土壤固化剂的应用与推广

土壤固化剂的应用与推广成果报告江苏苏油建设有限公司二OO四年十二月目录第一章项目概况第一节立项的背影、依据和应用前景第二节项目的组织形式第三节项目的研究内容第四节项目的创新点第二章项目的研究成果第一节与标准的符合性第二节ISS离子土壤固化剂固化典型路基的施工方法第三节ISS与石灰土掺配时各项技术指标分析第四节经济效益分析第三章存在问题与建议第一节存在的问题第二节建议第四章下一步攻关方向第一节下一步攻关方向第一章项目概况第一节立项的背景、依据和应用前景目前我国公路工程建议中大量开采石料，对水土保护、生态保护、环境保护都产生了极为不利的影响，为此、急需研究和开发新材料来取代传统的筑路材料，以达到最大限度的保护生态资源的目的。而且，江苏油田位于苏皖两省6市12县内，地处高邮湖、邵伯湖、洪泽湖和里下河地区，河湖星罗，素有“水乡油田”之称。目前，江苏油田井场道路一般采用8%-12%石灰土做为基层，泥结碎石做为面层，这种结构在正常使用下一般3-5年就需要维修，维护成本较高，而采用混凝土结构，虽能增加使用寿命，但综合成本很高。那么，采用什么样的结构或新型材料既能延长道路使用寿命，又能节省综合成本呢。早在2000年8月，我公司就在寻求一种能大幅度提高路基强度的新型材料，基于此类原因，我公司经过对市场的不断的调查与比对分析，最后选定了由澳洲国际离子土壤稳固剂实业有限公司设计生产的Roadbond/Roadbacker，中文注册名称为“路基实”，习惯叫法“ISS”。江苏油田的油区道路大多数处于平原地区，修筑道路需要大量的土和碎石，道路基层侵害最大的是“水”，而ISS最突出的特点是解决“水”对路基的侵害。因为ISS路基实是一种由多个强离子组合而成的化学品，其中含有一种活性成分硫化油，硫化油是一种阴离子型表面活性剂，在结构上具有独特的二重性，硫化油与粘土矿物质相互作用后能使原本有很大活动性的阳离子被束缚在原位而被硫化油分子所密封，这样，被压实材料中的毛细管内覆盖着硫水层，他可以让水自由流动，但不会被处理过的材料吸收也不会影响其稳定性。众所周知，岩土工程都存在着湿胀、干缩的现象，其主要原因是：用来建设这些岩土工程的土壤里含有粘土。粘土矿物具有颗粒细小、表面积巨大的特点，又具有强烈的亲水特性，能大量地吸附水分，在干燥及温度较高的情况下又易失去水分。于是，土壤的体积就会因为水分的吸收或挥发而变化很大，湿胀、干缩作用的结果必然是岩土工程损坏。因为，如果能有效地去除土壤中的水分，就可以一劳永逸地解决这个问题。ISS离子土壤固化剂，也叫离子土壤强化剂，将它加入到土壤或路基材质中，使土壤由亲水性变成憎水性，从根本上将土壤内部的吸附水全部去掉，在常规压实机械的碾压后，能有效地改进土壤的工程性质，包括增加压实度、密度、承载能力，凝聚土壤颗粒，减少土壤的水敏感性，提高土壤的防渗性等。离子土壤强化技术提供一种新的、低成本的，可以就地取材的岩土工程建设方法。国际上称ISS是20世纪重大发明，也是我国“土壤稳固剂的引进、开发和应用”项目列为在2010年前拟定实施的33项交通科技重点项目之一。离子土壤固化剂不同于一般的诸如石灰、水泥等化学强化剂，ISS只是一种催化剂，它只是通过其自身的离子交换作用改变土壤的性质，并不参与土壤的胶结或化合作用，又由于其分子与土壤颗粒的紧密结合，所以，ISS一旦掺合到土壤中，其总量并没有减少，也不随时间而消耗。相反，由于其催化作用的特点，其对土壤的强化作用会持续有效，从而使土壤永久强化。由于ISS作用并不产生象化学强化剂那样的胶结或凝固，所以，ISS处理过的道路既坚硬又具有柔性。ISS结构上的亲水性和硫水二重性，使它可以阻止水分进入土壤体系，从而可以获得永久强化之功效。ISS处理过的岩土工程，可让微量的水自由流过，但不会被处理过的材料吸收，随着自然蒸发，这些自由水从体系中消失而不影响其稳定性。这样，原本被认为不适宜用于建设的材料，经过ISS处理，就可以就地取材，变成完全符合工程要求的建设材料。