ISS土壤固化剂在道路基层中的应用

ISS土壤固化剂在道路基层中的应用徐希娟1，2周新锋2摘要：半刚性基层易于产生干缩和温缩裂缝，影响基层质量，给道路的使用品质带来较大的损害，为了提高基层的抗裂性能和水稳性能，研究了ISS土壤固化剂在道路基层中的应用。首先，从化学结构方面分析了固化剂的亲水和疏水二重性，提出了ISS土壤固化剂的固化原理。其次，通过分析土壤的性能，设计具有针对性的固化剂品种和掺量，根据水稳性的效果，设计不同的稳定剂类型及含量，进行了ISS固化土无侧限抗压强度、劈裂强度和水稳性等路用性能试验；最后，结合工程对ISS固化土进行了经济和社会效益分析。结果表明，与二灰稳定碎石相比，ISS固化土具有优良的抗裂性能和水稳性，其它各项路用性能均满足基层技术要求，可以作为道路基层使用；与二灰稳定碎石相比在工程造价上有明显降低，节约了投资；ISS土壤固化剂为一种环保材料，在使用过程中减少了石灰、碎石等原材料的使用，为环境保护起到巨大作用。关键词：道路工程；ISS；固化机理；抗裂性能；水稳性0概述路面基层是路面的主要承重层，基层的质量直接影响路面的使用性能和使用寿命。长期以来，使用最多的基层材料为水泥、石灰、二灰类稳定材料半刚性基层，但是，由于以上材料水稳性差、收缩性大等特点，使得路面基层的质量和长期耐久性能无法得到保证，因此寻求路用性能更好的基层材料，解决基层的水稳性能、抗收缩开裂性能、抗冻性能等问题，是十分迫切和必要的。ISS(ISS-IonicSoilStabilizer)固化剂是由石油裂解产物加以磺化后所得到的一种化学剂。系腐蚀性强酸，对已死机体有较强腐蚀作用，但对活有机体则只有轻度作用。ISS固化剂常态下为黑色液体，略粘于水，易溶于水，溶于水后迅速离子化而使溶液呈高导电性。通过不断的优化完善，ISS土壤固化剂作为一种新型胶结材料应用于公路路基及路面基层中，取代水泥、石灰等胶凝材料，它比水泥、石灰性能更加优越。应用ISS土壤固化技术可就地取材,确保工程质量、加快工期、降低工程造价。1固化原理ISS土壤固化剂是一种电气化学的土壤稳固剂，与一般的化学稳固剂不同，它含有活性成分磺化油(SulphonatedOil)（一种水溶性药剂，溶解于水之后成为离子交换中介物）。磺化油是一种阴离子型表面活性剂(SurfaceActivereagent)，在结构上它具有独特的二重性，由一种名为磺酸的有机化合物的“亲水头(HydroPhylicHead)”及一个由碳和氢原子组成的“疏水尾”(HydrophobicTail)所构成(图1)。图1磺化油分子示意图疏水尾OSOΘH⊕O亲水头1、长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安710064，[e-mail]；2、西安公路研究所，陕西西安710054，[e-mail]亲水头可完全溶解于水或与水相混溶，但不溶于大部分的有机溶剂中。当磺化油分散于水中时，亲水头这部分分子将产生离解作用从而产生一个SO32-离子，它通过硫原子联结到分子尾部的疏水尾上。这个疏水尾是由碳和氢原子组成的集合体，完全不溶于水，却具有亲液的特性，可混溶于油及无极性溶剂中。由于ISS的这种独特的分子结构及二重性，加入土中能电解出带正电荷和带负电荷的有机离子，能活化土壤中的多价离子如Al3+、Ca2+离子，使之与土壤表面的一价阳离子如Na+、K+离子等发生交换，破坏土壤表面双电层，减弱水分的亲和力，抑制土壤的湿胀干缩，从而达到稳定土壤的作用。2原材料性质2.1ISS土壤固化剂本次研究采用西安雅力新材料科技开发有限公司提供的ISS土壤固化剂。略粘于水，易溶于水，容重γISS=1.25，pH值约1.25。2.2土采用西安高新区试验路的土壤，根据《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）对土样进行了室内试验，试验结果见表1。