BTS土壤固化劑的作用機(jī)理和工程應(yīng)用研究

張信貴 莫澤揚(yáng) 何本春,2 韓 偉 張懿丹 尹明軍

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004 ；2.廣西桂民投新材料科技有限公司，廣西 南寧 530221 ；3.廣西大學(xué)設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530004 ；4.廣西壯族自治區(qū)建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心，廣西 南寧 530004 ）

1 研究背景及現(xiàn)狀

近年來(lái)，廣西壯族自治區(qū)為加快了高速公路的建設(shè)，至2020年底，廣西壯族自治區(qū)的高速公路里程已經(jīng)超過(guò)8000 公里?，F(xiàn)階段高速公路中使用比較廣泛的半剛性基層材料是水泥穩(wěn)定碎石層（簡(jiǎn)稱水穩(wěn)層），相較于其它材料，水穩(wěn)層強(qiáng)度高、受力均勻、整體性好，而且施工工藝簡(jiǎn)單。伴隨著高速公路的發(fā)展建設(shè)，需要消耗大量的碎石材料，而該材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸和存放都會(huì)造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)，如何解決環(huán)保與發(fā)展的矛盾也是我們目前所面臨的一大難題[1,2]。

我國(guó)從八十年代開(kāi)始就從國(guó)外引入高性能土壤固化劑，在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上也取得了不錯(cuò)的效益[3]。目前，各種土壤固化劑已廣泛推廣于我國(guó)的建筑、水利、公路和鐵路等工程中。

土壤固化劑是一種可以快速而顯著地改變土壤的物理力學(xué)性能的工程材料，能減小顆粒間空隙，且壓實(shí)度高、收縮量小，并滿足工程需要的強(qiáng)度，不容易再次“泥化”。固化劑的主要作用是固化土壤，以土壤為原材料，取材方便、運(yùn)輸成本低，并具有良好的加固效果，在經(jīng)濟(jì)性和可行性兩方面都能有效替代水穩(wěn)層。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)各種土壤固化劑的研究已經(jīng)成果頗豐，我國(guó)地域廣闊，在公路建設(shè)上還有很大需求，但是對(duì)于使用固化劑固化土壤來(lái)代替水穩(wěn)層的研究和應(yīng)用還不多。因此，研究土壤固化劑在路面基層建設(shè)中對(duì)水穩(wěn)層的替代作用，具有很重要的推廣意義和經(jīng)驗(yàn)價(jià)值。

2 路面水泥穩(wěn)定碎石層的性能要求

在公路中，路面結(jié)構(gòu)層主要分為三層：面層、基層和底基層。水穩(wěn)層一般處于面層之下，并與基層接觸，主要作用是提高水穩(wěn)性能和分散面層荷載，因此針對(duì)不同等級(jí)的公路，規(guī)范上主要提出下面幾個(gè)要求[4]。

（1）足夠的強(qiáng)度和剛度：車(chē)輛荷載經(jīng)過(guò)面層傳遞至基層材料，會(huì)使材料產(chǎn)生變形，強(qiáng)度不夠?qū)е伦冃芜^(guò)大，會(huì)影響使用：剛度過(guò)大，會(huì)使路面開(kāi)裂。

（2）水穩(wěn)性：降雨和地下水造成公路積水，穩(wěn)定性不足會(huì)使路面泥濘變形。

（3）抗沖刷性：大量降雨或路面積水的情況下，路面結(jié)構(gòu)層都會(huì)被滲透，加上車(chē)輛荷載的作用，能產(chǎn)生很大的擠水效果，在水流作用下，與整體結(jié)構(gòu)層結(jié)合性較差的基層材料會(huì)被沖刷帶走，導(dǎo)致基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低直至破壞。

（4）足夠大的疲勞壽命：車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，路面材料易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和疲勞變形。所以需要有足夠的抗疲勞能力，以防止變形過(guò)大導(dǎo)致的路面破壞。

（5）良好的耐久性能：在冷熱交替和干濕變化的過(guò)程中，材料的強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，而作為基層材料，必須保證材料的強(qiáng)度符合要求。

水穩(wěn)層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成機(jī)制與其路用的性能有關(guān)。其內(nèi)部是一種非均質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，由固、氣、液三相組成?；旌喜牧系凝g期變化，也會(huì)導(dǎo)致材料的單元、孔隙、自由水含量變化，并通過(guò)物理化學(xué)作用，生成新的化合物，改變材料的宏觀力學(xué)性能，使材料的抗收縮能力和整體性增強(qiáng)等。

從三個(gè)方面分析水穩(wěn)層材料的強(qiáng)度形成：第一是材料中粗、細(xì)集料的配合比和宏觀構(gòu)造形式，主要體現(xiàn)在集料的排列方式和集料間的相互作用上；第二是材料中的水泥水化，在物理化學(xué)作用下生成各種膠結(jié)物，包括它們的分布形式：第三則是上述兩點(diǎn)間的相互作用和分布。

3 BTS 土壤固化劑對(duì)粘性土的加固機(jī)理

本文使用的BTS 土壤固化劑是一種石油磺化產(chǎn)品（Sulphonated Petroleum Products），在目前國(guó)內(nèi)外各種土壤固化劑的分類(lèi)中，它屬于離子型的固化劑，簡(jiǎn)稱SPP 類(lèi)土壤穩(wěn)定劑[5-7]。

BTS 土壤固化劑的基本特性和主要反應(yīng)有以下幾點(diǎn)：（1）是由多種高分子聚合物混合而成的化學(xué)物質(zhì)；(2)完全溶解于水；(3)是離子交換劑，由多種成分的穩(wěn)定劑和表面活性劑組成；(4)主要活性成分是高價(jià)離子交換混合硫化物；(5)分子結(jié)構(gòu)具有二元性：其中一端為憎水基，另一端為親水基；(6)通過(guò)離子交換，靠親水基的化學(xué)鍵吸附于土顆粒表面，置換土顆粒表面的吸附水，并從土壤排出；(7) 另一端的憎水基排斥水分子，使土壤從親水變成憎水，減少土體含水量，并形成永久性保護(hù)層；(8)碾壓作用下，土壤中的水分很容易被排出，使土壤的密實(shí)度增大; (9)利用化學(xué)反應(yīng)使土顆粒巖化，并能有效使土壤穩(wěn)定。

BTS 固化土壤是結(jié)合了物理和化學(xué)的固化方式，其活性成分主要是硫化油。硫化油混合物的存在使其能夠發(fā)揮永久作用，在粘土顆粒和固化劑之間產(chǎn)生長(zhǎng)效的粘結(jié)，保證粘性土長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)水土分離。其固化原理結(jié)合SPP 類(lèi)穩(wěn)定劑的特征分為以下幾個(gè)方面。

3.1 作為表面活性劑改善粘土-水界面的表面化學(xué)作用

表面活性劑是BTS 固化劑最重要的活性成分，能夠改變界面性質(zhì)、降低物質(zhì)的表面能量，形成吸附在土壤顆粒表面的分子集合體，并減少水的吸附。

3.2 粘土-水-穩(wěn)定劑溶液離子交換機(jī)制及雙電層理論

主要分為三點(diǎn)，一是按照雙電層理論，粘土顆粒表面的雙電層能和固化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)之后，電勢(shì)降低，雙電層變薄，土顆粒間的能壘也相應(yīng)變小，連結(jié)強(qiáng)度得到提高，起到了加固的作用；二是在電離作用和離子交換下破壞了層間水的結(jié)構(gòu)，讓粘土顆粒吸附水的能力變?nèi)酰苟嘤嗟乃兂闪擞坞x狀態(tài)的自由水，起到了排水的作用；三是改變了粘土顆粒的表面性質(zhì)，通過(guò)物理化學(xué)作用，使原本吸水的粘土顆粒吸附活性劑，產(chǎn)生憎水性，起到了穩(wěn)定的作用。

除此之外，還有一些輔助作用，比如輔助壓密和降低土壤吸水的表面張力等。

3.3 外部的物理壓密作用

借助外力反復(fù)壓實(shí)，使土塊重新排列，填實(shí)土顆粒間的空隙，減小相互距離。對(duì)于非飽和土，主要是壓密土壤間的孔隙，排出里面的空氣；對(duì)于飽和土的壓實(shí)，自由水會(huì)先排出，在土顆粒不斷靠近的過(guò)程中，表面的薄膜水相互接觸，在擠壓作用下，部分薄膜水變成自由水從土體周?chē)莩觥?/p>

用BTS 固化劑處理粘性土，在壓實(shí)前，部分薄膜水就會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)作用轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤⑶艺惩令w粒之間會(huì)因?yàn)楸砻嫘再|(zhì)的改變而產(chǎn)生吸引力。在壓實(shí)到一定程度后，便能夠能消除土壤在表面張力作用下的吸水能力，以及土壤間孔隙的毛細(xì)吸水作用，經(jīng)過(guò)處理后的土體便不容易再次吸水導(dǎo)致土壤強(qiáng)度下降。

4 BTS 土壤固化劑的工程應(yīng)用

從實(shí)際應(yīng)用的工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)看，BTS 土壤穩(wěn)定固化劑基層固化材料具有高密實(shí)度、高承載力、高穩(wěn)定性的特征，解決了目前施工材料中基層沉降、道路翻漿下陷及普遍存在的基層損壞、面層開(kāi)裂的傳統(tǒng)問(wèn)題。

4.1 廣西南寧市富庶鄉(xiāng)某公路

富庶至合志公路富庶鄉(xiāng)段是位于南寧市郊區(qū)的一條砂土路。2001年，由于車(chē)輛超載和缺乏養(yǎng)護(hù)的原因，該路路面出現(xiàn)大量坑槽，車(chē)輛難以繼續(xù)通行。為此，廣西南寧市交通局組織對(duì)該路進(jìn)行修復(fù)施工，使用K0+000～K3+000作為BTS 土壤固化劑在公路施工中應(yīng)用的試驗(yàn)路，K0+000～K3+000 則采用泥結(jié)河卵石材料進(jìn)行中修，兩端路進(jìn)行對(duì)比。

表4-1 南寧富庶鄉(xiāng)公路現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表可知：最大干密度從2.01 克/cm3增至2.19 克/cm3，增加 0.18 克/cm3，經(jīng)計(jì)算，干密度增加至109%；最佳含水量從15.0%減至9.9%，減少5.1%, 即含水量減少35%；

4.2 湖南長(zhǎng)沙市雙新公路

該路段位于長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)縣煤炭壩鎮(zhèn)境內(nèi)，原有路面為泥結(jié)砂石結(jié)構(gòu)，日流量在1000 次以上。

縣道新雙線（X092）K11+170～K11+300,試驗(yàn)用土主要性質(zhì)，試驗(yàn)路段取土場(chǎng)位于新雙線K10+050 處，土質(zhì)為砂性土，含砂61%，粘性土及其他成分39%，鋪筑試驗(yàn)路段以前老路平均彎沉102.7（1/100mm）。土壤的天然含水量12.7%，液限49.7%，塑限22.5%，塑性指數(shù)27.2，最大干密度1.95g/cm3，最佳含水量9.68%。實(shí)驗(yàn)用土的粒級(jí)分布為：粒徑小于0.5mm 的有11%；粒徑小于1mm 的有25.8%；粒徑小于2mm 的有30.9%；粒徑小于5mm 的有59.3%；粒徑小于10mm 的有77.2%；粒徑小于20mm 的有90.7%。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)先在原路用水車(chē)噴BTS 試劑兩遍，再在原路上鋪筑試驗(yàn)用土經(jīng)整平后用水車(chē)灑兩遍，人工翻拌四遍整平后在面層鋪設(shè)3～5cm 碎石層，振動(dòng)式壓路機(jī)靜壓一遍后開(kāi)振壓實(shí)6 遍以上，然后立即開(kāi)放交通。本次試驗(yàn)共鋪筑了130m，其中60 米為雙幅鋪筑，70m 為單負(fù)鋪設(shè)。

表4-2 長(zhǎng)沙新雙公路試驗(yàn)后不同天數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過(guò)BTS 固化劑在實(shí)際工程應(yīng)用得到的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比水穩(wěn)層的性能要求和固化劑的加固機(jī)理后分析得知，經(jīng)過(guò)BTS 固化劑固化后的土壤在路用性能上基本能達(dá)到水穩(wěn)層的作用效果。具體結(jié)論如下：

（1）BTS 固化劑能有效改變粉質(zhì)粘土的最優(yōu)含水量和最大干密度。

（2）BTS 固化劑涂抹在粉質(zhì)粘土面層，能夠起到一定的防水作用，即土壤含水量減少。

（3）使用BTS 固化劑噴灑經(jīng)過(guò)粘土整平的泥結(jié)砂石路面后，能使路面的壓實(shí)度提高。