土壤固化剂的特性

土壤固化剂的特性

0土壤固化剂的相关特性人类社会的发展也是简化和更新材料的历史。公元前4世纪之前,为了改善生产和生活条件,应对复杂的自然环境,我们的祖先就学会利用草筋和姜石作为天然胶凝材料来改善土壤的工作性能。公元前7世纪,《左传》中记载的“蜃灰”就是最初的石灰,其独特的防潮性能取代了天然胶凝材料草筋和姜石。1824年,英国人亚斯普丁发明了波特兰水泥,该水泥以其优良的性能受到以美国为代表的发达国家和以印度为代表的发展中国家的重视。由于石灰土、水泥土便于就地取材,造价低、施工方便,在强度和耐久性方面具有一定的优势,因此,在道路工程、水利工程和农业工程中得到了普遍应用。但在工程实践中,人们逐渐认识到用石灰加固土往往早期强度低,而且强度发展缓慢;用水泥加固土往往收缩较大,开裂风险较高,并且其工程性能随土质不同而差异很大,对含水量较高、富含有机质的淤泥质土等土质固化效果更差。因此,探讨土壤固化剂的固化机理、分析土壤固化剂的固化性能、开发经济环保型的土壤固化新材料,是世界各国工程技术人员努力追求的目标和研究的新课题。本文阐述了土壤固化剂的相关特性,即概念、分类、固化机理和固化性能;总结了其在国内外的研究现状,并对其在软土地基处理、公路工程和水利工程方面的应用进行了重点阐述,最后对其应用研究方面存在的问题提出几点发展建议。1土壤硬化剂的特性1.1土壤颗粒作用机理土壤固化剂是由多种无机和有机材料合成的一种新型环保节能工程材料。它与土壤颗粒混合后,在外部压力作用下,土壤颗粒间距缩小,并将发生一系列的物理和化学反应来达到改善接触面特征、填充颗粒间空隙和产生新物质凝聚土壤颗粒的作用。与传统的固化材料相比,其具有固结速度快、前期和后期强度高、施工方便、造价低等优点,故美国《工程新闻》将其称为20世纪的伟大发明,日本将其称为21世纪的新材料。1.2液体状液体质或生物酶系土壤固化剂土壤固化剂的分类如图1所示。无机化合物类土壤固化剂多为粉末状,一般以无机材料为主剂(主要有水泥、石灰、粉煤灰、各类矿渣、煤矸石等),添加少量激发剂制备而成,具有代表性的产品就是QJ固化剂和SC固化剂。此类固化剂的优点是成本低、强度稳定性好、缺点是用量比较大、运输成本高、早期强度不高。有机化合物类土壤固化剂多为液体状,目前主要由改性水玻璃类、环氧树脂类、高分子材料类和离子类等中的一种或多种组合配制而成。在有机类土壤固化剂中,具有代表性的产品是ISS固化剂。此类固化剂的优点是用量少,易于运输,施工方便,早期和后期强度都易于控制,对土的适应性强;缺点是使用寿命期短,抗水性能差,受环境的影响比较大。生物酶类土壤固化剂为液体状,是由有机质发酵而成的多酶基产品,主要有Conaid-super、EnzymeX-22、Terra-zyme、Perma-zyme、Roadbond和Endura-zyme等产品。在生物酶类土壤固化剂中,具有代表性的产品是Perma-zyme(派酶)。此类固化剂的优点是无毒,可增加土壤密度,降低土壤膨胀系数;缺点是其固化土的设计寿命较短,浸水后强度会降低。复合类土壤固化剂两种形态都有,一般是由无机类的主固化剂和少量激发剂组成,无机类的主固化剂可采用无机化合类土壤固化剂的主剂,激发剂可以采用无机盐类的无机激发剂,也可以采用聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等高聚物激发剂,具有代表性产品是Aught-set高性能土壤固化剂。1.3土壤水化作用机理土壤固化剂的固化机理一般通过X射线衍射、SEM电镜进行微观结构分析,其实质就是通过物理和化学过程产生新的物质起到骨架和填充孔隙的作用,改变界面接触的方式,以达到使结构密实、性能改善的效果。具体而言,对于不同类型的固化剂,要有所侧重,以下分别阐述。