土质固化剂的目前现状及前景
沈飞 曹净 曹慧 20xx-04-09
(昆明理工大学建筑工程学院云南)
摘要：阐述了土壤固化剂的发展现状及分类,从土体的组成、结构角度,概括分析固化剂的固化机理,总结了现阶段土壤固化剂研究和应用领域中存在的若干问题,以及影响固化剂性能发挥和使用的 因素,并对土壤固化剂的发展提出几点建议。
关键词：土壤固化剂;固化机理
土壤固化技术发展至今,已经成为了一门综合性的交叉学科。它被广泛的应用于国家现代化建设 的各个领域,应用手段越来越多,涉及到了多种理 论,它的处理对象也不断得到扩充,处理的目的也不 仅仅是单一的加固,还包括增加渗透性、提高抗冻能力、防止污染物质泄漏等诸多方面[1]。在这里仅以化学加固为重点,对土壤固化剂的现状做一个阐述土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土体中土壤颗粒表面或能够与粘土矿物反应生成胶凝物质的土壤硬化剂[1]。土壤固化剂实际上是利用外掺剂 对土体进行化学处理,来改变土壤的组成和土体的 工程性质,从而提高土体强度,改善土质压实性。在长期的工程实践活动中,人们逐渐认识到,石 灰土、水泥土的早期强度低、干缩大、易开裂,并且其性能受土质影响较大,对塑性指数高的粘土、有机土 和盐渍土固化效果较差,甚至有时无固化作用。本文从国内外土壤固化剂研究的现状着手,概括分析 土壤固化剂的固化机理,总结土壤固化剂研究和应用领域中存在的若干问题,并对土壤固化剂的发展提出建议。
1 土壤固化剂的研究现状
土壤固化剂加固土体的研究已有几十年的历史,取得了许多土壤固化的实践经验和理论成果 其研究方向大致有两个:一是固化土性质和本构模型的研究;二是加固各种类型土壤的固化剂的配比。
1.1 国外研究现状
以美、日等国家为代表,起步较早,对土壤固化 技术进行了深层次研发,进行了对加固土壤的材料 成分的改进,由原来单一的使用水泥、石灰、粉煤灰升级到多种材料配比混合,形成了改善和提高土壤 工程技术性能的复合材料———土壤固化剂;同时针 对不同的土质条件研制了不同的土壤固化剂,研究 的对象和思路进一步拓宽,不仅包括水泥和石灰的各种添加剂、废弃物的再利用研究,而且对菌类加固剂、昆虫加固技术也进行了较深入的研究现在土壤固化剂已大量应用于各种工程建设中,效益非常明显。主要产品有美国的Soil- rock,EN-1,top-seal等土壤固化剂;澳大利亚开发 的Roadbond(r),Roadpacker(r);日本生产的Aught- set系列土壤固化剂;南非生产的ISS土壤固化剂, CON一AID土壤固化剂。
Medina等针对红土的成分,利用磷酸加固红土;Tomohisa等提出用混凝土粉末、纸浆渣、粉煤灰 和火山灰土加固处理那些含水量高和有机质含量高 的土壤;Zalihe等用粉煤灰和石灰来加固含有石灰 质的膨胀性粘土。
Munjed等用一种沉积物燃烧后的物质作为一种土壤固化剂;Robert研究了一种高浓缩的液体土壤固化剂(CIS);Saboundjian对一种有机土壤固化 剂(EMC2)在路基加固中的应用做了报道;Thecann 研究了腐生物分解木质索中的担子菌类,认为其在 土壤固化过程有着重要的作用;Nene等研究了自然 界白蚁用粘土固化筑巢的技术,提出了岩土昆虫学的概念。
虽然国际上土壤固化剂的发展较快,但却有各自的缺点,仍然需要不断完善。比如奥特塞特 (ADGHTSET)固化剂对土体固化后具有一定的强度和水稳定性,但提高的程度不大;ISS土壤固化剂 对土体加固后强度、水稳性良好,其缺点是对于固化膨胀土时必须使用石灰,否则其产生的强度很低。
1.2 国内研究现状
