復合固化材料在松軟地面交通應急保障中的試驗研究

王廣政

(解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇 南京 210007)

復合固化材料在松軟地面交通應急保障中的試驗研究

王廣政

(解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇 南京 210007)

從交通應急保障的需求入手，在分析固化劑加固松軟土壤現狀的基礎上，詳細闡述了復合固化材料對松軟路面快速加固的機理，并通過試驗分析了固化材料快速加固軟土的特性。試驗結果表明，這種復合固化材料和固化手段在松軟地面快速加固的強度形成方面，能夠滿足交通應急保障的時效性要求。

環氧樹脂；松軟路面；快速固化；試驗

我國幅員遼闊，在未來特定環境下的災害救援和海上搶灘登陸等突發行動中，快速克服松軟地面保障交通暢通，是交通應急保障和滿足國防交通需求的重要內容和關鍵因素。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地段，是一種正在研究使其行之有效的工程技術手段。

1 固化劑加固松軟土壤的現狀分析

近年來，利用不同于水泥、石灰等常規材料的專用土壤固化劑進行土壤加固，已較為普遍。土壤固化劑是一種由多種無機、有機材料合成的新型節能環保工程材料，是眾多類型固化劑的一種?？筛鶕寥赖奈锢砘瘜W性質，對需要加固的土壤摻入一定量的固化劑，通過化學處理來改變土壤的組成和土體的工程性質，從而達到提高土質強度的目的。它具有技術指標優良、工程造價低、施工方便、縮短工期、利于環保等優點，因此得到了廣泛的應用[1]；但這些土壤固化劑和技術手段卻難以滿足交通保障時效性的要求。主要反映在以下方面：

(1)固化周期長，初期強度形成慢。常規土壤固化劑在軟土地基加固時，通過繁瑣的施工工序，如施工拌和、機械壓實等，程序繁多、固結時間長，一般至少需要7 d甚至幾個月以上的養生和固結時間，才能達到通行最基本的強度要求[2]。這對于時間緊迫的戰時應急交通保障是行不通的。

(2)需加入足量的骨料才能達到應有的力學指標要求。為滿足抗壓強度等力學特性的要求，利用土壤固化劑進行軟土地基加固時，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材料[2]。施工拌合程序和均勻度等因素都會嚴重影響土壤快速固化的時效性。而僅僅利用常規土壤固化劑直接摻入軟土中，一般其承載力達不到要求[2-3]。對于一些工程性質較差的松軟土壤，如淤泥質土、濕陷性黃土等不良土質，含水量大、塑性差、承載力低，常規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甚至更長時間才能達到應有的力學性能指標要求。

環氧樹脂固化劑作為一種高分子材料，具有固化速度快、固化后的土壤強度高、粘結力大，收縮性小及化學穩定性好等特點[3]，在道路橋梁工程等混凝土結構的維修加固中得到了廣泛的應用，但在土壤加固方面的研究則不甚廣泛。早在1970年代，美國等發達國家就已開展了關于環氧樹脂固化劑作為土壤穩定材料的相關研究，但研究成果較少；國內相關人士也開展了利用環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效性都有待商榷。因此，如何在加固松軟地面方面發揮環氧樹脂固化劑的優良性能實現松軟地面快速固化，對于更好地實施交通應急保障具有非常重要的現實意義。

2 復合固化材料快速加固松軟地面

2.1 機理分析

泥濘道路、海灘、淤泥等松軟地面最大的特點是含水量大、力學性能差。用固化材料快速加固松軟地面時，必須從除水和高強兩個方面考慮，以達到快速形成強度這個目的。研究表明[4]，影響環氧樹脂固化劑快速固化效果的關鍵因素之一是松軟地面中所含的水分。因此，要發揮環氧樹脂固化劑固化的高強、快速特性，應考慮如何解決松軟地面中的水分問題。

2.1.1 新型復合固化材料的組成

復合固化材料主要由兩種常規固化材料組成：一是俗稱為“路固特”的ISS離子土壤固化劑[3]。它是一種由多個強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生結合和固化。二是高滲透環氧樹脂固化材料，它是以環氧樹脂為主劑，配以稀釋劑、活性劑、交聯劑或促進劑等制成的一種高滲透、高強度、快速固化的環氧樹脂溶解液，主要用來在松軟土壤上快速形成高強度板體結構。

2.1.2 松軟地面的快速固化機理

高滲透環氧樹脂灌漿液固化時本身具有快速、高強特性，而用于加固濕軟土壤時，需要消除土壤水分對強度快速形成的影響。松軟地面的土壤一般處于潮濕狀態，直接澆注環氧樹脂灌漿液，會嚴重影響環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氧樹脂快速固化的影響，使之短時間內快速形成足夠的力學強度。

(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，能溶于水，在水中離解出帶正電荷的陽離子[X]n+和帶負電荷的陰離子[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、粘結力較強的鋁離子及其水合物。這樣，水分子就不再易與粘土顆粒結合，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，會產生排水效應，不輕易吸水，保持較為低水平的含水量[5]。

(2)利用環氧樹脂固化材料快速形成強度。環氧樹脂是一類含有苯酚、多聚甲醛、二乙烯三胺、硫脲等物質的高分子化合物，可快速滲透至松軟土壤表層，并與高性能交聯劑發生縮合反應，快速形成網狀立體聚合物，并將脫水后的表層土壤包絡網狀體之中，使松軟土壤快速板結，在其表層形成高強度的板體結構層。

2.2 室內試驗

2.2.1 試驗設計

采用對比試驗方式，進行新型復合固化材料固化松軟土壤抗壓強度試驗。其中，環氧樹脂灌漿液采用810型水下高滲環氧樹脂固化材料。試驗按ISS離子土壤固化劑、環氧樹脂灌漿液、土壤的三種不同配比設計成3組，每一組均做3批，每一批6個試件，每個試件按不同時間，依次進行無側限抗壓強度試驗,在每一批中將相同時間的試件作為平行對照,當單組內各批相同時間試件抗壓值誤差在允許范圍時,取每一組的平均值作為最終的試驗結果。試驗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的標準圓柱體試件。為防止環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，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間(本試驗設置為2 h)，然后再摻入預先配制好的高滲環氧樹脂固化材料，通過試模制作成不同組別的試件，放于常溫下觀察。試驗溫度為常溫20 ℃，從試件制作完成后，分別在不同時間進行無限抗壓強度試驗，分析強度形成規律。試驗步驟如圖1所示。

圖1 試件制作與無限抗壓強度試驗

2.2.2 試驗結果分析

復合固化材料固化土壤的無側限抗壓強度試驗結果如表1所示，時間與強度形成曲線如圖2所示。

從上述試驗數據可知：

(1)不論是上述哪種配合比，0.5 h之內，試樣強度較小，強度增加不明顯；0.5 h之后，隨著固化時間的增加，試樣強度逐漸上升，說明試件的初步凝結時間約為0.5 h；1 h時的最大抗壓強度達到了0.52 MPa，1.5 h時的最小抗壓強度達到了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 復合固化材料無側限抗壓強度試驗結果 MPa

圖2 試件固化時間—無側限抗壓強度關系

(2)不論是上述哪種配合比，混合料試件的抗壓強度都隨著時間的推移而有不同程度的提升；而且初期的強度變化較慢，時間越長，強度提升的速度越快。說明這種復合固化材料加固土壤時，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，環氧樹脂在固化劑的作用下快速固化，形成網狀立體聚合物，并將脫水后的土壤顆粒包絡網狀體之中。

(3)當固化劑與骨料配比增加時，試樣強度總體呈上升趨勢；同樣含量的骨料不變時，環氧樹脂固化材料配比增加時，試樣強度有所增加，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影響固化效果，但短期內影響效果不明顯。

由此可見，ISS離子固化劑單獨固化土壤時，初期進行離子交換，本身強度形成慢；而環氧樹脂固化劑則是在ISS離子固化劑促使土壤進行離子交換的基礎上，迅速發揮優勢，促使環氧樹脂在極短的時間內快速形成網狀立體聚合物，使混合料試件強度迅速增加。

3 結束語

本文所提出的新型復合材料快速加固松軟地面的方法，是在利用現代高性能固化劑優良特性的基礎上，進行有機組合配方，取長補短，使加固后的松軟地面能夠快速形成強度，提高其應急通過性，滿足交通應急保障和工程搶險時效性的要求。未來交通工程應急保障中，土壤類型繁多，含水量、土質等性質各異，固化配比不同，都會影響到固化強度的形成速度；施工的難易、所需時間、固化土體的穩定性等因素也會嚴重影響軟土固化的時效性。尋求最佳的固化方法和手段，是提高固化材料在交通應急保障中快速固化時效性的重要研究方向。

[1]樊恒輝，高建恩．土壤固化劑研究現狀與展望[J]．西北農林科技大學學報(自然科學版)，2006(2)：41-45

[2]李振峰．土壤固化劑無側限抗壓強度試驗研究[D]．長春：吉林工業大學，2007

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

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

[5]鄧天慶，王廣政．海灘泥沙快速固化技術應用研究[R]．徐州：工程兵指揮學院，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、橋梁工程設計、搶修搶建等方面的教學與科研工作。2218845853@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.008

TU472.5

A

1672-3953(2016)06-0031-03