对于无机化合物类土壤固化剂,其本身所含的无机材料在水作用下会产生凝胶物质,这些凝胶物质一部分自身硬化形成骨架,一部分与土颗粒作用生成络合物,最终形成空间稳定的网状结构,增加了固化土的稳定性。同时该类型固化剂的组分在与水作用后产生的钙、镁或者铝离子与土胶粒吸附层中的钠或钾离子会进行离子交换,减薄了土胶粒双电层的厚度,从而使土颗粒产生凝聚现象。另外,对于某些固化材料,与土混合后在大气环境中和水的参与下,会产生更加难溶的物质碳酸钙或者形成含结晶水的晶体物质钙矾石,这些晶体物质填充了土胶粒之间的孔隙,起着“显微加筋”的作用,增强了固化土的强度。对于有机化合物类土壤固化剂,其组分中的一些活性物质溶于水后能显著降低水的表面张力,置换出土壤中固有的阳离子,促使扩散层厚度减薄,电势下降,降低了土颗粒之间的相互排斥能,形成更为密实的压实体。同时,有机物的分子量很高,而且相邻键节上带有正电荷,高分子链就会与土颗粒之间产生吸引力作用,最终使得高分子链与土颗粒之间互相缠结,形成一个不可逆的整体结构,这是固化剂加固土获得稳定强度的主要原因。刚开始形成的高分子链是溶于水的,当与土颗粒相互吸引作用后变成封闭的整体,孔隙水很难进入,降低了水对土体的侵害程度,这是固化剂加固土获得水稳定性和动稳定性的主要原因。对于生物酶类土壤固化剂,在酶的催化作用和外界压力的帮助下,黏土颗粒表面会形成凝结硬化壳,同时,渗入内部的固化酶中的某种成分可替换土体中凝聚能力低的离子,能打破粘土矿物的双电层结构,将其中的水分排出,促使土颗粒集聚,进一步团粒化而胶结;同时固化剂能够吸附于粘土矿物的内层和外部区域以阻止对水分的吸附。固化酶溶液在本身与水发生反应的过程中,自身的比表面积增大几百倍,能固化粘土等小颗粒土。以上因素共同作用,使固化后的土体的强度和稳定性均有所提高。对于复合类土壤固化剂,其主固化剂的固化机理与无机化合物类基本相同,即其组分与土混合后,发生水解水化反应,形成凝胶状的水化产物,自身形成空间稳定的结构,另外其组分也与土中的阳离子发生离子交换反应,使胶体吸附层减薄,土胶粒的电位降低,土颗粒之间产生凝聚作用,共同构成一个致密的整体结构;助固化剂主要是激发土壤颗粒的活性,或者能够降低土壤中的含水量,与土壤细颗粒接触,使其成为牢固的多结晶聚集体,以达到改善土体强度和稳定性的效果。1.4能试验无专门的试验规章土壤固化剂的固化性能包括力学性能、变形性能和耐久性能3个方面,不同的环境和工程,可能对这3方面性能的侧重点会有所不同。土壤固化剂的性能试验无专门的试验规程,在平时的应用实践中一般参考《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)、《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)、《土壤固化剂应用技术导则》(RISN-TG003-2007)、《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)、《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)和《水泥土配合比设计规程》(JTG/T233-2011)。(1)路用固化剂材料的抗剪性能一般通过无侧限抗压强度测定其抗压性能;通过劈裂强度试验测定其抗拉性能;通过抗压回弹模量试验测定其抗弯能力;通过直接剪切试验或者三轴压缩试验测定其抗剪性能。前3个试验是路用固化剂材料必须进行的3个最基本的试验。通过试验后发现影响固化土力学性能的因素是多方面的,一般情况下,当土质一定时,固化剂掺量增加,则固化土的抗压强度增大;当固化剂掺量一定时,养护时间越长,则其抗压强度越大;当养护时间一定,则固化土的含水量略高于最优含水量时,其强度一般达到最大。(2)固化剂对盐渍土缩限的影响一般通过收缩试验测定其变形性能,通过线收缩率和体收缩率反映其收缩的程度。