復(fù)合固化材料在松軟地面交通應(yīng)急保障中的試驗(yàn)研究

王廣政

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

復(fù)合固化材料在松軟地面交通應(yīng)急保障中的試驗(yàn)研究

王廣政

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

從交通應(yīng)急保障的需求入手，在分析固化劑加固松軟土壤現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了復(fù)合固化材料對松軟路面快速加固的機(jī)理，并通過試驗(yàn)分析了固化材料快速加固軟土的特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種復(fù)合固化材料和固化手段在松軟地面快速加固的強(qiáng)度形成方面，能夠滿足交通應(yīng)急保障的時(shí)效性要求。

環(huán)氧樹脂；松軟路面；快速固化；試驗(yàn)

我國幅員遼闊，在未來特定環(huán)境下的災(zāi)害救援和海上搶灘登陸等突發(fā)行動(dòng)中，快速克服松軟地面保障交通暢通，是交通應(yīng)急保障和滿足國防交通需求的重要內(nèi)容和關(guān)鍵因素。而利用固化劑快速加固交通路線上的泥濘道路、松軟海灘等不良地質(zhì)地段，是一種正在研究使其行之有效的工程技術(shù)手段。

1 固化劑加固松軟土壤的現(xiàn)狀分析

近年來，利用不同于水泥、石灰等常規(guī)材料的專用土壤固化劑進(jìn)行土壤加固，已較為普遍。土壤固化劑是一種由多種無機(jī)、有機(jī)材料合成的新型節(jié)能環(huán)保工程材料，是眾多類型固化劑的一種。可根據(jù)土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，對需要加固的土壤摻入一定量的固化劑，通過化學(xué)處理來改變土壤的組成和土體的工程性質(zhì)，從而達(dá)到提高土質(zhì)強(qiáng)度的目的。它具有技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良、工程造價(jià)低、施工方便、縮短工期、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1]；但這些土壤固化劑和技術(shù)手段卻難以滿足交通保障時(shí)效性的要求。主要反映在以下方面：

(1)固化周期長，初期強(qiáng)度形成慢。常規(guī)土壤固化劑在軟土地基加固時(shí)，通過繁瑣的施工工序，如施工拌和、機(jī)械壓實(shí)等，程序繁多、固結(jié)時(shí)間長，一般至少需要7 d甚至幾個(gè)月以上的養(yǎng)生和固結(jié)時(shí)間，才能達(dá)到通行最基本的強(qiáng)度要求[2]。這對于時(shí)間緊迫的戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急交通保障是行不通的。

(2)需加入足量的骨料才能達(dá)到應(yīng)有的力學(xué)指標(biāo)要求。為滿足抗壓強(qiáng)度等力學(xué)特性的要求，利用土壤固化劑進(jìn)行軟土地基加固時(shí)，往往要加入一定量的碎石、礦渣等骨料，甚至還要加入水泥或石灰等常規(guī)材料[2]。施工拌合程序和均勻度等因素都會(huì)嚴(yán)重影響土壤快速固化的時(shí)效性。而僅僅利用常規(guī)土壤固化劑直接摻入軟土中，一般其承載力達(dá)不到要求[2-3]。對于一些工程性質(zhì)較差的松軟土壤，如淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土等不良土質(zhì)，含水量大、塑性差、承載力低，常規(guī)土壤固化劑對這類土壤的固化效果較差，即使加入少量水泥或石灰，也需要30 d甚至更長時(shí)間才能達(dá)到應(yīng)有的力學(xué)性能指標(biāo)要求。

環(huán)氧樹脂固化劑作為一種高分子材料，具有固化速度快、固化后的土壤強(qiáng)度高、粘結(jié)力大，收縮性小及化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[3]，在道路橋梁工程等混凝土結(jié)構(gòu)的維修加固中得到了廣泛的應(yīng)用，但在土壤加固方面的研究則不甚廣泛。早在1970年代，美國等發(fā)達(dá)國家就已開展了關(guān)于環(huán)氧樹脂固化劑作為土壤穩(wěn)定材料的相關(guān)研究，但研究成果較少；國內(nèi)相關(guān)人士也開展了利用環(huán)氧樹脂固化劑快速加固海灘淤泥的研究[4]，但也僅限于初步的探索階段，其快速固化效果和時(shí)效性都有待商榷。因此，如何在加固松軟地面方面發(fā)揮環(huán)氧樹脂固化劑的優(yōu)良性能實(shí)現(xiàn)松軟地面快速固化，對于更好地實(shí)施交通應(yīng)急保障具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 復(fù)合固化材料快速加固松軟地面