用ISS处理的方法建设道路，能改进土壤的工程特性，主要是包括压实度、密度、对水分的敏感性、塑性等，从而增强了其承载能力、抗损毁能力，并能大大减少道路的扬尘。与一般的岩石及一般的化学强化土（如石灰强化土、水泥混凝土）不同，ISS处理过的土壤并没有凝结，所以，它固结形成的板状结构具有良好的弹性，不会发生裂痕的倾向。由于处理过的土壤中的水已被排除，不再存在水的冻结的问题，所以，ISS处理的道路不存在低温冻裂的情况。ISS的使用也具有安全简便，可明显缩短筑路工期等优点。使用ISS只需按一定的比例加水稀释，喷洒到要处理的土壤中，再拌合均匀，然后就按常规的方法铺平、碾压即可。施工完毕24小时后即可达到正常通车使用条件；7日后，化学反应使土壤达到坚固状态，28日后达到最高强度并趋于稳定。ISS是一种环境友好的产品，对人体、牲畜、植物和大自然均无损害，并能促进植物的生长，而且工程建设及维护简便，对养殖场、草坪、山体植被等生态平衡有促进作用。另外，由于ISS施工法减少了原地材料的废弃及新材料的开采及搬运，使建设工程对环境的损害减低到最小程度，最大限度地保护了环境生态。经查阅相关资料，ISS产品自60年代发明以来，在世界各地得到不断的推广应用，特别是象美国、加拿大、澳大利亚、南非这样的幅员辽阔的国家，有很多象乡村公路、农场或林场道路、私人道路等一般不需铺设路面的道路，ISS产品大派用场。它极大地降低了道路工程的建设及维护保养成本，增强路基强度和承载力，使道路工程耐久耐用。ISS产品长期以来被美国联邦交通运输局、美国农业部的森林管理局、美国军事工程部、美国海军及德克萨斯州、奥克拉荷马州、俄亥俄州、宾夕法尼亚州、纽约州、加利福尼亚州等州的交通局所推崇并得到推广应用。在澳大利亚，ISS产品被广泛应用，其中南澳大利亚州就有三分之二的道路是以ISS施工的。在南非，已有几千英里的道路以ISS法施工。据国外的使用经验表明，用ISS建设的道路，虽经交通车辆的长期运行或洪水侵蚀，其稳定性与承载能力可保持30年不变。到现在，ISS不仅被用于次级道路，在很多国家，它已应用于高等级道路，成为一种被普通接受的筑路新方法。在中国，截至2003年底使用ISS成功建成数条道路，预料在未来数年ISS在公路建造上会带来热潮。ISS产品已经在发达国家得到普遍的应用，这些年来，它更被引进到澳洲、赞比亚、新几内亚、中国、菲律宾、新加坡及欧洲、南美洲等很多国家从而被证明为在各种不利天气条件（如极热、极冷、冰冻等）下的一种修筑各种等级道路的低成本的筑路方法。ISS是为建设道路而发明的，但其应用范围已远远超出其原先的范围，现在，它已被推广应用到机场、停机坪、油田、矿山、矿井坑道、港口、码头、堤坝、排水渠、停车场、货场、林区道路、农场道路、乡间道路、铁路、引水道防渗及建筑基础工程等等，在所有希望便捷、投资经济且基础坚固的基础工程中，ISS都发挥着它独特的优势。ISS由于其巨大的优越性而受到使用部门的高度评价。使用ISS做成的路基，20-30年不会损坏，可显著延长道路使用年限，改善交通条件。针对ISS与石灰、水泥综合稳定土的抗水蚀能力较强的特点，对于修筑井场道路时可减少外进土数量，利用原路基土就地翻修，适当加高路基即可。同时，江苏地区又是砂石料缺乏地区，传统的道路修建砂石料用量很大，而目前国家对砂石料的开采、使用已开始进行限制，能代替砂石的最好材料就是土壤，而要把土壤固化成坚固的路基，就必然要用土壤固化剂。因此，ISS在本地区的推广、使用具有深远的社会效益和较好的经济效益。该材料的使用，不但能提高路基强度、简化路面结构、缩短施工周期、扩大材料来源，而且还可降低道路投资。是一种新型的、多快好省的筑路材料，推广前景十分广阔。第二节项目的组织形式为能切实做好次项工作，公司专门成立了科题研究小组，同时聘请局设计院道桥室的赵四元同志担任本课题的技术顾问，公司总经理担任课题负责人，并从公司技术部、实验室、工程处等部门抽调了六名人员参加课题的研究和试验工作。