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工程案例

对土壤固化剂的研究与认识

来源:西安雷竞技环保科技有限公司  发布时间:2018-05-31  阅读量:381次

土壤固化剂是国内近年在岩土工程中开始应用的一项新技术。

20世纪40年代,美国等发达国家在兴建道路、机场、港口等工程中发现水泥、石灰对土壤进行固化不能满足工程的需要,因而发明了土壤固化剂(soil stabilizer),并在工程应用中取得良好的效果。美国称之为“20世纪的伟大发明创造之一”;日本称之为“21世纪的新材料”。 20世纪90年代土壤固化剂技术进入中国,有的已经成功的应用于公路和水利工程。例如,美国C.S.S.公司的路邦EN-1,日本Aught-set,南非ISS2500等。试验工程表明,应用土壤固化剂施工方便、提高了工程质量,节约资源、减少工程费用,说明土壤固化剂确是岩土工程一项先进的技术。国内有些单位也相继研究开发了自己的产品,也得到了应用。后来又编制了行业标准《土壤固化剂》(CJ/T 3073-1998)。

中国城建第五工程局有限公司(2016年更名为中城投集团第五工程局有限公司)是我国最早把土壤固化剂应用到工程上的单位之一。但是,在应用过程中,随着对土壤固化剂的研究和深入认识,感到国内受到国外企业商业宣传的影响,对土壤固化剂的认识存在一些问题,集中地表现在行业标准《土壤固化剂》(CJ/T 3073-1998)中,主要有三:

一是,将土壤固化剂与固化胶结料混为一谈;

二是,混淆了固化土与土壤固化剂的性能;

三是,将土壤固化剂作为一类新结构材料来,

为此,愿将我们的研究和认识与各位同仁商榷。


一,什麽是土壤固化剂?

按照现有行业标准CJ/T 3073-1998《土壤固化剂》的定义,“凡能改善和提高土壤技术性能的材料”都是土壤固化剂。并将土壤固化剂分为液粉状和粉状两大类,把水泥和石灰,甚至替代物都包括在内,带入了许多本不应属于“土壤固化剂”范畴的不稳定因素,又将固化土的绝对强度值来表征土壤固化剂的性能,导致了技术性能上的不确定性,夸大了土壤固化剂的作用,造成概念上的混乱。

我们一直在思考和求证:在液粉状固化剂应用中,液体化学组分和水泥、石灰等粉剂组分在固化土强度中各自贡献率是多少?结果表明:不少“土壤固化剂”对提高固化土强度和物理力学性能是有显着作用的;但也有的作用不大,甚至是没有贡献的,只是赖于和水泥等胶结料一起测定固化土的性能,掩蔽了土壤固化剂本身作用的优劣。

对固化土强度起作用主要因素还是胶结料——水泥、石灰等。因此,原有标准对“土壤固化剂”的定义,混淆了“固化土”、“固化胶结料”和“土壤固化剂”三个不同的概念。

我们认为:固化土的基本组成是胶结料、土粒和水。石灰、水泥等是固化土的基本固化胶结料(简称固结料),土壤固化剂是固化土的外加剂,是用化学、物理化学和生物化学方法改善固化土的一种手段。因此,土壤固化剂的定义应为:“能改善和提高固化土技术性能的材料”,一般加入量不超过3-5 %,基本都是化学品。不能将基本的“固化胶结料”混入”土壤固化剂”。


二,建立“固化土”的概念

在岩土工程中,压实素土难以满足工程的需要,人们采取了一些加固措施。约在2000年前,我们的祖先就已经在用石灰等来加固土体,形成“三合土”,现代采用水泥、石灰、二灰等胶结料来加固土体,形成了一类岩土材料——固化土。

从广义讲,“土”是岩石经风化、搬运和堆积而成的,由固、液、气三相组成的沉积物。按照国家标准《土的工程分类标准》(GB/T50145-2007)按土的颗粒组成将土分为:巨粒组、粗粒组和细粒组。如果以水泥或石灰来固化不同粒径范围的土粒,广义固化土目前至少已经有三类,即:

(1)水泥混凝土(含水泥石灰砂浆等),

(2)水泥、石灰和粉煤灰稳定集料,

(3)水泥、石灰固化土


具体可以参见表1


土的工程分类与广义固化土


从广义固化土看,固化土应是由水泥、石灰等胶结料固化不同粒径范围土粒的一类复合材料。因此,水泥混凝土也是一种“固化土”。俗称的“固化土“是狭义指水泥、石灰固化粒径小于40mm,主要由角砾、砂粒和细粒土形成的土体。

所有固化土都由胶结料(水泥、石灰等),集料(粗骨料和细集料,混合材等)水三大基本材料组成。上世纪中后期发现可以采用化学外加剂来改善混凝土的性能,并发展成为“混凝土的第五组分“(其他四组分是:水泥、粗骨料、砂子、水)。如果将粗细集料都列入土粒范围,外加剂或土壤固化剂就是固化土的第四组分(胶结料、土粒、水和外加剂),粉状土壤固化剂有的可以与固结料复合形成复合固结料。

但是,土壤固化剂与混凝土外加剂有所不同:

一是,土粒级配范围不同:混凝土固化的是级配集料,主要是砂石,粒径相对较粗,“含泥量”一般不能超过3-5 %;固化土一般固化的是泥土,含有相当量的细粒土,“含泥量”高,比表面积要大得多。

二是,主要土粒矿物成分不同:混凝土的砂石集料主要是岩石风化后的原生矿物;而固化土土粒的相当部分是次生矿物(高岭土,伊利石,蒙脱石等)。

三是,材料的物理力学性能要求不同:混凝土作为一种基本建筑材料,物理力学性能要求较高,抗压强度一般在20-60 MPa;而固化土作为岩土工程材料,强度要求较低,一般在0.5~10 MPa。

四是,混凝土所用胶结料量较大(20%左右),集料“土粒”较粗,外加剂主要是充分发挥水泥的作用;固化土胶结料用量较少(3-10 %),土粒较细,土壤固化剂不仅要发挥水泥的作用,更重要的是改善土粒表面的状态,发挥土粒在固化中的作用。

所以,固化土外加剂(或称土壤固化剂)与混凝土外加剂是不同的技术系统,绝大部分混凝土外加剂不能用于固化土。


三,建立固化土和土壤固化剂的技术系列

1,固化土是一种推陈出新的岩土工程材料

国内对固化土已经做了很多的研究工作。根据我们的研究开发成果,目前已经有六类固化土,每类固化土都有相应的“土壤固化剂”:

1)压实型固化土

 适合用来建造各类道路,铁路建设,滩涂造地,土地整理,河湖治理,机场建设,固废利用等;

(2)灌注型固化土

适用于深坑基层,帷幕灌浆,矿坑填充,岩坡固结,滩涂种植,岩坡绿化,植被恢复,土层喷涂,沙坡固结等;

(3)防渗型固化土    

适合于垃圾填埋场建设,湖河治理,农田水利,港工建设等

 (4)生态型固化土

适用于滩涂种植,岩坡绿化,植被恢复,沙坡固结等;

(5)淤泥固化土 

 适用于淤泥固结,软基处理,滩涂造地等;

 (6)特殊固化土 

适用于特殊土基的稳定固化;

随着工程的需要,相信还会由更多的“固化土”出现。

2,土壤固化剂是现代化学技术在固化土中的应用

 这方面发达国家走在我们前面,除了学习先进的技术,更重要的是理解和掌握这些技术,从而推陈出新,赶上世界技术进步的步伐。

我们认为:土壤固化剂就是应用于固化土的化学外加剂,其主要作用是:改善土体物理化学性能;激发土粒表面活性,促进土粒参与固化反应;强化水泥分散性,促进水泥与土粒的固化作用。对于不同的固化土,就需要有不同的外加剂来配合,达到不同的技术要求。因此:

(1)压实型固化土——压实型土壤固化剂;

(2)灌注型固化土——灌注型土壤固化剂;

(3)防渗型固化土——防渗型土壤固化剂;

(4)生态型固化土——生态型土壤固化剂;

(5)淤泥固化土  ——淤泥固化剂;

(6)特殊固化土  ——特种土稳定固化剂; 

3,修编产品标准,引导“土壤固化剂”的健康发展

已经提出行业标准《土壤固化剂》(CJ/T 3073-1998)的修订,与业界讨论了基本修正点,提出:

(1)将土壤固化剂分为液体和粉剂两类。取消原定液粉状和粉状分类。

(2)将已加入待检土壤固化剂的固化土的强度与基准固化土(没有加入土壤固化剂)强度的比值作为检测土壤固化剂增强性能的指标;

(3)将已加入待检土壤固化剂的固化土的凝结时间与基准固化土(没有加入土壤固化剂)凝结时间的差值作为检测土壤固化剂对固化土凝结时间影响值的标;

四,结语

1,研究表明:固化土是一类先进的岩土材料和实用技术。土壤固化剂是固化土的外加剂,加入固化土可以显着改善固化土的物理力学性能,已成为固化土的第四组分。 

2,通过多年来对土壤固化剂、固化土及其应用技术的研究,认为应该建立我国“固化土”的学科领域和土壤固化剂的基本技术体系。

3,已经在行业标准《土壤固化剂》(CJ/T 3073)的修改中反映了我们的研究成果。还需要深入的研究和工程的实践来完善国内土壤固化剂的技术成果。


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