2.1 機(jī)理分析

泥濘道路、海灘、淤泥等松軟地面最大的特點(diǎn)是含水量大、力學(xué)性能差。用固化材料快速加固松軟地面時(shí)，必須從除水和高強(qiáng)兩個(gè)方面考慮，以達(dá)到快速形成強(qiáng)度這個(gè)目的。研究表明[4]，影響環(huán)氧樹脂固化劑快速固化效果的關(guān)鍵因素之一是松軟地面中所含的水分。因此，要發(fā)揮環(huán)氧樹脂固化劑固化的高強(qiáng)、快速特性，應(yīng)考慮如何解決松軟地面中的水分問題。

2.1.1 新型復(fù)合固化材料的組成

復(fù)合固化材料主要由兩種常規(guī)固化材料組成：一是俗稱為“路固特”的ISS離子土壤固化劑[3]。它是一種由多個(gè)強(qiáng)離子組合而成的水溶劑，依靠ISS“親水頭”與粘土顆粒表面所形成的化學(xué)鏈，主要用來排除松軟土壤礦物中的水分，并使ISS與土壤的顆粒之間產(chǎn)生結(jié)合和固化。二是高滲透環(huán)氧樹脂固化材料，它是以環(huán)氧樹脂為主劑，配以稀釋劑、活性劑、交聯(lián)劑或促進(jìn)劑等制成的一種高滲透、高強(qiáng)度、快速固化的環(huán)氧樹脂溶解液，主要用來在松軟土壤上快速形成高強(qiáng)度板體結(jié)構(gòu)。

2.1.2 松軟地面的快速固化機(jī)理

高滲透環(huán)氧樹脂灌漿液固化時(shí)本身具有快速、高強(qiáng)特性，而用于加固濕軟土壤時(shí)，需要消除土壤水分對強(qiáng)度快速形成的影響。松軟地面的土壤一般處于潮濕狀態(tài)，直接澆注環(huán)氧樹脂灌漿液，會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)氧樹脂層的固化速度和效果。而加入ISS離子土壤固化劑后，可以間接排除水分對環(huán)氧樹脂快速固化的影響，使之短時(shí)間內(nèi)快速形成足夠的力學(xué)強(qiáng)度。

(1)利用ISS溶液改變土壤的吸水性。ISS是一種磺化油樹脂電解質(zhì)，能溶于水，在水中離解出帶正電荷的陽離子[X]n+和帶負(fù)電荷的陰離子[Y]n-，陽離子與土壤膠體表面的陽離子[M]n+產(chǎn)生交換作用，將這些原本吸附在土壤顆粒表面、親水性極高的陽離子趕走，代之以親水性較低、粘結(jié)力較強(qiáng)的鋁離子及其水合物。這樣，水分子就不再易與粘土顆粒結(jié)合，從而容易被排出，最終使土壤含水量減小，且土壤再度遇水后，會(huì)產(chǎn)生排水效應(yīng)，不輕易吸水，保持較為低水平的含水量[5]。

(2)利用環(huán)氧樹脂固化材料快速形成強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂是一類含有苯酚、多聚甲醛、二乙烯三胺、硫脲等物質(zhì)的高分子化合物，可快速滲透至松軟土壤表層，并與高性能交聯(lián)劑發(fā)生縮合反應(yīng)，快速形成網(wǎng)狀立體聚合物，并將脫水后的表層土壤包絡(luò)網(wǎng)狀體之中，使松軟土壤快速板結(jié)，在其表層形成高強(qiáng)度的板體結(jié)構(gòu)層。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用對比試驗(yàn)方式，進(jìn)行新型復(fù)合固化材料固化松軟土壤抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。其中，環(huán)氧樹脂灌漿液采用810型水下高滲環(huán)氧樹脂固化材料。試驗(yàn)按ISS離子土壤固化劑、環(huán)氧樹脂灌漿液、土壤的三種不同配比設(shè)計(jì)成3組，每一組均做3批，每一批6個(gè)試件，每個(gè)試件按不同時(shí)間，依次進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),在每一批中將相同時(shí)間的試件作為平行對照,當(dāng)單組內(nèi)各批相同時(shí)間試件抗壓值誤差在允許范圍時(shí),取每一組的平均值作為最終的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)用土取自廈門水域的海沙，天然含水量約25%。

試件采用?50 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。為防止環(huán)氧樹脂固化材料固化速度過快而使ISS離子土壤固化劑來不及起作用，試件制作時(shí)，首先將ISS溶液與制備好的土樣按照三種不同配比充分混合，并在常溫下靜置一段時(shí)間(本試驗(yàn)設(shè)置為2 h)，然后再摻入預(yù)先配制好的高滲環(huán)氧樹脂固化材料，通過試模制作成不同組別的試件，放于常溫下觀察。試驗(yàn)溫度為常溫20 ℃，從試件制作完成后，分別在不同時(shí)間進(jìn)行無限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析強(qiáng)度形成規(guī)律。試驗(yàn)步驟如圖1所示。

圖1 試件制作與無限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

復(fù)合固化材料固化土壤的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，時(shí)間與強(qiáng)度形成曲線如圖2所示。

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

(1)不論是上述哪種配合比，0.5 h之內(nèi)，試樣強(qiáng)度較小，強(qiáng)度增加不明顯；0.5 h之后，隨著固化時(shí)間的增加，試樣強(qiáng)度逐漸上升，說明試件的初步凝結(jié)時(shí)間約為0.5 h；1 h時(shí)的最大抗壓強(qiáng)度達(dá)到了0.52 MPa，1.5 h時(shí)的最小抗壓強(qiáng)度達(dá)到了0.8 MPa，能夠滿足通用車輛荷載的最低通行要求(一般為0.4～0.7 MPa)。

表1 復(fù)合固化材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

圖2 試件固化時(shí)間—無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

(2)不論是上述哪種配合比，混合料試件的抗壓強(qiáng)度都隨著時(shí)間的推移而有不同程度的提升；而且初期的強(qiáng)度變化較慢，時(shí)間越長，強(qiáng)度提升的速度越快。說明這種復(fù)合固化材料加固土壤時(shí)，固化初期是ISS溶液改變土壤水分的階段；后期土壤水分逐漸排出，環(huán)氧樹脂在固化劑的作用下快速固化，形成網(wǎng)狀立體聚合物，并將脫水后的土壤顆粒包絡(luò)網(wǎng)狀體之中。

(3)當(dāng)固化劑與骨料配比增加時(shí)，試樣強(qiáng)度總體呈上升趨勢；同樣含量的骨料不變時(shí)，環(huán)氧樹脂固化材料配比增加時(shí)，試樣強(qiáng)度有所增加，但固化前期增加不明顯。這說明固化劑的含量直接影響固化效果，含量越大，固化效果越好；兩種固化材料配比大小也會(huì)影響固化效果，但短期內(nèi)影響效果不明顯。

由此可見，ISS離子固化劑單獨(dú)固化土壤時(shí)，初期進(jìn)行離子交換，本身強(qiáng)度形成慢；而環(huán)氧樹脂固化劑則是在ISS離子固化劑促使土壤進(jìn)行離子交換的基礎(chǔ)上，迅速發(fā)揮優(yōu)勢，促使環(huán)氧樹脂在極短的時(shí)間內(nèi)快速形成網(wǎng)狀立體聚合物，使混合料試件強(qiáng)度迅速增加。

3 結(jié)束語

本文所提出的新型復(fù)合材料快速加固松軟地面的方法，是在利用現(xiàn)代高性能固化劑優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有機(jī)組合配方，取長補(bǔ)短，使加固后的松軟地面能夠快速形成強(qiáng)度，提高其應(yīng)急通過性，滿足交通應(yīng)急保障和工程搶險(xiǎn)時(shí)效性的要求。未來交通工程應(yīng)急保障中，土壤類型繁多，含水量、土質(zhì)等性質(zhì)各異，固化配比不同，都會(huì)影響到固化強(qiáng)度的形成速度；施工的難易、所需時(shí)間、固化土體的穩(wěn)定性等因素也會(huì)嚴(yán)重影響軟土固化的時(shí)效性。尋求最佳的固化方法和手段，是提高固化材料在交通應(yīng)急保障中快速固化時(shí)效性的重要研究方向。

[1]樊恒輝，高建恩．土壤固化劑研究現(xiàn)狀與展望[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(2)：41-45

[2]李振峰．土壤固化劑無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[D]．長春：吉林工業(yè)大學(xué)，2007

[3]聶錫銘，安運(yùn)成，王光增，等．環(huán)氧樹脂低溫快速固化劑的合成及性能研究[J]．工程塑料應(yīng)用，2011(8)：21-23

[4]徐 艷．濱海淤泥快速固化研究[D]．武漢：中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2007

[5]鄧天慶，王廣政．海灘泥沙快速固化技術(shù)應(yīng)用研究[R]．徐州：工程兵指揮學(xué)院，2005

An Experimental Study of the Application of the Composite Hardening Material to the Traffic Emergency Support on the Weak Ground

WANG Guangzheng

(College of Field Engineering，Univ. of Sci. & Tech.,the PLA,Nanjing 210007,China)

For the sake of meeting the requirements in traffic emergency support, and upon the basis of analyzing the present situation of applying the hardening agents to consolidating weak soil,the mechanism of the composite hardening agents in quickly consolidating the weak ground is dealt with in detail in the paper, with the properties of the hardening agents in quickly hardening the weak ground analyzed by tests.The results of our research show that this kind of composite hardening material and measure can meet the timeliness requirements in traffic emergency support in quick consolidating strength.

epoxy resin;weak ground;quick hardening;experiment

2016-08-22

王廣政(1972—)，男，講師，主要從事道路、橋梁工程設(shè)計(jì)、搶修搶建等方面的教學(xué)與科研工作。2218845853@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.008

TU472.5

A

1672-3953(2016)06-0031-03