我国从八十年代开始引进国外土壤固化剂技术,在吸收国外经验的基础上,针对我国土壤的性 质,开始了土壤固化剂的研究工作。迄今为止,先后 有多家科研单位对土壤固化剂进行了研究,并先后 取得了一些研究成果,并应用到了工程建设中。方祥位等对GT型土壤固化剂改良土的工程特性进 行了研究,GT型土壤固化剂是以高钙灰和脱硫石膏两种工业废料为主要原料,辅以生石灰、水泥、熟石膏、硫酸铝及明矾石等次要成分,采用生石灰消解法 除去脱硫石膏中的自由水,按全粉料配料的方法配 制而成。按一定掺量向土中掺入石灰和GT型土壤 固化剂制成石灰改良土样和固化剂改良土样并进行养护、浸水,对土样进行击实试验、直剪试验、压缩试 验和渗透试验。对比试验结果表明GT型土壤固化 剂改良土的击实效果、抗剪强度、压缩性、抗渗透性 等工程特性明显优于石灰改良土。侯浩波等[5]对 HAS土壤固化剂固化土料的特性进行了研究,通过 室内试验和对工程应用的分析探讨,说明了HAS土 壤固化剂的适用性。徐渊博等研制出的PAM- CATS土壤固化剂具备良好的固结强度,水稳定性, 具备良好的推广价值。使用这种固化剂后,发现土 的无侧限抗压强度CBR值大幅增加。在汤河水 库库区道路中使用ASC土壤固化剂替代水泥体现出了其巨大的优越性,取得了良好的经济、环保效 益国内在有机类固化剂的研发方面与国外差距较大,但也有发展。刘瑾等选取丙烯酸等乙烯基单 体为主体经高分子聚合反应合成了一种新型土壤固化剂。固化土的力学性能显示出该土壤固化剂有很 好的固化效果。通过傅立叶变换红外光谱(FTIR) 等分析测试手段对合成土壤固化剂的固化结构、固化性能及固化机理进行了初步探索,但产品的性能 尚不稳定。 此外,许多无机和有机材料结合的土壤固化剂也不断出现。但总的来说,我国研究固化剂和固化技术尚处于起步阶段。
2 土壤固化剂的分类
土壤固化剂作为一种新型的建筑材料,其不同 的物理和化学组成成分决定了不同的类别、特点和 固化方法。固化材料从形态上看,可分为固态和液 态两大类。从化学构成上看,可分为主固化剂和助 固化剂两大部分。按照材料的物质组成特点可分为无机类、离子类、有机聚合类三大类。
2.1 无机类固化剂
一般为粉末状,多采用工业废料作为主固剂,添加各种激发剂配制而成。主固剂包括粉煤灰、各类 矿渣、煤矸石或水泥、沸石、石灰等,激发剂主要包括 各种硫酸盐类、各种酸类和其他无机盐,也包含少量 的表面活性剂等其他有机材料。添加无机类土壤固 化剂的固化土性能比较稳定,在正常条件下,其性能 可保持30~xx年基本不变。由于添加了一些工 业废料和较易取得的建筑材料,而且施工简便,因而 不仅可以降低工程造价,而且还具有环保和节能意 义,更由于其历史遗传,被广泛使用于工程建设中。 此类固化剂发展至今主要包括水玻璃类(水玻 璃 铝酸钠或氯化钙或氢氧化钠)、水泥类(高铝水 泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,钢渣水泥 等)、石灰类(生、熟石灰,电石渣,贝壳类,漂白粉 渣)、硫酸盐类(石膏,硫酸铁,硫酸铝)、氯化物类 (氯化钙,氯化钠,氯化镁)、磷酸盐类、苛性碱类。
2.2 离子类固化剂
离子固化剂是一种由多个强离子组合而成的化 学物质。离子类土壤固化剂一般是液状水溶性液 体,是由若干强离子试剂制成的混合液溶液的pH 值为1.25,呈酸性。此类固化剂对土壤有较强的选 择性和针对性,不适用于pH值大于7.5的碱性土 壤。目前,国内主要应用的离子固化剂主要有: 美国的EN-1;澳大利亚的Roadband;加拿大的 Roadpacker;南非ISS2500等品种,国产相关产品还 相对较少引领业界，重RESIN点推荐
2.3 有机聚合类固化剂
此类稳定剂一般呈液态,目前国际市场应用比 较广泛和知名的产品多由石油磺化而得,其主要成 分为磺化油,如南非约翰尼斯堡公司生产的康耐 (CON-AID)和美国Soilrock公司的S
型稳定剂等 是国际市场上比较常见的品种。有机聚合物固化剂 的作用机理通常被认为是物理的而非化学的,它并 不改变粘土矿物的内层结构,而是通过裹覆土颗粒, 在其表面产生强大的吸附作用,伸得土壤颗粒集聚 固化。
这种固化剂主要有沥青、焦油、聚合物(树脂, 糖醛苯胺,丙稀酸钙,聚丙稀苯胺,羧甲基纤维素 等)。
