土壤固化剂在村村通公路中的应用研究.docx
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土壤固化剂在村村通公路中的应用研究
材料学院豪期社会实践
土壤固化剂”在村村通”公路中的应用研究
--以咸阳市马庄镇天阁村段为例
刘状壮马守龙陈拴发
(长安大学材料学院陕西西安710018)
摘要:
土壤固化剂作为一种新型筑路材料,近年来越来越引起人们的关注。
随着我国新农村建设当中的同村通路基础工程的日渐开展,资金问题成为制约乡村通路发展的最大瓶颈。
研究土壤固化剂技术在通村公路中的使用,一方面降低了农村公路修筑资金问题,另一方面提高了土壤固化效果和公路建设质量问题。
本文简要介绍了国内外土壤固化剂技术的发展情况,并在咸阳市对土壤固化剂的使用情况进行了调研。
在咸阳试验段对TG系列固化剂的应用情况进行了考察,并从工程质量效应、经济效应、环境效应三个角度对土壤固化剂的作用进行了分析。
关键词:
土壤固化剂村村通公路效应分析
1研究背景
我国提出建设社会主义新农村”这一伟大任务之后,新农村”建设的基础工程---村村通”公路建设是目前面临的首要任务。
然而,目前我国通村公路建设还相当
落后,特别是西部山区地区,依然有不少村庄面临出行难”的问题。
据不完全统计,我国依然有接近4万个建制村不通公路,近1万个乡镇、30多万个建制村通村公路没有表面铺装材料。
制约农村公路发展的瓶颈除了资金还包括路基强度不足等问题。
而土壤固化剂技术,则可以从技术角度,既解决了路基强度不足问题,又缓解了村村通”公路建
设所带来的资金压力。
据研究,使用土壤固化剂可以节省15%~20%的建设成
本。
十一五”期间,我国将新、改建120万公里农村公路。
假如所有村村通”公路均采用土壤固化剂技术,所节约的资金将大为可观。
2土壤固化技术
土壤稳定技术可以追溯到古希腊时期,当时人们使用石灰来改良筑路用土。
到20
世纪30年代,土壤固化技术逐步被人们接受,并在40年代形成一门学科,应用领域设计基础建筑、公路建设、堤坝工事、井下作业、垃圾填埋、防尘固沙等众多领域。
然而,一些经济发达国家由于新建道路、机场、港口等工程需要,人们逐步意识到传统的石灰、水泥等固化材料的不足之处。
2.1土壤固化剂研究现状
国外对于土壤固化技术的研究和应用起步较早。
1925年美国福罗里达州在修筑
Oak街时,将贝壳、砂、水泥混合,首次应用水泥来固化稳定土的范例。
目前国外已经研发了众多品种的土壤固化剂,较为常见的有:
日本的Aught-set为粉体,包括六种主要成份;南非的Con-aid土壤固化剂主要成分为磺化油的液体;美国的种类最多,有ISS土壤固化剂、帕尔玛土壤固化酶和ROADGOOD土壤固化剂,均为液态。
我国土壤固化技术起步较晚,目前任然处于国外六七十年代的水平,加固土壤的产品仍旧沿用单一的石灰、水泥、粉煤灰等。
上世纪90年代,国家一七五”项目
牵头,开始引进国外的土壤固化剂及其技术。
目前国内的学者研究主要集中在以下四个方向:
(1)、固化技术外掺剂的研究。
此类研究以传统的固化稳定材料一石灰、水泥
为基体,向其中掺加外掺剂,以期改善传统固化稳定材料的固化稳定效果。
张明对在水泥土中掺入粉煤灰配方以及其固结原理进行了研究,认为搀和了粉煤灰的固化土强度增大,尤其是后期强
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度明显增强,黄殿瑛则在水泥土中掺加了硅粉,认为硅粉的火山灰效应与微骨料效应使水泥水化、硬化更为有利,提高固化土的强度。
(2)、固化剂产品的研究和开发。
部分学者则基于石灰、水泥、粉煤灰等传统固化稳定材料,着眼于研制新的固化剂种类。
如周乃武[1]利用工业固体废弃物制备出粉煤灰基、高炉矿渣基和高铝水泥基三种土壤固化剂,其产品应用效果均超过国家一级公路对基层抗压强度的要求。
(3)、土壤加固原理的研究和产品开发。
如彭波等依据土的双电离层理论研制了高分子表面活性剂液体固化剂等。
(4)、土壤固化剂应用领域研究。
国内目前已经将固化剂技术从道路工程推广到渠道防渗、地基处理等众多领域中去。
主要有:
北京昆玉河治理、天津大港公路路堤填筑、广州市城市快速干线工程、四川成雅公路路基填筑等。
其中,东部沿海地区的研究和应用较为广泛,西部地区目前尚未发现相关应用范例。
虽然国内外众多研究人员对土壤固化剂的研制和机理做了大量的努力,但是以下几个方向依然有待探索。
(1)、多种固化剂的综合应用。
各种固化剂均有自身的优点和不足,若将不同种类的固化剂综合应用,有可能扬长避短,充分发挥不同种类固化剂的优势,使其固结状态达到最佳效果;
(2)、特殊土质固化技术的研究。
一方面研究特殊土质的固化机理和固结土破坏机理,另一方面开发特种土壤固化剂;
(3)、研究开发专用施工技术。
目前在道路上的施工技术基本上沿用传统石灰稳定材料的施工工艺,应当在不同领域内的土壤固化剂施工工艺以及开发专用机械上进行一定探索;
(4)、开发更加环保的固化剂。
