環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑在燃?xì)鈭?chǎng)站地基處理中的應(yīng)用研究

文 / 張 晨 白震 曹延 蘇雨晨 蔡奪魁 汪林

一、引言

燃?xì)鈭?chǎng)站建、構(gòu)筑物的地基基礎(chǔ)處理和管線的基底處理是工程建設(shè)的重要組成部分，燃?xì)鈭?chǎng)站工程選址常位于郊區(qū)未完全開(kāi)發(fā)地段，其工程地質(zhì)條件和氣候水文條件比較復(fù)雜，確保工程質(zhì)量合格難度較大。不良土質(zhì)常采取換填方式處理，工程投資較高；嚴(yán)重不良土質(zhì)路段常采取樁基等復(fù)合地基處理方式，工程投資更將會(huì)大幅提升。同時(shí)，換填處理中需要直接和間接使用大量砂石材料，砂石材料的主要來(lái)源是炸山取石和挖河采砂，材料的開(kāi)采不僅毀壞植被，破壞生態(tài)環(huán)境，而且其加工、運(yùn)輸及存儲(chǔ)上也要消耗大量資源和能源，背離可持續(xù)發(fā)展理念。

目前，生態(tài)環(huán)境保護(hù)、綠色協(xié)調(diào)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的觀念已經(jīng)深入人心，全國(guó)范圍內(nèi)都逐漸意識(shí)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境和節(jié)約資源的重要性。國(guó)務(wù)院關(guān)于《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》[1]的通知也明確要求要持續(xù)加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，強(qiáng)化生態(tài)空間管控，推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，強(qiáng)化綠色科技創(chuàng)新引領(lǐng)，推動(dòng)區(qū)域綠色協(xié)調(diào)發(fā)展。北京地區(qū)安全文明、綠色環(huán)保施工要求逐年提升，重大社會(huì)活動(dòng)期間管理要求往往提升幾個(gè)等級(jí)，如果必須在特殊時(shí)期施工還需要支付高昂的技術(shù)措施費(fèi)。特別是近年來(lái)，由于城市總體規(guī)劃的管理要求，場(chǎng)站工程中某些管線路由常常定位于既有道路上，道路回填費(fèi)用就達(dá)到管線總投資的40%-50%。

近年來(lái)，土壤固化技術(shù)在工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)材料，利用土壤固化劑對(duì)就地取材的土壤進(jìn)行固化，固化土體的相對(duì)強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、耐久性等優(yōu)勢(shì)明顯。這將節(jié)約大量砂石材料，不僅減少砂石材料開(kāi)發(fā)及運(yùn)輸費(fèi)用，大大降低工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益顯著；而且炸山取石和挖河采砂的減少，將增大自然植被和河流的保護(hù)，自然環(huán)境的破壞程度大大降低，環(huán)境效益顯著；此外，這可減少傳統(tǒng)材料開(kāi)發(fā)、施工、運(yùn)輸過(guò)程中CO2等溫室氣體的排放量，進(jìn)一步改善生態(tài)環(huán)境，有利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。土壤固化技術(shù)的出現(xiàn)，將實(shí)現(xiàn)由依靠天然材料筑路向人工合成材料筑路的跨越，對(duì)綠色工程建設(shè)起到重要支持作用[2]。

燃?xì)鈭?chǎng)站工程中，土壤固化劑若作地基處理，可以替代樁基強(qiáng)夯功法及二灰碎石等傳統(tǒng)材料，可就地取材，施工工藝簡(jiǎn)單，同比可降低工程造價(jià)約15%～40%。但目前土壤固化技術(shù)在燃?xì)鈭?chǎng)站中的應(yīng)用較少，相關(guān)性能有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外土壤固化劑發(fā)展及應(yīng)用狀況研究的基礎(chǔ)上，選用一種環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑，采用理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)固化劑混合料的強(qiáng)度和耐久性開(kāi)展研究，多方面評(píng)價(jià)土壤固化劑在燃?xì)猱a(chǎn)站中的應(yīng)用效果，并實(shí)際應(yīng)用于平谷門(mén)站及進(jìn)出線工程，為其后續(xù)研究方向和實(shí)際工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