沥青加固土有热拌与冷拌之分,热拌法由于常 常需要加热土壤或(和)沥青而受到限制。冷拌法则是用液体沥青加固未加热的土壤。对于粗粒土, 如碎石、砂砾,沥青主要发挥其界面粘聚作用。对于粘土,由于粘土颗粒具有强大的表面能,沥青与土颗 粒之间发生物理吸附和化学吸附,在土颗粒周围形 成坚强的沥青薄膜,从而形成稳定的凝聚结构。同 时裹覆在土颗粒上的沥青因有憎水性,能够阻止水分侵入,提高加固土体的水稳性。研究表明,土壤的 含水量对加固土的强度和水稳性有着重要的影响。 适宜的水分,不仅可以削弱那些未被沥青膜裹覆的 土颗粒的表面能,从而减小它们进一步吸收水分的能力,而且是沥青充分分散到土壤中并获得良好压 实性的必要条件为改善和提高沥青加固粘性土壤的效果,常常 预先用石灰作为活化剂进行处理,目的是活化土颗 粒的表面,降低土的亲水性,提高土的吸附能力等。 液体沥青加固砂土类土壤效果不理想,而较适宜加 固粘性土;乳化沥青则更适宜砂土的加固,用于粘土 时,会因粘土颗粒巨大的表面能作用使得乳化沥青 在某种程度上失水而变得粘稠,从而难以均匀地分 散在土壤中。对传统的高聚物而言,它可以改良土壤其中包 括水土保持、土壤保湿、疏松土质等,在此基础上,研 究发现利用聚合物交联形成立体结构包裹和胶结土 粒,或者利用表面活性剂改变土粒表面亲水性质,形 成有效的抗水能力。在土壤压实的基础上,可以得 到较好的抗压强度。从而发展成为一类新的土壤固 化剂。它有如下优点:固化剂的掺入量较少,运输方 便,成本可以有较大幅度的降低;一般采用水溶液的 形态与土壤混合,施工方便;加入催化聚合成分或者 直接利用土壤成分来实现交联,土壤早期强度和后 期稳定强度均可以满足要求;适用的土壤类型比较 丰富,所以适应性也比较好。缺点是这类固化剂普 遍的抗水性能比较差,遇水强度急剧降低,一些成型 的产品同样存在这类问题。并且土壤的强度建立在 聚合物本身的胶结能力上.土壤的结构成分复杂,对 聚合物本身的稳定性也是一种考验,有待进一步发 展和实践检验。这样的一种分类只是大体上给出一个框架,在 实际工程中,经常是多种类型的固化剂混合使用,互 相弥补不足。此外在采用化学固化剂的过程中也常 辅助以物理手段,例如国外曾采用施加电场的方式 来排除土壤水分,引导离子电泳在土壤中形成固化 盐类。此外,有很多种类土工织物也常用来增加土 块的稳定性;还有公司开发出生物酶技术来加固土壤。
3 土壤固化剂的加固机理
天然的土体是由固、液、气三相组成。土的固体 颗粒大小和形状、矿物成分及其组成三相体系在空 间的排列与联结特性,是决定土的物理力学性质的重要因素。在研究土体的增强改性时,必须研究土中矿物的基本颗粒与其微集聚体之间相互作用的性质与本质,即土在自然沉积或人工固化过程中,经过 一系列物理、化学和物理化学综合作用,以促使在颗 粒接触带从结构上产生不同性质和能量的相互连结作用。通过对土体的组成、结构分析,结合多种土壤固化剂的实验、应用的结果来看,可以总结出土壤固化过程中的基本机理。
3.1 水的处理
从土壤固化过程来看,土壤中水分的存在对土壤固化具有很大的负面影响。土壤中的粘粒由于其颗粒极为细小,表面能很大,在粘粒与水溶液界面上易发生吸附、离解或离子交换作用而带电,具有吸引 极性水分子和水化离子的能力,即具有胶体性质和 强的亲水性。粘土矿物颗粒与水相互作用时,根据 作用力的大小可分为强结合水、弱结合水、毛细管水 和自由水,土中结合水量是控制形成粘性土的稠度、塑性、膨胀、收缩等水理性质及强度、变形等力学性 质的重要因素之一。
由于水的存在,通过一系列的溶解、电离作用使 土粒周围的阳离子形成双电层结构,使得土壤变成 溶胶体。这样的胶体具有一定的稳定性,但相互间 的作用力较弱,所以土壤的强度比较差。所以为了 固化土壤,必须将土壤中的水除去,阻止这一系列的 溶解、电离作用发生。处理水的方式有两种:第一种 是将游离水转化为结晶水。生成的结晶水合物具有 胶凝的性质,可以堵塞土块中的各种毛细管道.避免 渗入水分再一次破坏固化土的结构。第二种处理水 的方式是破坏土粒表面的亲水性质,削弱土粒与水之间的作用力,利用施压和引流等措施除去土壤中的水分。