表１土样的试验结果技术指标单位试验结果颗粒百分比2¬0.074％0.50.074¬0.005％68.60.005¬0.002％15.6＜0.002％15.3比重Ｇsg/cm32.71液限（％）35.7塑限（％）19.5塑性指数（％）16.2土壤分类——粘性土2.3石灰采用陕西富平生产的消石灰，经检验石灰等级为3级。2.4水本次室内试验研究采用的是自来水,在施工中人或牲畜饮用水即pH值5的水源均可使用。3ISS土壤固化剂稳定土路用性能研究3.1ISS土壤固化剂稳定土最佳配合比设计为了提高固化土的早期强度以及稳定的效果，在固化土中添加少剂量的水硬性胶结材料。通过对胶结材料性能的广泛了解分析，初步确定采用目前路面上经常使用的石灰作为稳定剂，对ISS固化土进行进一步稳定，同时提高其早期强度。对以上材料变化添加剂量，利用室内击实试验和7d无侧限饱水抗压强度的试验结果，确定合适的稳定材料及其添加剂量。按照交通部行业标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057-94）的试验方法，进行了室内的标准击实试验和7天抗压强度试验，试验结果见表2。表2标准击实及7天抗压强度试验结果编号石灰剂量（%）ISS剂量（/万）最大干密度（g/cm3）最佳含水量（%）7天抗压强度（MPa）A011.86814.0崩解B111.81216.2崩解C211.73018.01.00D311.72018.11.10E411.71018.21.11F511.70118.31.11G611.69218.41.10从试验结果可以明显看到，对于ISS固化土，石灰的添加明显提高了固化土的强度，随着石灰剂量的增加，固化土的强度出现了最高点。对比ISS掺加量为1/万的加4%石灰和其它混合料强度结果，A、B组试件遇水后都会崩解泥化，C、D、E、F、G饱水后都没有崩解，强度在E组时出现了最大值，说明用ISS土壤固化剂和石灰共同固化素土的最佳组合为ISS固化剂用量为1/万、石灰剂量为4%。3.2ISS土壤固化剂稳定土无侧限抗压强度无侧限抗压强度是评价基层材料路用性能的一个重要指标，为了说明ISS复合固化土在抗压强度方面，能够满足作为基层材料的要求，根据标准击实试验得到的最大干密度和最佳含水量结果，成型φ5cm×h5cm试件，进行无侧限饱水抗压强度试验。试验结果见表3。表3无侧限抗压强度（MPa）试验结果种类龄期（d）728901804%石灰+1.0/万ISS1.001.862.652.95二灰碎石①0.732.304.335.10①-数据选自滕绪秋的《二灰碎石混合料配合比设计及路用性能研究》，下同。从表3中数据可知，两种材料早期强度均大于0.8MPa，都满足施工规范要求。目前基层设计中，对于半刚性材料通常要求其无侧限抗压强度应达到3~5MPa，基层抗压强度控制指标过高，同时半刚性基层材料变形小，易断裂的缺点依然没有改变，反射裂缝仍然为半刚性基层路面的主要破坏模式。因此提出了柔性基层的概念，希望采用新材料或新结构，降低基层的抗压强度和抗压回弹模量（刚度），提高抗拉强度和抗弯拉强度，减少甚至消除基层的反射裂缝。因此，对于ISS固化土，分析其路用性能时应将抗压强度和抗压回弹模量控制在合适的范围内，不应认为越高越好，重要的在于提高材料抗拉和抗弯拉能力和抗变形收缩能力。3.3ISS土壤固化剂稳定土劈裂强度一种良好的基层材料，不仅要求其有较高的抗压强度，还必须具备一定的抗拉强度，其中劈裂强度就是目前用来衡量抗拉强度的一个基本指标。劈裂强度是半刚性基层设计及反映其抗裂性能的重要指标，劈裂强度的大小直接影响着材料的路用性能。当劈裂强度高时，基层裂缝少，防水性和防渗性强，能减少面层的裂缝产生。表4劈裂强度（MPa）试验结果种类龄期（d）728901804%石灰+1.0/万ISS0.150.190.451.15二灰碎石①0.040.110.470.65从表4中可以看到：（1）随着龄期的增加，不同类型的混合料的劈裂强度随之增加，但是增长幅度不同。二灰稳定碎石试件的劈裂强度从90d到180d的增长了38%，而采用ISS固化剂试件的劈裂强度从90d到180d增长了156%。