虽然目前已有的固化剂比传统固结稳定材料有环保节能的优势,但是依然可以在此方向上大有作为,开发对环境、土壤、水等无污染的产品,并综合利用工业废弃物等研制新型固化剂品种。
2.2土壤固化剂分类
固化剂的分类方法比较多。
按照固化剂形态分类,有液态土壤固化剂和固态土壤固化剂,如日本的Aught-set为固态土壤固化剂,而美国的ROADGOOD则为液态土壤固化剂。
按照材料性质可以分为有机类、无机类和离子类土壤固化剂。
无机类土壤固化剂一般为粉状,多采用工业废料为主固剂,添加激发剂配制而成,此类固化剂目前占市场上的主流,常见的有HAS、NCS等土壤固化剂;有机类土壤固化剂基本上为液体状,主要成分有磺化油、改性水玻璃、环氧树脂等,例如南非的Con-
aid,其主要成分为磺化油;离子类土壤固化剂比较常见的有ISS等。
按照固化剂的固化机理分类,则有石灰水泥类、矿渣硅酸盐类、高聚物类和电离子类固化剂四种。
石灰水泥类土壤固化剂中,主固剂为石灰、水泥,通过结合土壤中的水分,形成胶凝成分来胶结土壤,堵塞土壤的毛细结构,形成一定的强度和稳定性,例如TR系列土壤固化剂等。
矿渣硅酸盐类土壤固化剂则利用活性激发成份促进固化剂水化,并且产生交接土壤颗粒的胶凝结构,激发土壤颗粒的自身活性,在土壤颗粒和固化机之间形成有效作用力,并且保留活性成分,比较成功的品种如HAS土壤固化剂等。
高聚物类固化剂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图粒表面亲水性质,形成有效排水能力,从而可以得到有效的压实抗压强度,例如美国的帕尔玛”土壤固化酶和EN-1
土壤固化剂等。
电离子溶液类固化剂则利用强离子来破坏土壤颗粒表面的双电层结构,减弱土[2]
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壤表面与水的化学作用力,使其产生憎水性,从而使土壤具有一定得压实强度和
良好的排水能力,常见的有ISS和TG系列土壤固化剂等。
3土壤固化剂在村村通”公路中的应用
目前,陕西省尚未出现在公路工程上大规模应用土壤固化剂的实例。
笔者通过在咸阳市的调查,除长安大学与咸阳市交通局合作,在咸阳市马庄镇天阁村将相
通村路”进行了项目试验以外,尚无其他土壤固化剂的应用研究。
在村村通”公路
建设过程中,更没有其他应用实例。
目前,陕西省村村通”公路建设过程中,土
壤固化剂的研究和应用成果尚属空白。
下文将以此试验段对土壤固化剂在村村通”公路中的应用做相关分析研究。
3.1土壤固化剂性能以及作用机理土壤固化剂加固土的机理相当复杂,作用机理主要有以下几个方面:
(1)水化反应固化剂自身水化,生成硅酸钙、磷酸钙等物质,黏结粘土颗粒并在其表面形成硬化壳,进一步反应使粘土表面产生凝结硬化。
(2)置换水反应固化剂与土混合后,生成CFt钙矶石晶体,CFt将土壤中的自由水以结晶水的形式固定下来。
同时的体积膨胀填充到土团粒间的空隙当中,土壤颗粒被C-S-H凝胶包裹,形成网状致密结构。
(3)离子交换固化剂中基本上均含有Ca,在水的作用下会产生大量的Ca2+,以及其他如Fe3+AI3+等在内的高价阳离子。
这类离子与土粒中的Na+、K+、Ca2+等进行离子交换,降低表面§电位,破坏双电层结构,释放自由水,使土壤颗粒由亲水性”变为憎水性”
(4)激发土壤自身活性土壤当中含有大量的活性SiO2、AI2O3、CaO等物质,固化剂与此类成分之间相互反应生成胶凝物质,发挥潜在活性生成网状结构,使基体成为高强度的整体。
(5)常见的混凝土当中CI-离子会造成钢筋的腐蚀,但是在路面桩基当中不存在
钢筋,因此无对钢筋的腐蚀性。
相反,溶液中的CI-可以与大量可溶性AI2O3和
CaO结合,迅速形成CI盐,从而提高了固化剂的早期强度。
3.2TG系列土壤固化剂
TG系列土壤固化剂是一种固体粉状固化剂,主固化剂由水泥、石灰和石膏等组成,其中石灰含量57.6%,助固化剂主要成分为所及化合物或氨基磺酸类高聚物,属于电离子溶液型土壤固化剂。
3.2.1作用机理
TG系列土壤固化剂利用强离子破坏土壤颗粒表面的双电层结构,交换作用将土粒表面亲水性较强的阳离子变成亲水能力较差的钙、镁、铝离子等,并通过例子配位作用,减弱土壤表面与水的化学作用力,从根本上改变土壤颗粒的表面性质,释放土粒表面的吸附水,使其趋于憎水性,在压实条件下形成一定强度和良好的抗水性能。
3.2.2试验研究
研究人员对土壤固化剂石灰固结土进行过一系列的试验研究,相关实验数据如
下:
3.2.2.1石灰固结土无侧限抗压强度试验表1复合固结土无侧限强度试验
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限抗压强度提高了一倍多。
同时可以看出,随着外掺剂用量的增加,抗压强度不增反降,最佳用量为0.020%。
322.2石灰固结土水稳定性试验表2复合固结土稳定性试验
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