硅酸鹽土壤固化劑配方研究及生產(chǎn)實現(xiàn)探討

張海彬，陳俠，郝維維，李勇

（勝利油田營海實業(yè)集團有限公司，山東 東營 257000）

硅酸鹽土壤固化劑配方研究及生產(chǎn)實現(xiàn)探討

張海彬，陳俠，郝維維，李勇

（勝利油田營海實業(yè)集團有限公司，山東 東營 257000）

按照我國路基施工規(guī)范要求，在基層施工材料選擇中多以石灰、粉煤灰等作為混合固化材料，也有使用水泥直接作為固化材料的情況，但單純使用上述材料進行施工，無論從施工質(zhì)量還是施工成本來說都有明顯的缺陷。本文討論以復(fù)合硅酸物作為基材的粉體固化劑，其生產(chǎn)及應(yīng)用會大大豐富施工材料的選擇，同時利用簡單材料實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，獲得較高的利潤附加值。研究探討中主要是針對粉體固化劑在與土壤結(jié)合后結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性展開，確定其生產(chǎn)配料方向的同時，結(jié)合其特點提出生產(chǎn)實現(xiàn)的方案，最后綜合評價其生產(chǎn)、應(yīng)用、質(zhì)量、效益等優(yōu)缺點，提出改進方向。

硅酸鹽土壤固化劑；無側(cè)限抗壓強度；最佳含水率；最大密度

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也越來越多，而基礎(chǔ)工程建設(shè)需要大量的自然資源，炸山碎石、挖河采沙，不僅破壞了自然環(huán)境，而且原有的砂石材料已經(jīng)難以滿足日益增長的工程建設(shè)需求，這造成了嚴(yán)重的自然環(huán)境破壞，資源大量投入且浪費嚴(yán)重，生態(tài)不斷遭受嚴(yán)重破壞，社會生存環(huán)境質(zhì)量下降。如果能在工程建設(shè)中直接取用地球上最經(jīng)濟、來源最廣泛的土壤來代替砂石料，就可以大大節(jié)省砂石的用量，保證國家工程建設(shè)的發(fā)展需要。土壤固化劑就是這樣一種可以快速而顯著地改變土壤的物理力學(xué)性能，使之具有工程特性的相對強度高、收縮量小、顆粒間孔隙減小的工程材料。由于固化劑固土是利用土壤作為主要建筑材料，而且土的開采和加工都比較容易，且就地取材不需要長途運輸，因而采用土壤固化劑加固土在技術(shù)上和經(jīng)濟上都具有重要的意義。概括來說，土壤固化劑的使用目的是為了改善土的變形和強度，從而使得本來不符合工程建設(shè)需求的土壤，改良成符合要求的工程材料。尤其東營地區(qū)是廣闊的黃泛區(qū)及退海之地，原地基土層含水含鹽量高，路基清淤后用水泥基固化土處理，使有害物質(zhì)的污泥微粒包覆逐漸硬化，減少有害物質(zhì)的浸出，因此開發(fā)適合本地區(qū)應(yīng)用的固化土替代石灰等三合土有一定的試驗研究意義。土壤固化劑按照 CJ/T 3073—1998《土壤固化 劑》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分，分為液體和粉體兩種，這里探討的是粉體固化劑，同時有別于通常的水泥基粉體固化劑，是以硅酸鹽復(fù)合材料作為基材的粉體固化劑。

1 土壤固化劑的固化機理

土壤固化劑對土壤的固化效果既有物理吸附和纏繞又有化學(xué)反應(yīng)，它對混合土壤產(chǎn)生的固化效果很有效。土壤固化劑加入到土壤中，固化機理主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）土壤固化劑中的硅酸鹽礦物與有晶格缺陷的粘土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時水泥中的礦物自身的水化反應(yīng)也生成了新的礦物。這些新礦物依附在原晶體表面上生長，吸收原晶體的成份，形成共用邊界，共用邊界逐漸增多并形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。

（2）在土壤水分的作用下，土壤固化劑中的硅酸物質(zhì)水化生成的膠體物質(zhì)吸附粘土礦物的表面和填充在網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

（3）在土壤固化劑中在硅酸物質(zhì)的共同作用下，化學(xué)反應(yīng)生成的新礦物具有較好的穩(wěn)定性，混合土能夠形成較致密的、水穩(wěn)的、較高強度的和較穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。