已有研究表明,对于盐渍土,随着固化剂掺量的增加,缩限(指含水量达液限的土在105~110℃水分继续蒸发至体积不变时的含水量)先增大后减小,而线缩率和体缩率反之,土颗粒间的孔隙小且致密,不易收缩。(3)提高渠道防渗材料的水稳定性一般通过稳定性试验测定其温度稳定性和水稳定性。温度稳定性是路面基层材料的重要控制指标,通过测试其温度升高或降低后的强度变化和能够抵抗的冻融循环次数来综合评定其抗冻等级;水稳定性是渠道防渗材料的重要控制指标,通过测试浸水前后强度变化和质量损失情况来判断其水稳定性。作为路基材料或者防渗材料,其抗渗性能也不容忽视,一般通过做抗渗试验,计算固化土的渗透系数来进行评定;对于季节性输水渠道,还需进行耐干湿循环试验;对于一些特殊的河道,还需进行抗冲刷试验;对于经常处在侵蚀环境中的土体,还需进行各种耐酸耐碱等相关抗侵蚀性试验。土体的密实程度和外加剂组分的组成成为影响耐久性的两个重要因素。一般情况下,在土体中加入固化剂之后,都较素土在强度和耐久性方面有所改善。2土壤硬化剂的研究2.1膨胀土固结剂处理土壤固化剂作为一门学科于20世纪50年代开始兴起,70年代以来,以美国和日本为代表的一些国家开始基于工程建设和环境保护的角度对土壤固化剂进行研究,固化材料逐渐从固态变成液态,从单一走向综合开发;固化土类型也从普通黏土逐渐开始扩充到膨胀土、红泥土等其他特殊土体;研究手段也在不断更新,从电化学的角度过渡到逐渐形成的土壤加固学。Kweishr研究了用水泥、粉煤灰和一种产自日本的化学物质加固土体。Bobrowski等研究出一种离子类固化剂来加固软基土。ZaliheN介绍了用C级粉煤灰处理塞浦路斯广泛分布的膨胀土,效果显著,并探讨了其离子交换的作用原理。NalbantogluZ等利用橄榄树经过提取橄榄油或深加工之后的物质,经燃烧后,将其灰烬作为一种土壤固化剂来改善膨胀土的失水收缩和遇水膨胀的特性,试验结果表明:3%的这种橄榄树灰烬就可以降低膨胀土的塑性性能和体积变化性能,增加膨胀土的无侧限抗压强度;另外发现当固化剂超过上述掺量时,会增加膨胀土的压缩特性和降低其无侧限抗压强度。KhandakerM以谷物颗粒的外壳(RHA)和水泥窑的粉尘(CKD)的混合物作为固化剂来加固黏土,通过一系列的试验发现,被固化后黏土的力学性能(拉压强度、弹性模量、加州承载比CBR)和耐久性能(耐水和收缩)均有所改善。FeiglV等采用匈牙利广泛分布的红泥土,用来固化受到重金属镉和锌污染的废弃矿山和耕地,2年的试验结果表明,5%的红泥土会大大降低重金属的流动,而且不会对固化土上植物和土中的微生物构成影响。R.G.Kochetkova针对俄罗斯广泛分布的黏土,当将其作为路基材料时,发现其强度和变形不能够满足要求,用3种现代固化剂SAA、Roadbond和Status进行处理,比较了用固化剂处理之后黏土的特性和参数变化,并探讨了其作用机理。在许多国家,土壤固化剂已作为一种品牌商品在专门的企业生产,如美国贝塞尔公司生产的贝塞尔液态高聚物土壤固化剂(BS-100浓缩型和TS-100加强型)、美国国际生物酶公司生产的生物酶类土壤固化剂(Perma-zyme和Terra-zyme)、美国新技术开发公司生产的路邦EN-1型高分子类土壤固化剂、日本UKC公司生产的Aught-set系列土壤固化剂、澳大利亚开发的奇极土体固化剂CCSS、南非生产的ISS电离子土体强化剂等。2.2其它应用性能20世纪80年代,国内有关单位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,先后有多家科研院所和大专院校对土壤固化剂进行了研究,并取得了一系列研究成果。梁文泉等采用特殊的二氧化硅、活性铝、铁等组成的无机材料研制出一种较普通硅酸盐水泥轻的水硬性胶凝材料———GA新型土壤固化剂。该固化剂可以代替水泥拌制砂浆和混凝土,也可以固化粉砂、粘土和淤泥,改善其强度和耐久性。