环保型高强稳定土壤固化剂在燃气场站地基处理中的应用研究

文 / 张 晨 白震 曹延 苏雨晨 蔡夺魁 汪林

一、引言

燃气场站建、构筑物的地基基础处理和管线的基底处理是工程建设的重要组成部分，燃气场站工程选址常位于郊区未完全开发地段，其工程地质条件和气候水文条件比较复杂，确保工程质量合格难度较大。不良土质常采取换填方式处理，工程投资较高；严重不良土质路段常采取桩基等复合地基处理方式，工程投资更将会大幅提升。同时，换填处理中需要直接和间接使用大量砂石材料，砂石材料的主要来源是炸山取石和挖河采砂，材料的开采不仅毁坏植被，破坏生态环境，而且其加工、运输及存储上也要消耗大量资源和能源，背离可持续发展理念。

目前，生态环境保护、绿色协调发展、可持续发展的观念已经深入人心，全国范围内都逐渐意识到保护生态环境和节约资源的重要性。国务院关于《“十三五”生态环境保护规划》[1]的通知也明确要求要持续加大生态环境保护力度，强化生态空间管控，推进供给侧结构性改革，强化绿色科技创新引领，推动区域绿色协调发展。北京地区安全文明、绿色环保施工要求逐年提升，重大社会活动期间管理要求往往提升几个等级，如果必须在特殊时期施工还需要支付高昂的技术措施费。特别是近年来，由于城市总体规划的管理要求，场站工程中某些管线路由常常定位于既有道路上，道路回填费用就达到管线总投资的40%-50%。

近年来，土壤固化技术在工程建设中得到了广泛应用，相比于传统材料，利用土壤固化剂对就地取材的土壤进行固化，固化土体的相对强度、水稳定性、低温稳定性、耐久性等优势明显。这将节约大量砂石材料，不仅减少砂石材料开发及运输费用，大大降低工程造价，经济效益显著；而且炸山取石和挖河采砂的减少，将增大自然植被和河流的保护，自然环境的破坏程度大大降低，环境效益显著；此外，这可减少传统材料开发、施工、运输过程中CO2等温室气体的排放量，进一步改善生态环境，有利于经济社会的良性循环和可持续发展。土壤固化技术的出现，将实现由依靠天然材料筑路向人工合成材料筑路的跨越，对绿色工程建设起到重要支持作用[2]。

燃气场站工程中，土壤固化剂若作地基处理，可以替代桩基强夯功法及二灰碎石等传统材料，可就地取材，施工工艺简单，同比可降低工程造价约15%～40%。但目前土壤固化技术在燃气场站中的应用较少，相关性能有待进一步验证。

本文通过对国内外土壤固化剂发展及应用状况研究的基础上，选用一种环保型高强稳定土壤固化剂，采用理论分析和室内试验方法对固化剂混合料的强度和耐久性开展研究，多方面评价土壤固化剂在燃气产站中的应用效果，并实际应用于平谷门站及进出线工程，为其后续研究方向和实际工程应用提供理论指导。

二、土壤固化剂固化机理及技术优势分析

土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用以固化各类土壤，以改善和提高土壤技术性能的新型节能环保工程材料。常用土壤固化剂从物理形态上看，可分为固态和液态共两类；从物质组成成分上看，可分为有机类、无机类及有机无机复合类共三类[3]。

（一）固化机理

土壤固化剂的固化机理通常可分为物理过程、化学过程及物理化学过程[4]。

物理过程指土壤被固化过程中，由于外力作用，导致土壤的结构性破坏，经再次压实后，土壤颗粒之间的空隙减小，土壤密度变大，强度和稳定性得到提高；化学过程指利用土壤固化剂固化土壤时，无机类固化剂吸收土壤水分，发生水化、水解反应，有机类固化剂发生聚合反应等；物理化学过程指土壤颗粒与固化剂组成成分之间的物理、化学和物理化学三类吸附过程。

本文所选用环保型高强稳定土壤固化剂对土体的作用过程属于物理化学过程，既有物理吸附和缠绕，又有化学反应，使土体形成稳定的结晶—缩合结构，见图1和图2。通过中和土壤颗粒表面的电荷，减薄双电层的厚度，进一步加强土体混合料的物理和化学反应过程，提高土质固化效果。

（二）技术优势

（1）环保节能：环保型高强稳定固化剂无毒无污染，施工能耗低。

（2）造价低：环保型高强稳定固化剂比水泥、石灰等无机结合料造价低，同时施工中不用大量外运土方，节省运输成本，可同比降低造价约15%-40%。

图1 不同养护龄期下固化土细观结构

图2 28天养护龄期，放大5000倍下固化土微观结构

（3）施工速度快：环保型高强稳定固化剂整平、碾压完成，养生后即可通车，施工周期短，降低社会影响，大幅减少工程建设综合投资，提高社会经济效益。

（4）整体性强：环保型高强稳定固化剂使土体固化后形成板体，可显著提高基质土的无侧限抗压强度、抗弯拉强度、抗压回弹模量及冻稳定性。在荷载作用下，板体整体受力，将上部荷载均匀地传递至工程基础，有效地提高基础承载能力，延长使用寿命。

（5）抗冻融性强：抗冻性能较好，可满足北方地区对抗冻性能的要求。

（6）水稳定性强：抗水、抗腐蚀损害强，环保型高强稳定固化剂与基质土作用后形成憎水体，材料本身的抗水损害特点，保证了基础结构的整体抗水损性强的特点。

（7）基础沉降小：高强的后期强度，提高了基础整体承载力，均匀受力保证了建筑物的不均匀沉降小，使路面整体沉降量大幅减小。

三、固化剂混合料使用性能试验研究

（一）试验材料与方法

土壤固化剂采用环保型高强稳定土壤固化剂CGJ-1，土样材料（基质土）采用平谷门站及进出线工程场地的粉质细粒土，胶结材料选用水泥，各材料图示见图3。其中，固化剂混合料的制备是将4%～8%（胶结材料与固化剂混合料的质量比）的胶结材料和0.015%～0.025%（土壤固化剂与固化剂混合料的质量比）的土壤固化剂分别与选用土质混合。

图3 试验材料图示

1.环保型高强稳定土壤固化剂CGJ-1的性能

根据现行行业标准《土壤固化外加剂》(CJ/T486-2015) [5]测试环保型高强稳定土壤固化剂CGJ-1的相关技术指标，见表1。

2.基质土的性能

根据土工试验规程进行粉质细粒土的原材料试验，得到其相关技术指标，见表2。

（二）CGJ-1型固化剂混合料强度研究[6]

固化剂混合料的强度指标主要有无侧限抗压强度和间接抗拉强度（劈裂强度）等。由于地基基础是建筑结构中的主要承重层，若基础强度不满足规范和使用要求，将直接影响建筑物使用寿命，因此固化剂混合料的强度研究对建筑物耐久性具有重要意义。

1.无侧限抗压强度

无侧限抗压强度试验操作简便且能准确反应试件的强度，所以被广泛应用于室内试验研究。制备成型50mm*50mm的圆柱形试件，其压实度标准按97%；养生条件为标准养生条件，且养生期完成前最后1小时进行浸水处理；测得不同龄期和配比条件下试件的无侧限抗压强度，见表3。

表1 环保型高强稳定土壤固化剂CGJ-1的物理特征及性能

表2 粉质细粒土的物理性质

由表3可知：

（1）固化剂混合料在不同龄期下的无侧限抗压强度随着CGJ-1掺加量的增加而逐渐增大；当掺加量由0.015%变化至0.02%时，其无侧限抗压强度的增加幅度要远大于掺量由0.02%变化至0.025%时的增大幅度，且掺量变化区间为0.02%～0.025%时，固化土的无侧限抗压强度增加微小或小幅度减小，说明CGJ-1的最佳掺量应不大于0.02%。

（2）固化剂混合料在不同龄期下的无侧限抗压强度随着胶结料掺量的增加而不断变大，但当胶结料的掺量由6%到8%变化时，其增长幅度减小，考虑综合成本，推荐胶结料掺量不大于6%。

（3）综合数据分析，CGJ-1型水泥类固化剂混合料的无侧限抗压强度大于等于1.5MPa；且当水泥与土比值为6:94、CGJ-1含量≥0.02%时，水泥固化土的7d无侧限抗压强度可达2.8MPa以上，这在北方寒冷地区将延长有效工期。

表3 不同龄期和配比条件下固化剂混合料试件的无侧限抗压强度

（4）固化剂混合料的无侧限抗压强度均随着养护龄期的增长而不断增大，且其28d和90d的后期强度提高幅度更大。

2.劈裂强度

劈裂强度反映了固化剂混合料的抗拉裂性能。由前文所述对比试验，当胶结料含量为6%，环保型高强稳定土壤固化剂CGJ-1的含量为0.02%时，无论是从经济上，还是固化剂混合料的使用效果上，能达到最优配比的状态，故下文试验均按此配比进行相关研究。劈裂强度试验结果见表4。

表4 固化剂混合料试件的劈裂强度

由表4可知：

（1）相比于未掺加土壤固化剂的土质，掺加土壤固化剂土质的劈裂强度明显提高，固化效果得到显著改善。

（2） 在推荐配合比条件下，水泥类固化土的劈裂强度大于等于0.69MPa，可满足常规建筑物地基承载力要求。

（三）CGJ-1型固化土地基耐久性研究

耐久性研究主要包含水稳定性、冻稳定性及温度收缩性能。土壤固化剂的使用会增强固化土地基的强度、刚度和劈裂强度，但是土壤中存在不稳定性的亲水土颗粒可能影响固化剂混合料的耐久性。因此，在易受地表水和冰冻灾害的北方寒冷地区，若固化剂混合料的耐久性较差，造成不均匀性沉降，将影响建筑物的使用性能。

1.水稳定性

在夏季多雨季节，或者寒冷地区的冬天，固化剂混合料基础会长期处于潮湿有水环境，水分的长期存在将影响其耐久性，制备标准试件并进行标准化养生，测定不同配比条件下试件的水稳定性能，试验结果见表5。

由表5可知：

不同养护龄期下，掺加环保型高强稳定土壤固化剂CGJ-1能够显著改善固化剂混合料的水稳定性；随着养护龄期的增长，固化剂混合料的水稳定系数越来越大，即水稳定性越来越好，且养护后期水稳定系数的增长幅度大于前期增长幅度，说明固化剂混合料的后期水稳定性越来越好。

表5 固化剂混合料试件的水稳定性

表6 固化剂混合料试件的冻稳定性

表7 固化剂混合料与传统路面基层混合料试件的低温收缩性能

2.冻稳定性

对养护龄期为28d和90d的试件分别进行5次冻融循环，试验得不同配比下固化剂混合料的耐冻指数，见表6。

由表6可知：

（1）掺加环保型高强稳定土壤固化剂CGJ-1固化剂混合料的耐冻指数高于未掺加CGJ-1的固化剂混合料，说明CGJ-1有利于提高固化土的冻稳定性。

（2）相同冻融循环次数下，养护龄期越长，固化剂混合料的耐冻指数越大，说明固化剂混合料的后期冻稳定性越好；随着冻融循环次数的增加，试件开始发生松散和塌落现象，表明冻稳定性会随着冻融周期的变大而减弱，这里由于试件许多散落，未在数据上体现。

3.低温收缩性能

北方寒冷地区昼夜温差大，寒冷天气周期长，且不同地域的低温等级存在差异，除去评价固化剂混合料的冻稳定性，其低温收缩性能可以反映混合料在不同低温等级下的抗冻裂能力，对于固化剂混合料的适用性将产生积极意义。低温收缩性能研究试验结果见表7。

由表7可知：

（1）掺加CGJ-1的固化剂混合料，其低温收缩系数小于未掺加CGJ-1的固化剂混合料，即低温收缩量小，说明CGJ-1能够改善固化土的低温收缩性能。

（2）固化剂混合料的低温收缩系数随着温度的降低而逐渐变大，说明温度变化幅度越大，低温等级越高，混合料的收缩量越大，越不利于基础材料的稳定。

四、结论

通过对CGJ-1型固化剂混合料的路用性能开展研究，主要得到以下结论：

（1）环保型高强稳定土壤固化剂可显著提高固化土地基的抗压强度、劈裂强度及冻稳定性，对燃气厂站基础的适用性较好，且养护后期强度增幅越大，在北方寒冷地区将有利于延长有效工期。

（2）当胶结材料、土质与环保型高强稳定土壤固化剂的比值为6：94：0.02时，固化剂混合料所表现出的路用性能最优，且造价相对较低。

（3）综合造价和生态效果分析，环保型高强稳定土壤固化剂的经济和环境效益显著，具有良好的市场前景。