二、土壤固化劑固化機(jī)理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

土壤固化劑是一種由多種無(wú)機(jī)、有機(jī)材料合成的用以固化各類(lèi)土壤，以改善和提高土壤技術(shù)性能的新型節(jié)能環(huán)保工程材料。常用土壤固化劑從物理形態(tài)上看，可分為固態(tài)和液態(tài)共兩類(lèi)；從物質(zhì)組成成分上看，可分為有機(jī)類(lèi)、無(wú)機(jī)類(lèi)及有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合類(lèi)共三類(lèi)[3]。

（一）固化機(jī)理

土壤固化劑的固化機(jī)理通常可分為物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程及物理化學(xué)過(guò)程[4]。

物理過(guò)程指土壤被固化過(guò)程中，由于外力作用，導(dǎo)致土壤的結(jié)構(gòu)性破壞，經(jīng)再次壓實(shí)后，土壤顆粒之間的空隙減小，土壤密度變大，強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到提高；化學(xué)過(guò)程指利用土壤固化劑固化土壤時(shí)，無(wú)機(jī)類(lèi)固化劑吸收土壤水分，發(fā)生水化、水解反應(yīng)，有機(jī)類(lèi)固化劑發(fā)生聚合反應(yīng)等；物理化學(xué)過(guò)程指土壤顆粒與固化劑組成成分之間的物理、化學(xué)和物理化學(xué)三類(lèi)吸附過(guò)程。

本文所選用環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑對(duì)土體的作用過(guò)程屬于物理化學(xué)過(guò)程，既有物理吸附和纏繞，又有化學(xué)反應(yīng)，使土體形成穩(wěn)定的結(jié)晶—縮合結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1和圖2。通過(guò)中和土壤顆粒表面的電荷，減薄雙電層的厚度，進(jìn)一步加強(qiáng)土體混合料的物理和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，提高土質(zhì)固化效果。

（二）技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）環(huán)保節(jié)能：環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定固化劑無(wú)毒無(wú)污染，施工能耗低。

（2）造價(jià)低：環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定固化劑比水泥、石灰等無(wú)機(jī)結(jié)合料造價(jià)低，同時(shí)施工中不用大量外運(yùn)土方，節(jié)省運(yùn)輸成本，可同比降低造價(jià)約15%-40%。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化土細(xì)觀結(jié)構(gòu)

圖2 28天養(yǎng)護(hù)齡期，放大5000倍下固化土微觀結(jié)構(gòu)

（3）施工速度快：環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定固化劑整平、碾壓完成，養(yǎng)生后即可通車(chē)，施工周期短，降低社會(huì)影響，大幅減少工程建設(shè)綜合投資，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

（4）整體性強(qiáng)：環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定固化劑使土體固化后形成板體，可顯著提高基質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量及凍穩(wěn)定性。在荷載作用下，板體整體受力，將上部荷載均勻地傳遞至工程基礎(chǔ)，有效地提高基礎(chǔ)承載能力，延長(zhǎng)使用壽命。

（5）抗凍融性強(qiáng)：抗凍性能較好，可滿足北方地區(qū)對(duì)抗凍性能的要求。

（6）水穩(wěn)定性強(qiáng)：抗水、抗腐蝕損害強(qiáng)，環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定固化劑與基質(zhì)土作用后形成憎水體，材料本身的抗水損害特點(diǎn)，保證了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體抗水損性強(qiáng)的特點(diǎn)。

（7）基礎(chǔ)沉降?。焊邚?qiáng)的后期強(qiáng)度，提高了基礎(chǔ)整體承載力，均勻受力保證了建筑物的不均勻沉降小，使路面整體沉降量大幅減小。

三、固化劑混合料使用性能試驗(yàn)研究

（一）試驗(yàn)材料與方法

土壤固化劑采用環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1，土樣材料（基質(zhì)土）采用平谷門(mén)站及進(jìn)出線工程場(chǎng)地的粉質(zhì)細(xì)粒土，膠結(jié)材料選用水泥，各材料圖示見(jiàn)圖3。其中，固化劑混合料的制備是將4%～8%（膠結(jié)材料與固化劑混合料的質(zhì)量比）的膠結(jié)材料和0.015%～0.025%（土壤固化劑與固化劑混合料的質(zhì)量比）的土壤固化劑分別與選用土質(zhì)混合。

圖3 試驗(yàn)材料圖示

1.環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1的性能

根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤固化外加劑》(CJ/T486-2015) [5]測(cè)試環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

2.基質(zhì)土的性能

根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行粉質(zhì)細(xì)粒土的原材料試驗(yàn)，得到其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表2。

（二）CGJ-1型固化劑混合料強(qiáng)度研究[6]

固化劑混合料的強(qiáng)度指標(biāo)主要有無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度（劈裂強(qiáng)度）等。由于地基基礎(chǔ)是建筑結(jié)構(gòu)中的主要承重層，若基礎(chǔ)強(qiáng)度不滿足規(guī)范和使用要求，將直接影響建筑物使用壽命，因此固化劑混合料的強(qiáng)度研究對(duì)建筑物耐久性具有重要意義。

1.無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便且能準(zhǔn)確反應(yīng)試件的強(qiáng)度，所以被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)試驗(yàn)研究。制備成型50mm*50mm的圓柱形試件，其壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)按97%；養(yǎng)生條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件，且養(yǎng)生期完成前最后1小時(shí)進(jìn)行浸水處理；測(cè)得不同齡期和配比條件下試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表3。

表1 環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1的物理特征及性能

表2 粉質(zhì)細(xì)粒土的物理性質(zhì)

由表3可知：

（1）固化劑混合料在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著CGJ-1摻加量的增加而逐漸增大；當(dāng)摻加量由0.015%變化至0.02%時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加幅度要遠(yuǎn)大于摻量由0.02%變化至0.025%時(shí)的增大幅度，且摻量變化區(qū)間為0.02%～0.025%時(shí)，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加微小或小幅度減小，說(shuō)明CGJ-1的最佳摻量應(yīng)不大于0.02%。

（2）固化劑混合料在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著膠結(jié)料摻量的增加而不斷變大，但當(dāng)膠結(jié)料的摻量由6%到8%變化時(shí)，其增長(zhǎng)幅度減小，考慮綜合成本，推薦膠結(jié)料摻量不大于6%。

（3）綜合數(shù)據(jù)分析，CGJ-1型水泥類(lèi)固化劑混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于等于1.5MPa；且當(dāng)水泥與土比值為6:94、CGJ-1含量≥0.02%時(shí)，水泥固化土的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.8MPa以上，這在北方寒冷地區(qū)將延長(zhǎng)有效工期。

表3 不同齡期和配比條件下固化劑混合料試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

（4）固化劑混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而不斷增大，且其28d和90d的后期強(qiáng)度提高幅度更大。

2.劈裂強(qiáng)度

劈裂強(qiáng)度反映了固化劑混合料的抗拉裂性能。由前文所述對(duì)比試驗(yàn)，當(dāng)膠結(jié)料含量為6%，環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1的含量為0.02%時(shí)，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)上，還是固化劑混合料的使用效果上，能達(dá)到最優(yōu)配比的狀態(tài)，故下文試驗(yàn)均按此配比進(jìn)行相關(guān)研究。劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 固化劑混合料試件的劈裂強(qiáng)度

由表4可知：

（1）相比于未摻加土壤固化劑的土質(zhì)，摻加土壤固化劑土質(zhì)的劈裂強(qiáng)度明顯提高，固化效果得到顯著改善。

（2） 在推薦配合比條件下，水泥類(lèi)固化土的劈裂強(qiáng)度大于等于0.69MPa，可滿足常規(guī)建筑物地基承載力要求。

（三）CGJ-1型固化土地基耐久性研究

耐久性研究主要包含水穩(wěn)定性、凍穩(wěn)定性及溫度收縮性能。土壤固化劑的使用會(huì)增強(qiáng)固化土地基的強(qiáng)度、剛度和劈裂強(qiáng)度，但是土壤中存在不穩(wěn)定性的親水土顆?？赡苡绊懝袒瘎┗旌狭系哪途眯?。因此，在易受地表水和冰凍災(zāi)害的北方寒冷地區(qū)，若固化劑混合料的耐久性較差，造成不均勻性沉降，將影響建筑物的使用性能。

1.水穩(wěn)定性

在夏季多雨季節(jié)，或者寒冷地區(qū)的冬天，固化劑混合料基礎(chǔ)會(huì)長(zhǎng)期處于潮濕有水環(huán)境，水分的長(zhǎng)期存在將影響其耐久性，制備標(biāo)準(zhǔn)試件并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)生，測(cè)定不同配比條件下試件的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知：

不同養(yǎng)護(hù)齡期下，摻加環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1能夠顯著改善固化劑混合料的水穩(wěn)定性；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，固化劑混合料的水穩(wěn)定系數(shù)越來(lái)越大，即水穩(wěn)定性越來(lái)越好，且養(yǎng)護(hù)后期水穩(wěn)定系數(shù)的增長(zhǎng)幅度大于前期增長(zhǎng)幅度，說(shuō)明固化劑混合料的后期水穩(wěn)定性越來(lái)越好。

表5 固化劑混合料試件的水穩(wěn)定性

表6 固化劑混合料試件的凍穩(wěn)定性

表7 固化劑混合料與傳統(tǒng)路面基層混合料試件的低溫收縮性能

2.凍穩(wěn)定性

對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為28d和90d的試件分別進(jìn)行5次凍融循環(huán)，試驗(yàn)得不同配比下固化劑混合料的耐凍指數(shù)，見(jiàn)表6。

由表6可知：

（1）摻加環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1固化劑混合料的耐凍指數(shù)高于未摻加CGJ-1的固化劑混合料，說(shuō)明CGJ-1有利于提高固化土的凍穩(wěn)定性。

（2）相同凍融循環(huán)次數(shù)下，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，固化劑混合料的耐凍指數(shù)越大，說(shuō)明固化劑混合料的后期凍穩(wěn)定性越好；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件開(kāi)始發(fā)生松散和塌落現(xiàn)象，表明凍穩(wěn)定性會(huì)隨著凍融周期的變大而減弱，這里由于試件許多散落，未在數(shù)據(jù)上體現(xiàn)。

3.低溫收縮性能

北方寒冷地區(qū)晝夜溫差大，寒冷天氣周期長(zhǎng)，且不同地域的低溫等級(jí)存在差異，除去評(píng)價(jià)固化劑混合料的凍穩(wěn)定性，其低溫收縮性能可以反映混合料在不同低溫等級(jí)下的抗凍裂能力，對(duì)于固化劑混合料的適用性將產(chǎn)生積極意義。低溫收縮性能研究試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知：

（1）摻加CGJ-1的固化劑混合料，其低溫收縮系數(shù)小于未摻加CGJ-1的固化劑混合料，即低溫收縮量小，說(shuō)明CGJ-1能夠改善固化土的低溫收縮性能。

（2）固化劑混合料的低溫收縮系數(shù)隨著溫度的降低而逐漸變大，說(shuō)明溫度變化幅度越大，低溫等級(jí)越高，混合料的收縮量越大，越不利于基礎(chǔ)材料的穩(wěn)定。

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)CGJ-1型固化劑混合料的路用性能開(kāi)展研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑可顯著提高固化土地基的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及凍穩(wěn)定性，對(duì)燃?xì)鈴S站基礎(chǔ)的適用性較好，且養(yǎng)護(hù)后期強(qiáng)度增幅越大，在北方寒冷地區(qū)將有利于延長(zhǎng)有效工期。

（2）當(dāng)膠結(jié)材料、土質(zhì)與環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑的比值為6：94：0.02時(shí)，固化劑混合料所表現(xiàn)出的路用性能最優(yōu)，且造價(jià)相對(duì)較低。

（3）綜合造價(jià)和生態(tài)效果分析，環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著，具有良好的市場(chǎng)前景。