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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表3软化系数（水稳定系数）
在6：
94强度和保水抗压强度均表现明显，其中固结土的软化系数早期增幅相比后期更为明显。
3.2.2.3石灰固结土低温收缩试验表4复合固结土低温收缩试验
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量级，相差不大，而相比石灰稳定土而言，则复合固结土的温度系数小的多。
备注：
上述三个实验所选黄土为lp=9.8的低液限粉土，固化剂为TG-1系列土壤固化剂，胶结材料为Ill级消石灰，试件压实度98%，试件密封后20C恒温养护。
3.3TG系列土壤固化剂的应用长安大学将研究成果应用于咸阳市马庄镇天阁村将相”通村路部分路段。
试验路
段起桩号K2+800~K3+080，总长280m，路面结构为15cm石灰稳定土固结土基层+18cm水泥砼路面板，路基宽5.5m，路面宽度4m,其中K2+800~K2+900的配合比为固化剂：
石灰：
土=2:
60:
940;K2+980~K3+080的配合比为固化剂：
石灰：
土=1：
60：
940。
3.3.1村'村通”公路试验段
（1）自然条件
当地气候属暖温带大陆性半干旱季风性气候，平均温度129C，四季冷暖分明。
春季降雨增多，冷空气频繁，已出现寒潮、霜冻等天气；夏季降雨量最大，秋季温差较大，后期气温猛降，干旱少雨；冬季气候变冷，干燥少雨。
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渭河是当地的唯一河流，平均流量163.8m3s，无断流现象。
当地地貌北高南低，呈阶梯状向渭河谷底倾斜，海拔在450m左右，南北高差近
10m。
修筑地区处于渭河断陷盆地，土壤结构最底层为湖泊相沉积层，上面覆盖300-500m的覆盖黄土层，其中底层基本上为河床相砾石，上层为沙滩相细粒沙质粘土，且堆积松散。
南部地区水位较浅，北部相对较高，但相差不大。
（2）原料供应
表5村村通”公路原材料一览表
筑路原料
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TG系列土壤固化剂使用过程中需水量较大，渭河水量充沛，完全满足需求。
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他所需要的水泥、石灰等当地均有。
332施工工艺
施工工艺采取路拌法施工，所需机械简单，和传统使用石灰稳定土固化基层的机械相当。
图1施工工艺流程图
3.4效应分析
同国内大部分研究相似，长安大学材料学院相关研究人员将土壤固化剂在公路工程当中应用所带来的效应有两个方面。
主要一方面给公路建设成本降低了空间，缓解了村村通”公路建设的资金瓶颈；另一方面，有效地减少了石灰、水泥等高能耗产品的使用，降低消耗、缓解资源压力。
3.4.1经济效应分析
现有的研究表明，土壤固化剂所带来的经济效应较为明显。
假设石灰稳定土路基的公路为A，水泥稳定沙砾路基公路为B，石灰稳定碎石路基公路为C,复合固结土路基公路为F。
笔者将TG系列土壤固化剂咸阳试验段的建设造价与常见不同结构和材料的村村通”公路造价进行了对比分析。
经过分析发现，与常规材料和路面结构的村村通”公路造价相比较，使用固化剂
的复合固结土路基相比石灰稳定土作为路基的公路成本节省27.55%，比水泥稳定
砂砾路基的公路节省29.51%。
通过对造价比例系数（普通公路每公里造价/固化剂路基公路每公里造价）的计算，A每公里造价是F的1.14倍，B每公里造价是F的1.42倍，C的每公里造价则是F的1.37倍。
表6不同稳定材料路基造价对比
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推广使用土壤固化剂，可以减少C02气体的排放。
每减少使用10000吨石灰，可减少8000吨CO2气体排放；每减少10000吨水泥用量，可以减少5200吨CO2气体排放。
同时由于土壤固化剂的使用，还可以减少碎石的开采和使用，每减少一万m3!
