂不适于用作堤防道路的路面处理。4.工程应用通过对7种土壤固化剂的室内水稳性试验,堤防道路选用性能良好的HAS土壤固化剂进行施工。堤防道路位于大港区马厂碱河,全长0.5km,路宽5.0m,厚度设计为20cm,土壤固化剂掺加量12%(重量比)。4.1试验路所用材料(1)土:在试验段路附近取土,土质为粉质粘土,经实验室击实试验,土的最佳含水量11.7%,最大干密度1.82g/cm3。(2)土壤固化剂:采用武汉水利电力大学生产的HAS高性能土壤固化剂。(3)水:就近取水,可以选用井水或地表水。4.2施工工艺大港区马厂减河堤防路试验工程现场施工采用路拌法施工工艺,HAS土壤固化剂道路的施工工艺流程见图2。(1)准备下承层:土壤固化剂的道路的下承层表面需要平整、坚实,具有规定的路拱,下承层的平整度和压实度符合公路路面基层施工技术规范规定。(2)备料(利用马厂减河附近的土):采集土之前,先将树木、草皮和杂土清除干净;土中的超尺寸颗粒人工筛除;按设计配比计算材料用量,调整土壤含水量。(3)摊铺混合料:将土均匀地摊铺在预定的路面上,表面力求平整,并有规定的路拱;摊料的过程中注意将大的土块、超尺寸颗粒人工拣除。(4)摆放和摊铺固化剂,必须均匀。(5)拌和:采用公路专用路用拌和机进行拌和并设专人跟随拌和机,随时检查拌和深度并配合拌和机操作人员调整拌和深度。拌和深度需要达到原有路基510mm。(6)整形:混合料拌和均匀后,立即用路用刮平机初步整形;用推土机链轨立即在初平的路段上快速碾压一遍,以暴露潜在的不平整;在整形过程中严禁任何车辆通行,并保持固化土拌合均匀。(7)碾压:整形后,等到混合料为最佳含水量时,立即用压路机进行碾压。碾压时,应注意重叠1/2轮宽,后轮必须超过两段的接缝处,后轮压完路面的全宽时即为一遍。施工时,控制碾压6遍。(8)洒水养护:在碾压完成以后,采用洒水车洒水进行养护,洒水车洒水不得将水流直接冲击固化土路面,而应均匀喷洒。洒水的养护期在7d以上,在养护期间除洒水车外禁止任何车辆通行。4.3后期观测马厂减河试验路,经过3个冬季的冻融作用,无冻胀、起鼓等冻融破坏现象;经雨季考验,雨天及雨后车辆可顺利通行路面,无泥泞打滑现象,路面表层下的固化土整体性较好,路面性能远远超过传统的泥结石路面。5结语(1)土壤固化剂可有效改善土体结构,缩短土体颗粒之间的距离,增加土壤密实度,提高土壤的水稳性能和承载性能。(2)水化类土壤固化剂改善土体的水稳性优于本文中涉及到的液体土壤固化剂,表明液体土壤固化剂不适宜直接用