确保研究工作的顺利进行。第三节项目的研究内容1、ISS路基实的各项参数是否符合CJ/T3073-1998标准要求。2、ISS路基实与不同土质的最佳掺配比例；在正常施工时，寻求最佳的掺配比例，使路基的CBR、回弹弯沉、无侧限强度最优，且为最经济；大面积施工时土的最佳含水量、粉碎度及机械组合和碾压遍数及最迟碾压时间对路度的影响；3、掺入ISS路基实后的土基强度增长情况及其增长规律；4、掺入ISS路基实后的土基抵抗变形的能力及抗水侵蚀能力；5、将ISS路基实与石灰、粉煤灰、水泥、碎石、土掺合做道路路面时，其各项技术指标分析；6、掺用ISS路基实的经济效益分析；7、一般土路基与ISS离子土壤固化剂路基的施工方法。第四节项目的创新点1、直接将土、石灰、粉煤灰、碎石按适当比例掺配拌和后做为井场路路面。2、在石灰土或砂砾土中掺入一定比例的ISS路基实后，用于桥梁台背回填，减少工后沉降和桥头跳车现象。3、翻修改建路面可利用原路面材料，从而有效降低开挖、运输、外运费及人工机械成本。第二章项目的研究成果第一节与标准的符合性CJ/T3073-1998《土壤固化剂》标准的规定：固化土的7天无侧限抗压强度应符合下表规定：层位固化剂类别道路等级城市快速路、主干路城市次干路、支路基层液状水泥类3-42-3石灰类——0.8水泥石灰类3-42-3石灰粉煤灰类0.80.6粉状固化剂3-42-3底基层液状水泥类1.51.5石灰类0.80.5-0.7水泥石灰类1.51.5石灰粉煤灰类0.50.5粉状固化剂≥1.5≥1.52004年7月到11月期间我们分别对兴化区块和黄珏区块的不同土质进行了7天无侧限抗压强度实验，结果如下表：工程名称第一组7天无侧限抗压强度（Mpa）第二组7天无侧限抗压强度（Mpa）兴化区块（沙26平1井场路）2.42（4%石灰+5%固化剂）2.16（4%石灰+5L/m3固化剂）黄珏区块（韦8-10井场路）1.47（4%石灰+5%固化剂）1.39（4%石灰+3L/m3固化剂）注：第一组试件为将固化剂掺入土中后立即成型，第二组为将固化剂掺入土中后4小时成型根据以上试验结果，石灰类底基层路基的7天无侧限路基的7天无侧限抗压强度完全符合CJ/T3073-1998标准要求。第二节ISS离子土壤固化剂固化典型路基的施工方法1、一般土路基所谓的一般土ISS路基是相对于特殊土ISS路基而言的，指的是除特殊土以外的路基，按土的工程分类来划分，有巨粒土路基、粗粒土路基、细粒土路基等，本次研究的重点是针对细粒土拌合ISS压实后的路基。虽然ISS对粗粒土，甚至有一定的粘粒含量的巨粒土也有效能，但对粘粒含量大于30%的ISS细粒土路基，是最具代表性的ISS路基。一般土的ISS路基的施工与常规的路基相同，一般都是按常规方法在填筑好的路基的顶层上，再铺筑一层压实厚度在15-30cm的ISS土。对于填筑高度（或厚度）不超过1米的矮路基，其ISS层厚一般为15厘米以内；而且对于填高大于12米的高路基，其ISS层的厚度应为15-30厘米之间；介于两者之间的一般高路基，其ISS层厚度大体可控制在20厘米左右。2、挖填方ISS路基：在填方部分的新土与老土的结合部位，可喷洒ISS水溶液以增强其密实度。在开挖的边坡上，也可以喷洒ISS水溶液再拍实来增强边坡的稳定性。对于作为路基的扰动土层，可以ISS水溶液喷洒其基面并压实达到规范要求的密实度。（见图2.1）图2.1挖填ISS路基当原地形高于修筑道路的路基时，需要挖方，这就是挖方路基，也称路堑。一般土挖方ISS路基，主要是在土基开挖的基础上作适当ISS顶层（一般约为15-20厘米）的处理。由于路基开挖扰动了原地层的天然状态，给稳定性带来了不利因素，尤其是挖方较深且土层条件较差时，开挖边坡要特别引起注意。对于作为路基的扰动土层，可以ISS水溶液喷洒其基面并压实到要求的密度。对于边坡，可适度放缓或在坡面上喷洒ISS水溶液再人工拍实来加固。填方土ISS路基施工与常规的施工方法要