（4）摻水泥的混合土生成了鈣礬石，在膠粒間以輻射狀成長，致使宏觀體積不斷膨脹，在土體內(nèi)部產(chǎn)生較大自應(yīng)力，從而可以起到補償收縮、防止開裂的作用。

（5）土壤固化劑中，石灰由于其與土壤形成顆粒組合同時生石灰在與水反應(yīng)過程中由碳酸鈣不斷向氫氧化鈣過渡，形成較好的鏈接，使土壤韌性增加，提升了工程面的抗折效果。

（6）粉煤灰在固體固化劑中主要起到顆粒填充、增加流動性、吸水抗潮的作用。

（7）水泥在土壤固化反應(yīng)中由于硅酸物質(zhì)的作用對早期強度貢獻最大，增加了土壤固化后的早期抗水性能，同時對土壤固化后的抗壓強度、穩(wěn)定性能作用也最大。

（8）礦粉與脫硫石膏相互作用，對礦粉中鈣鋁黃長石和硅酸二鈣的水化速度可以有效控制，形成有效的緩釋鏈接，使得固化土壤長期保持水化能力，后期強度持續(xù)增強。同時脫硫石膏由于本身的物理韌性，對土壤固化的抗折能力提升也是有好處的。

2 試驗內(nèi)容及步驟

2.1 試驗用原材料

（1）P·O42.5 級水泥，45 微米細度 10.5%，比表面積 380m2/kg，3d 抗壓強度 25.0MPa，28d 抗壓強度55.0MPa，氧化鈣 50.50%，三氧化硫 2.00%，氯離子0.047%，堿含量 0.55%，pH 值 13.0。

（2）S95 級礦渣微粉，45 微米細度 2.5%，比表面積 400m2/kg，7 天活性 76.0%，28 天活性 97.0%，氧化鈣 38.50%，三氧化硫 0.38%，氯離子 0.017%，pH 值8.0。

（3）粉狀生石灰，有效鈣 68.42%，消化溫度 84度（480s），45 微米細度 14%。

（4）F 類粉煤灰，45 微米細度 28%，燒失量6.5%，需水量比 105%，三氧化硫 0.78%。

（5）脫硫石膏，干基 45 微米細度 1.9%，三氧化硫 42.50%，含水率 20%。

（6）當(dāng)?shù)厥┕ね寥溃看笥?14.7%、液限 WL值為 50.0、塑性指數(shù) IP值為 9.0。

2.2 試驗設(shè)計

（1）土壤固化劑加固土壤結(jié)構(gòu)的具體目的主要分為三個方面：一是提高土壤的力學(xué)強度，包括抗壓強度、抗拉強度等；二是實現(xiàn)適宜的剛度；三是達到較高的穩(wěn)定性，包括水穩(wěn)定性和干縮穩(wěn)定性等。

（2）基于營海集團特有的生產(chǎn)材料，從這些材料的基本性能出發(fā)，復(fù)合形成粉體固化劑，研究此類固化劑與土壤固化反應(yīng)后各種力學(xué)性能。

（3）基礎(chǔ)配比的設(shè)計，主要以熟料、水泥、粉煤灰、礦粉、石灰為材料，基礎(chǔ)配比設(shè)計詳見表 1。

表 1 基礎(chǔ)配合比 %

（4）設(shè)計指標(biāo)必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求（附：規(guī)范規(guī)定路基的 7 天無側(cè)限抗壓強度要求）詳見表 2。

表 2 7d 無側(cè)限抗壓強度要求

3 試驗步驟及數(shù)據(jù)匯總

3.1 第一階段試驗

（1）進行兩個方向混合材料的膠砂強度對比檢測，具體配比及數(shù)據(jù)結(jié)果見表 3。

表 3 第一階段膠砂強度試驗結(jié)果 MPa

（2）混合膠材進行土壤固化性能檢測，具體數(shù)據(jù)見表 4。

表 4 土壤固化性能檢測數(shù)據(jù) MPa

（3）按照初步配方進行室外施工試驗，使用 1#、2# 前期試驗硅酸鹽固化劑按 5% 摻加量進行土壤固化試驗，經(jīng)稱量、攪拌、加濕，壓實覆蓋，養(yǎng)護一周，進行檢查時發(fā)現(xiàn)，施工試驗并像試驗室檢測那樣成功，主要是因為土壤固化劑摻加量偏少，同時施工不合理壓實度不夠?qū)е碌氖┕ぴ囼炇　?/p>

3.2 第二階段試驗

在前期試驗的基礎(chǔ)上，吸取失敗經(jīng)驗，實施了第二套配比設(shè)計及施工方案。

（1）進行了膠砂強度檢測，具體配比及數(shù)據(jù)見表5。

表 5 第二階段膠砂強度試驗結(jié)果 MPa

（2）分別使用 3#、4# 固化劑 20% 摻加工地現(xiàn)場土壤，水分控制在 14.5%，經(jīng)稱量、攪拌、加濕，壓實覆蓋，養(yǎng)護一周后，經(jīng)檢查土壤固化效果良好，其中4# 固化劑施工效果從強度、平整度、耐水性來說都更為突出一些。

（3）按照施工方案同時進行土壤固化效果檢測，3#、4# 土壤固化劑 20% 摻加現(xiàn)場土，水分控制在14.5%，經(jīng)加濕攪拌均勻后進行強度成型，20℃ 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護 6 天，在清水中浸泡 24 小時，控干后進行 7 天無限側(cè)抗壓強度檢測，抗壓強度平均值為 5.2MPa，完全能夠滿足常規(guī)路基施工要求。

3.3 第三階段試驗

在前期固化劑質(zhì)量完全滿足要求后，基于生產(chǎn)及成本的考慮，實施了優(yōu)化配比方案。

（1）所配制配比 5～12 固化劑與工地土壤按照 2∶8的比例混合后，具體配比及檢測數(shù)據(jù)見表 6。

表 6 第三階段試驗結(jié)果

（3）石灰拌合土工程基層檢測（用傳統(tǒng)石灰按照體積比進行配料），具體配比及數(shù)據(jù)見表 7。

表 7 石灰拌合土配比及抗壓強度數(shù)據(jù)

3.4 試驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

（1）通過上述系列試驗驗證得到三項固化劑基本結(jié)論；一是無論 1～4 哪種固化劑配比，膠材單獨檢測強度都是沒有問題的；二是試驗數(shù)據(jù)要以土壤固化成型7 天無側(cè)限抗壓強度為主，膠材基本強度只能作為研究參考；三是試驗檢測工程模擬 7 天無側(cè)限抗壓強度時，最大干密度的檢測、最佳含水量數(shù)據(jù)、壓實比等數(shù)值必須嚴(yán)格控制，否則數(shù)據(jù)的真實性無法保證。

（2）試驗結(jié)果證明固化劑在土壤中不同摻量對應(yīng)的抗壓強度范圍符合試驗設(shè)計要求，當(dāng)固化劑中水泥摻入量大于 10% 時，固化劑土壤固化強度可達 1.6MPa 以上，遠遠高于工程設(shè)計要求，同時高于傳統(tǒng)石灰拌合土基層強度 1.0～1.5MPa。

（3）土壤固化劑配料中礦粉與粉煤灰少量進行替代，在強度質(zhì)量上影響不大。

（4）通過配比優(yōu)化后，固化劑最佳配比基本可以確定，一般水泥摻入比可在 10%～20% 之間，因場地土質(zhì)和施工條件差異，按照工程質(zhì)量要求不同，可以適度調(diào)整配比方案，另外也可以針對工程更高要求，適度提高固化劑的摻入比，來提升土壤固化基層的綜合性能。

4 經(jīng)濟效益分析

（1）按照 2017 年 6 月各原材料價格，對最終確認的土壤固化劑生產(chǎn)配比成本進行分解見表 8。

表 8 土壤固化劑最終配比及成本分析

4.1 與傳統(tǒng)石灰拌合土施工方案進行價格比較（表 9）

表 9 與傳統(tǒng)石灰拌合土施工方案成本對比

4.2 綜合經(jīng)濟效益分析

目前在普通地面施工中，使用生石灰 3∶7 土進行基層夯實施工的方案最為普遍，主要特性是成型后，早期強度偏低，在氣溫較高的季節(jié)，如夏天 7 天無側(cè)限抗壓強度能達到 0.6～1.0MPa，在春天及秋天 7 天無側(cè)限抗壓強度能達到 0.5～0.8MPa 左右。配制的礦渣硅酸鹽類固化劑性能優(yōu)于傳統(tǒng)的石灰基二灰土，施工方案基本與石灰基二灰土一致，施工中并不增加其他費用。在硅酸鹽固化劑中，配料成本經(jīng)過優(yōu)化并不高，只有 154.25元，生產(chǎn)成本為 76.31 元，占總成本的 33.1%，其中運輸成本占比最大，達到 15.2%，如果改變運輸方式，長期進行統(tǒng)一運輸會較大幅度的降低運輸費用。硅酸鹽固化劑的使用成本基于目前總成本的基礎(chǔ)上，單方在26.28 元時就可以達到較好的使用效果，略微低一點的施工要求成本可以控制到 19.71 元以內(nèi)。使用石灰基拌合灰土，最低施工保證單位成本要在 27.36元左右，如果工程要求高那成本就會超過 40 元，比硅酸鹽固化劑成本普標(biāo)要高 7.0 元以上。

5 生產(chǎn)應(yīng)用驗證

5.1 生產(chǎn)驗證發(fā)現(xiàn)的問題

2016 年營海集團金釗源工地開始使用硅酸鹽固化劑進行基層施工，生產(chǎn)是采用商混公司閑置攪拌機來進行上料攪拌實現(xiàn)的，運輸采用的是方機卸料、開口貨車直接接料方式，整個過程中發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）生產(chǎn)過程中脫硫石膏通過骨料倉下料困難，需要人工輔助下料。

（2）生石灰加入是難題，初期采取的是人工加入方機的模式，但不適合大規(guī)模生產(chǎn)方式。

（3）生產(chǎn)過程中方機出料揚塵較明顯，如果加水降塵會造成固化劑的水化時間提前，影響后期的運輸和施工。

（4）運輸過程中，車輛選擇上比較單一，只能使用箱式貨車。

（5）使用過程中困難點是對雨水比較敏感，不能大量、長期對固化劑進行儲存。

5.2 針對問題處理措施

（1）生產(chǎn)工藝需要適度改造，下料倉角度及振動方式需要調(diào)整。

（2）生石灰加入需要調(diào)整為購買粉狀石灰打入專倉，由鉸刀計量加入。

（3）方機下料棚內(nèi)需要加裝收塵裝置，進行適度淋水降塵處理。

（4）運輸車輛的選擇上可以考慮使用改造優(yōu)化攪拌車來進行運輸，現(xiàn)場進行自動播料，既避免儲存，又提高施工效率。

6 結(jié)論

（1）推廣的固化劑屬于礦渣硅酸鹽類固化劑，其組成與土壤較接近，主要是產(chǎn)生膠結(jié)土壤的膠凝物質(zhì)，一定程度的激發(fā)土壤顆粒本身的活性，在較長時間內(nèi)穩(wěn)定的增加強度，這類固化劑采用水硬性成分，防水抗凍性較好，使用成本較低，市場前景較好。其缺點是土壤類別對效果影響大，且固化劑的摻入量也較大，施工量相對沒有降低。

（2）從所做試驗結(jié)果來看，摻加 15% 的固化劑，7 天強度能到 1.5MPa 以上，比石灰基二灰土的早強高，比較適合大多數(shù)地區(qū)的土質(zhì)，相比傳統(tǒng)的石灰基二灰土，市場前景廣闊，值得推廣。

（3）土壤固化技術(shù)是一門綜合性較強的交叉學(xué)科，它涉及到建筑基礎(chǔ)、公路建設(shè)等專業(yè)，并且適用范圍還需要開拓，從市場角度和研發(fā)方向來說，應(yīng)該進一步提高土壤固化后的耐磨性能，使其至少達到臨時地面的使用要求。

［通訊地址］山東省東營市東營區(qū)西四路 958（257000）

Study on prescription and production realization of silicate soil curing agent

Zhang Haibin, Chen Xia, Hao Weiwei, Li Yong
(Shengli Oilfield Yinghai Industrial Group Co., Ltd., Dongying 257000)

In accordance with the requirements for subgrade construction in our country, in the base construction material selection by lime, fly ash as the mixed curing material, there are also using cement as curing material directly, but only using the above material for construction, no matter from the construction quality and construction cost all have obvious flaws. In this paper, composite silicate material is used as base material of powder curing agent, its production and application will greatly enrich the choice of construction materials, using simple materials factory production at the same time, higher profits of added value. Research mainly for the powder by the strength of the curing agent in combination with soil structure, stability, determine its production of ingredients direction at the same time, combining with the characteristics of its production implementation scheme is put forward, finally comprehensive evaluation of the quality and benefit in production, application, advantages and disadvantages, such as put forward the improvement direction.

silicates soil stabilizer; unconfined compressive strength; optimum water content; maximum density

張海彬，男，中心實驗室主任。