勺碎石用量，能够使约300川的植被得到保护，增加了CO2的转化量。
（3）、无毒、无害，减少环境污染：
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TG系列土壤固化剂在生产和使用过程中均不需要排污，无污染。
而稀释后的固化剂溶液无毒、无害，有效解决了筑路材料的污染问题。
（4）、无扬尘现象，对施工人员健康无害：
相比较石灰稳定土和水泥稳定土施工过程中的扬尘现象而言，使用土壤固化剂可以有效降低石灰和水泥的使用，降低空气中的颗粒密度，对环境和施工人员的健康有利。
（5）、施工周期短，对周边居民影响较小：
土壤固化剂的施工过程相对较短，减少了对周围居民的影响时间，同时土壤固化剂的施工工艺相比较没有太大变化，不会造成额外的噪音污染等。
3.5影响土壤固化剂效果的因素
通过查阅相关文献，结合考察所得资料和推理分析，影响TG系列土壤固化剂复
合固结土使用效果的因素有以下几个方面。
（1）、石灰等级和石灰掺入量：
在相关研究当中，水泥土的强度随水泥标号的提高而增加。
不同水泥掺入比所得到的水泥土无侧限抗压强度比值岁水泥掺入比的增大而增大。
由于石灰土与水泥土的固化机理相似，因此石灰等级和石灰掺量对石灰复合固结土的强度有一定的影响。
（2）、固化剂掺入量：
在前文的试验当中，如表1所示，随着固化剂掺入量的改变，复合固结土的强度不断变化，其中当掺量超过0.02%时，强度不增反降。
（3）、土样含水量与地下水质：
当土壤固化剂石灰复合固结土的配方向同时，其无侧限抗压强度随土样含水量的降低而增加。
（4）、被加固的土样和土样有机质含量：
参考文献当中［4］，研究人员对不同土质的加固试验进行了总结，在其他条件相同的情况下，砂性土、亚粘土低级采用搅拌法厚的无侧限抗压强度较高，泥炭质土地基相对较低。
而有机质含量较高的软粘土，加固后的强度较低。
有机质含量不同的土样，掺加比例不同所得到的强度有较大变动。
（5）、养护方法和龄期：
养护方法对短龄期水泥土强度影响较大，随时间增长，不同养护方法下的水泥土无侧限抗压强度足浴一直，养护方法对水泥土后期的影响较小。
有水泥土的养护和龄期可以分析，石灰稳定土的养护方法和龄期对强度的影响规律一定有自身的特点。
（6）、其他外掺剂：
道路工程当中，施工过程假如外掺剂的目的是改善土样性能，提高基层强度。
水泥土外加剂可以选择早强剂、缓凝剂、减水剂等适合的材料。
有研究人员选用碱渣、粉煤灰、砖渣等材料，得出了一种新型的固化剂。
4结论
我国政府十分重视土壤固化剂项目的引进和开发，将土壤固化剂引进开发和应
用”列为2010年前拟定实施的33项交通科技重点项目之一。
通过本文的研究分析表明：
（1）、固化土的力学性能、耐久性能、变形性能等均符合要求，完全具备在村村通”公路工程当中使用和推广的条件；
（2）、其产生的质量效应、经济效应和环境效应完全符合国家发展总体目标；但是土壤固化剂也存在着自身缺陷。
材料学院暑期社会实践
（1）、由于施工工艺不成熟，施工单位对此类材料接触较少，施工质量难以保证，咸阳试验段土基固结效果不太明显；
（2）、TG系列土壤固化剂需水量较多，在西部缺水地区不大适用，应用范围有所限制；目前的大部分土壤固化剂在使用过程中固结土强度达不到要求；
（3）、包括TG系列在内的土壤固化剂耐水性能均有不足，造成村村通”公路后期病害较为突出；
（4）、TG系列土壤固化剂的生产厂家较少，价格相对昂贵，若开发出成本低廉的土壤固化剂，村村通”公路建设成成本将会大幅下降。
参考文献：
［1］周乃武,马鸿文，王群.高炉矿渣基土壤固化剂的试验研究［J］,路基工程，2007，3
［2］彭波原建安,戴经梁.西安公路交通大学学报［J］,1998,3（13）
［3］松原市交通局.复合固结土路面基层技术指南
［4］黄小梅.路用水泥基复合稳定土材料初步研究［D］，中南大学,20080418
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