通过对上述数据的对比可知，添加ISS固化剂的试件的抗拉能力明显提高，具有良好的抵抗破坏的能力。（2）对比混合料的劈裂强度值，180d时ISS试件最高，ISS试件劈裂强度是普通二灰稳定碎石的1.77倍。说明ISS固化土是一种抗拉性能优良的材料。与目前常用的沥青混合料基层的有关强度指标相比之下，ISS固化土的抗拉性能已经与柔性路用材料相当，而其抗压强度又略大于这些柔性材料，进一步说明ISS是一种优良的土壤固化剂。3.4ISS土壤固化剂稳定土水稳性通常意义上，基层材料的水稳性用水稳系数(R饱水/R干压)来评价，表5为不同配合比条件下固化土的水稳系数。表5水稳性试验结果样品种类饱水抗压强度R饱水(MPa)未饱水抗压强度R干压(MPa)水稳系数7d28d7d28d7d28d素土崩解崩解11.05————素土+1/万ISS崩解崩解1.121.32————素土+1/万ISS+2%石灰0.931.251.561.860.600.67素土+1/万ISS+4%石灰1.001.861.622.560.620.73从表5中可以看到：1、对于素土，如果仅仅掺加ISS对土进行加固，试件浸水后很快崩解成泥，浸水稳定性很差。采用标准条件养生，但最后24h不饱水（即干压），试件有一定的强度。2、掺加2%和4%石灰后的ISS固化土试件，养生7d后的水稳系数基本相同，说明石灰剂量的变化对ISS固化土早期的水稳性影响不大；养生28d后，两个石灰剂量的试件的水稳系数均有提高，但4%石灰剂量的试件提高幅度更大，说明随龄期增长，石灰逐渐与固化土发生反应使固化土的强度提高，水稳性增强。4试验路实体工程位于西安高新开发区沣惠南路与唐延路之间新增加的一条规划路，试验路全长150米。规划道路红线宽20米，单幅路，其中，机动车道宽9米，路侧带每侧各宽5.5米。面层为5cm厚中粒式沥青砼（AC-16I），透层油1kg/m2，基层为20cm厚灰土碎石（重量比4:16:80）+1/万ISS固化剂，底基层为20cm厚4%石灰土+1/万ISS固化剂，压实路床（重型压实）。总厚度45cm。现已使用3年多，未出现裂缝，使用性能良好。通过对试验路段钻芯取样并进行强度和水稳定性检测结果见表6。表6试验路段检测结果道路名称施工日期钻芯日期试验日期抗压强度（MPa）水稳定性能科技七路2004.112007.5.142007.5.213.15饱水6天未出现裂纹丈八五路2003.112007.5.142007.5.213.34饱水6天未出现裂纹通过试验段可以看出，ISS土壤固化剂稳定土的强度和水稳定性能随着龄期的增加而增强。5经济效益分析（1）材料费由于ISS结构层充分利用天然土为主要原料，不需弃土外运或运输土方回填，明显比常规路用材料如碎石、砂、水泥等工程造价要低得多。且由于ISS可有效地提高土基的回弹模量Ｅ值和CBR值，因而可比常规道路减薄路面结构层的厚度，降低工程造价。（2）挖运费由于ISS固化剂可以充分利用当地材料，无需大量挖弃不良土壤，使运费节省约80%，工程成本费用得到降低。由于挖弃与运量减少，还可以减轻或避免环境的破坏和污染。（3）环保费用ISS是一种环保材料，施工后ISS土层基面极少尘土，对周围环境不会构成污染，有利于环境保护。6总结ISS土壤固化剂作为一种新型的胶结材料，具有优越的路用性能，解决了路面基层的水稳定性能和抗裂性能，同时具有合适的强度和刚度、施工工艺简单、价格便宜等优点，ISS固化土对环境的污染小，社会效益非常显著，是一种经济环保的新型筑路材料。因此ISS土壤固化剂是一种具有非常良好推广前景的新型筑路材料。参考文献1.沙庆林，高等级公路半刚性基层沥青路面，北京：人民交通出版社，1998年9月。2.中华人民共和国行业标准，公路工程集料试验规程（JTJ058－2000），北京：人民交通出版社，2000年。3.中华人民共和国行业标准，公路路面基层施工技术规范（JTJ034－2000），北京：人民交通出版社，2000年。4.彭波.固化剂加固土的研究[D].