侯浩波等曾报道由武汉大学科技人员研制的HAS土壤固化剂,其以工业废料为主原料,配以适量的活化剂混合粉磨制成,该固化剂适用于处理黏性土、淤泥土、砂性土、废弃土、灰渣土等。黄新等将工业废石膏与水泥进行混合,形成一种新的CG固化剂,该固化剂用来加固泥炭、淤泥可以取得单纯用水泥加固达不到的效果,加固一般软黏土可以使加固土强度比水泥加固有大幅度提高,并可节省水泥25%左右,而且研究发现固化土中的CaO和OH-的浓度直接影响其固化效果。尚路等以广西桂中、桂西南等地的膨胀土为工程背景,研制出CHF土壤固化剂,它是一种黏稠液体,经水稀释与黏土混合压实后,通过离子交换原理改变黏土颗粒双电层结构,能永久地将土壤的亲水性变为憎水性,同时使土易于压实,形成强度较高、结构稳定的整体板块,土壤的自由膨胀率可以降低40%左右,从而可以应用于路面基层的改造和路床处理。我国科技工作者研制的土壤固化剂品种很多,其中部分产品已经在工程建设中得到了应用。目前研制开发或已投入使用的有NCS系列、DLL、EN-1、HS系列、硫酸盐系列、Aught-Set系列(B1型、C1型、D1型)等。但是,国内在有机类固化剂的研发方面与国外还有很大差距,仍需继续努力。3基坑处理、水利工程随着对土壤固化剂研究的不断深入,目前土壤固化剂被主要用于软土地基处理、公路工程和水利工程中。另外其在铁路工程、港口和机场工程、农业工程、环境保护、战场工程、石油工程、工业与民用建筑工程中也进行了尝试使用,均取得了明显的经济、社会和环保效益。3.1应用固化剂处理软土地基处理的关键问题就是解决土颗粒的吸附水问题,传统的石灰、水泥固化材料只能解决蒙脱石含量低和水含量低的情况,当水含量大或者蒙脱石含量高时,就会出现固液分离,甚至无法固化,于是土壤固化剂就体现出其优势。陈永烽曾报道他们配制出一种R-H+软土强效固化剂,对于软土地基处理能取得很好的固化效果;李二虎利用淤泥固化技术处理软土地基,实现了使淤泥变废为宝的资源化利用;刘俊等基于“发展绿色建材”的理念和“可持续发展”的发展方针,采取HSC301固化剂处理天津滨海软土地基;黄新采用废石膏和水泥配制的CG固化剂,用于泥炭、泥炭化土、淤泥和淤泥质土等软弱地基的处理,均取得了满意的技术经济效果。3.2土壤固化剂的应用许多研究均表明,土壤固化剂较传统的石灰、水泥、粉煤灰固化土在强度、耐久性和变形性能方面都有所改善,特别在缺乏石料的地区,采用土壤固化剂固化土作为道路的基层和底基层更能体现出其优越性。石丽萍的研究指出Aught-set土壤固化剂是一种用于改良土壤的高性能固化剂,其固化土路基施工方法比传统路基施工方法节省开支20%~30%,其先后被应用于国内塔克拉玛干沙漠公路和宁夏青铜峡大坝镇南翻浆路段基层处理等工程中;戴文亭等利用美国生产的Base-seal固化剂(BS-100型),对长春地区典型黏性土进行了固化处理,同时对其加固土的路用性能进行了系统的试验,研究发现,该固化剂适合在长春地区及与其气候、土质相似地区的道路工程中应用。董峰亮等将RoadGood土壤固化剂在北京长辛店工业区道路施工中应用后指出,其在提高道路基层的强度和稳定性方面效果显著。3.3固结土和沙性土渠道防渗和边坡稳定是水利工程必须解决的两大难题,而土壤固化剂在解决砂渠防渗、防止滑坡、固化淤泥和壤土渠道防冲刷方面的问题时收到了积极的效果,可采用的施工方法有软性堆砌凝固成型和平铺碾压。魏伟等针对北方气候的特点,采用天津某品牌固化剂在宁夏地区进行了固结土和沙的试验,发现其固化沙石的效果较黏土、沙性土的效果显著。这对于干旱多风沙的宁夏地区来说,具有深远的意义。它为推进土壤固化剂在渠道衬砌、堤防加固、防渗帷幕、水窖建设、集水场建设、人畜饮水等水利工程建设中进一步运用提供了理论依据。4土壤硬化剂的问题和研究方向4.1多种固化剂的组合使用(1)土壤固化剂种类繁多,有关这方面的文献很多,但存在应用方面文献较多,而研制方面文献较少;