环保型土壤固化技术在工程领域的应用

黄　政，黄永辉（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南　昆明　650051）

环保型土壤固化技术在工程领域的应用

黄政，黄永辉
（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南昆明650051）

摘要：阐述了环保型土壤固化技术在我国工程领域的推广应用，土壤固化剂可以就地取材，就地固化，不需开山破坏资源取材，可将弃土固化使用，尤其对软土的就地固化使用。无须弃土、减少施工时间，节约建设投资，尤其是有利于生态环境保护。土壤固化剂固化工法可以节省资源、能源，节约土地，造福人类，得到全世界的广泛应用。

关键词：土壤固化剂；软土地基处理；地基土固化改良；固化工法设计应用

0　引　言

土壤固化剂是综合水泥化学的基础知识，深入研究土壤的特性开发出无机质、无公害的固化剂系列化学材料，对土壤具有广泛的亲和力、凝结力，应用其特点使技术指标优良、工程造价低、施工方便、工期缩短，尤其有利于生态环境保护。采用土壤固化剂可以替代大量的石灰、水泥、粉煤灰、碎石、砾石等传统材料。土壤固化剂固化工法的优势是节省资源、能源，节约土地，造福人类，得到全世界的广泛应用。

在台湾，土壤固化剂运用于土壤改良已经有20余年，积累了许多资料和宝贵的经验，在项目实施中将土壤固化剂有效地应用于道路路基路床固化、软弱地基土基础固化、淤污泥土固化、腐殖土固化、重金属污染土固化及深浅层的地基土固化改良。可根据土质和所需地基强度的要求，选择不同的方法。采用土壤固化方法来改良软地基，是一种造价低、质量高、工期短的软土地基较好的改良方法。

1　土壤固化剂的原理

一般土壤中除Si元素外，并含有金属错化合物，诸如：Mg、Na、Ca、Al等盐类，易吸收水份且溶于水。如渗入水泥中，于水和反应时极易与水泥产生相互“抢水”作用，破坏水泥应有的结晶规则，使水泥的抗压强度降低甚至全无。因此水泥欲与土壤混凝，必须控制“抢水”作用产生时所形成的化学干扰。

土壤固化剂就是依据上述考量并加以设计的一种类似触媒作用的产品。它可减弱土壤所含盐类中金属元素的正电位，使其消失“抢水”作用，以保护水泥水和反应所形成的结晶规则，使水泥与土壤混和后产生水和反应，迅速生成钙钒石（3CaO ·Al2O3·3CaSO4·32H2O），因钙钒石为一种针状结晶，可形成土粒子间相互架桥，使其固结；又因水和作用产生的硅酸钙水和物（C－S－H），使钙钒石之间的架桥更加强固，见图1。

图　1　土壤固化前后分子结构对比Fig.1　Molecular structure before／after the soil stabilization

2　土壤固化剂种类及用途

表1　土壤固化剂种类及用途Tab.1　Type and application of soil stabilizer

3　土壤固化剂固化工法的优势

土壤固化剂实用性较广，其最大优势在于工程上遇到什么土壤都可以就地固化处理施工，不必弃土、进土补材，不必开山取材，既减少运输费又可保护自然环境，造福人类，土壤固化剂固化工法实例见图2。

4　土壤固化剂固化工法的设计准则

1）等值换算系数是采用日本道路协会的设计数据，用于计算TA及设计厚度H，见表2。

2）使用土壤固化剂固化处理铺装厚度与传统工法铺装厚度的比较。

（1）决定道路等级依下表查出相封之TA值及路床厚度，见表3。假设路床设计CBR＝4，大型车交通量推定交通区分为B极交通，由表3查知，TA＝24，合计厚度＝49 cm，扣除表层厚度10 cm，则天然碎石级配层为49－10≈40 cm。

图2　土壤固化剂固化工法实例Fig.2　Stabilization construction case of soil stabilizer

表2　土壤固化剂固化工法的设计准则Tab.2　Stabilization construction design principle of soil stabilizer

表3　道路等级依据　TA值及路床厚度Tab.3　TA value and roadbed thickness

（2）传统工法与土壤固化剂固化工法的断面设计图见图3。由等值换算系数表，得出天然碎石级配层的等值换算系数为0.35，土壤固化处理层的等值换算系数为0.7。则土壤固化处理的设计厚度（D）如下式计算：10＋40×0.35＝10＋D× 0.7，解得D＝20 cm。

图3　传统工法与土壤固化剂固化工法断面设计图Fig.3　Section design of traditional construction and soil stabilizer stabilization construction

5　应用实例

5.1道路工程施工的改良处理

一般传统道路均采用碎石级配料当路基材料，砂石资源日趋缺乏，在国外早已改变传统设计，而改用土壤固化处理技术，形成一层坚硬的路基，提高承载力，延长使用年限，施工快速，降低成本，成为一劳永逸的工法，见图4。

图　4　道路工程施工的　6个步骤Fig.4　Six steps in road engineering work

5.2深层地基基础的改良处理

由于地下水位较高，地基软弱，标准贯入试验N63.5值太低，致使地基承载力不足，无法直接作为建筑物的基础持力层，甚至产生下沉、地层滑动。传统施工方式，均直接采用水泥浆灌注，甚至还添加水玻璃，但因为地下土壤含有金属错化物，甚至还带有盐分，干扰水泥，使水泥强度降低而不稳定，水玻璃也会污染地下水。改用土壤固化剂具有增加强度、长期强度稳定的优良效果，见图5。

图5　深层地基基础应用的5种工法Fig.5　Five construction methods of deep foundation application

5.3地基基础的改良处理

现今各城市土地越来越少，人口越来越稠，建筑用地的取得寸土寸金。因此，不良地基及腐殖土掩埋场地的改良为时势所趋，各种地基基础的改良工法被考虑优先采用。为得到更坚固的地基，使地基长期稳定而不会产生沉陷，土壤固化剂即成为地基基础重要的改良材料。先进国家使用固化剂早在20年前已受到重视，而且被广泛采用，见图6。

图　6　地基改良法Fig.6　Foundation improvement

土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用于固化各类地基的新型节能环保工程材料。它与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的工程性质，能将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强，颗粒趋于凝聚，体积膨胀而进一步填充土壤孔隙，在碾压夯实功能作用下，使固化土易于压实和稳定，从而形成整体结构，并达到常规所不能达到的压密度。经过土壤固化剂处理过的地基，其抗压强度、密实度、压缩模量、回弹模量、弯沉值、CBR、抗剪强度等性能都得到了很大的提高，从而延长了道路的使用寿命，节省了工程维修成本，经济环境效益好，是当前理想的建筑材料选择，提高土壤固化剂强度指标，见图7。

图　7　提高土壤固化剂的强度指标Fig.7　Intensity index improvement of soil stabilizer

6　土壤固化技术应用于岩土勘察工程的探讨

（1）土壤固化剂适应性较广，粘性土、红土、粉土、砂土、黄土、膨胀土、淤泥、泥炭土、高有机质土、风化土、高液性土（液限≥50）、高塑性土（塑限≥26）、污泥、建筑垃圾、部分生活垃圾、含沥青土、污染土、人工填土、尾矿等都能固化。

（2）淤泥、泥炭土、污泥、部分生活垃圾固化后抗压强度达到1～2 MPa（1 000～2 000 kN／m2、10 ～20 kg／cm2、100～200 t／m2），其它种类土层抗压强度超过2 MPa。

（3）无污染，固化区可栽种植物、养殖鱼类。

（4）土中污染物、重金属、垃圾污物被封固，不渗透出固化层及固化区域。

（5）固化层可筑路、筑堤、筑水渠、止水、护坡、做建筑物持力层。

（6）固化层为良好隔水层。

（7）固化层性质稳定，中、长期内不会再软化。

7　结　语

云南地质条件较复杂，地层岩性多变，在工程建设中遇到的岩土工程问题，其形式及种类之多是其他省份无法相比的。土壤固化剂的广泛适应性为解决岩土勘察工程问题提供了新的手段，如湖泊周边的软土、粉土、砂土；河床周边的砂土、粉土、软土、膨胀土、红土、风化土；修筑公路、铁路遇到的高液性土（液限≥50）、高塑性土（塑限≥26）、软土、膨胀土、红土、风化土；水处理后的污泥；垃圾填埋场的建筑垃圾、部分生活垃圾、含沥青土、污染土、人工填土；矿山的尾矿等都可以使用土壤固化剂进行处理，治理土壤的费效比、环境保护效应、经济效益、社会效益是其他手段都无法替代的，尤其是尾矿固化后回填至矿坑（洞）具有现实意义，生态保护、环境保护、社会效益十分显著。

如何采用新工艺、新材料、少花钱、修好路、解决岩土勘察工程施工问题、切实保护生态、保护环境，已成为建设工程上经济、社会效益十分重要的问题。使用土壤固化剂处理的道路基层和地基基础等将具有优越的特性。土壤固化剂的研究和应用将是今后推广的一种新型工程材料的发展趋势，应加强工程实践，在建设部《RISN－TG 003－2007土壤固化剂应用技术导则》及中华人民共和国行业标准《CJJ／T 80－1998固化类路面基层和底基层技术规程》的指导下，逐渐形成云南省地方法规，应是努力的一个方向，率先涉足这一领域，将具有技术优势和广阔的市场前景，被广泛应用，节约资源，绿色环保，重点推广。

参考文献：

［1］建设部标准定额研究所.RISN－TG 003－2007土壤固化剂应用技术导则［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［2］中华人民共和国建设部.CJJ／T 80－1998固化类路面基层和底基层技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，1998.

［3］李振泽.基于表面改性原理的土质改良试验研究［D］.西安：西安理工大学，2006.

中图分类号：TU58

文献标识码：A

文章编号：1004－2660（2015）01－0060－07

收稿日期：2014－12－02.

作者简介：黄政（1958－），男，江苏人，工程师.主要研究方向：勘查设计施工.

Application of Environment－friendly Soil Stabilization Technology in Engineering

HUANG Zheng，HUANG Yong－hui
（Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry，Kunming 650051，China）

Abstract：The application of environment－friendly soil stabilization technology in engineering was introduced.The soil stabilizer is made from local materials without destroying resources.The stabilization is carried out locally and the abandoned soil can be used in stabilization，especially in the stabilization of soft soil.As no soil is abandoned，the construction time and investment will be saved.More importantly，this technology benefits the ecological environmental protection.Due to its resource，energy and land conservation，the soil stabilizer stabilization technology has found worldwide application.

Key words：soil stabilizer；soft soil foundation treatment；foundation soil stabilization；stabilization construction design and application