3.2 土壤颗粒的胶结
研究表明,土体的力学性质并不取决于粘土中 矿物晶体的强度,而是取决于土粒之间的结构连结 力。结构连结是在一系列物理、物理化学和化学作 用下形成的,这些作用促使在颗粒接触带上产生不 同性质和能量的相互作用,在土体中作用在颗粒之间的粘结力本质上是一种表面力。从这一角度出发,土的固化和稳定的基本原理就是强化颗粒间结 构连结,改善颗粒接触。
现有的固化剂在土粒的胶结上一般也是两种方式。第一种是利用自身形成粘结土粒的结构,不管是凝胶或者是高聚物链,将土粒包裹镶嵌在已经形成的结构中。这种方式土粒和粘结物之间的作用是物理固定和静电作用。第二种胶结土粒的方式就 是激发土粒本身的活性,利用土粒与土粒之间的反应使得土壤成为整体,这也是土壤固化剂最终的目标。就目前所知,在一定条件下,土壤颗粒自己会聚合。在形成离子晶体时,遵循Pauling法则。
4 土壤固化剂在工程建设中的应用
土壤固化剂在加固土体的作用上体现在很多方面:
(1)加固软土:陈永烽研究了新型材料R— H软土强效固化剂的固化原理以及工程应用范 围。
(2)改善膨胀土:朱焕新对土壤固化剂改善膨胀土的性能进行研究,为整治路基病害提供技术支持。
(3)改善冻胀土:主要用于气候严寒的地区,黄志军等根据青藏地区路基的处理,对冻融条件下 奇极土壤固化剂处理土体的性能进行了研究。
(4)用做垃圾填埋场的防渗层填料及堤防防渗材料:庄中霞等将Renolit固化剂用于广东省西 江流域的一段堤防,提高堤基土层的强度,减小变形。
(5)滑坡土体改造:周凯在对某路段上滑坡分析后,发现采用DYJ型液态固化剂通过离子反应 和化学反应对滑坡土体进行处理时体现出了较多的 优越性。
5 存在的问题
国内土壤固化剂研发、应用起步比较晚,很多土壤固化剂技术,引进于美、日等发达国家,虽然自主 开发了适合我国国情的土壤固化剂,并取得了一些重要的成果,但是,在土壤固化剂的研究应用领域仍 然存在着若干亟待解决的问题。
(1)土壤固化剂的研制应同时考虑针对性和兼容性。由于自然界的土质复杂多变,土壤组成、结构、矿物成分和化学成分往往因成土条件的不同而不同,导致土壤固化剂的固化性能有很大差异,造成固化剂的使用效果不很理想,因此各个地区应结合当地的实际情况推出具有针对性的固化剂。但是, 由于自然界中各种土壤分布的不均匀性,造成施工过程中土质的不确定性。因此,在研制土壤固化剂时,应当兼顾土壤固化剂的针对性和兼容性,从而使土壤固化剂具有较大的应用范围和较好的效果。
(2)固化剂的基础理论不完善。土壤固化学是一门边缘学科,其涉及到土壤化学、岩土力学、有机 高分子化学、材料工程、环境工程、道路工程等众多学科的知识。因此,土壤固化剂的基础理论研究非 常复杂。而土壤固化剂的基础理论,对于生产、施工等具有不可替代的理论
指导作用,所以应当加强交 叉学科的合作研究,深入研究土壤固化剂的基础理论。
(3)急需建立一套统一的、专门的试验规程对土壤固化剂性能进行评价。由于土壤固化剂的应用领域不同,不同工程要求的固化性能指标也就有所不同。
(4)土壤固化剂可以适用的领域较多,但是由于各个领域的要求不同,使得施工工艺也不同,使用的设备也有差异。应不断进行土壤固化剂施工工艺的研究,并研制各行业专用的施工机械和设备,简化 施工过程。
(5)土壤固化剂作为一种新型的材料,属于化学加固材料范畴,在其产品的主要成分中难免会存在或多或少的对周围环境有不良作用的组分,有的甚至还会掺入有毒的化学剂。因此,选用固化材料时必须考虑到其是否对环境产生有害影响,而且有 必要时还需进行严格的环境监控。
作为一种新型的建筑材料,并且由于理论基础的不成熟,固化剂在其应用过程中将不可避免的存在这样或那样的问题,现就影响土壤固化剂性能和使用的各种限制因素总结如下: