環(huán)保型高強穩(wěn)定土壤固化劑在燃氣場站地基處理中的應用研究

文 / 張 晨 白震 曹延 蘇雨晨 蔡奪魁 汪林

一、引言

燃氣場站建、構筑物的地基基礎處理和管線的基底處理是工程建設的重要組成部分，燃氣場站工程選址常位于郊區(qū)未完全開發(fā)地段，其工程地質條件和氣候水文條件比較復雜，確保工程質量合格難度較大。不良土質常采取換填方式處理，工程投資較高；嚴重不良土質路段常采取樁基等復合地基處理方式，工程投資更將會大幅提升。同時，換填處理中需要直接和間接使用大量砂石材料，砂石材料的主要來源是炸山取石和挖河采砂，材料的開采不僅毀壞植被，破壞生態(tài)環(huán)境，而且其加工、運輸及存儲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、綠色協(xié)調發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的觀念已經(jīng)深入人心，全國范圍內都逐漸意識到保護生態(tài)環(huán)境和節(jié)約資源的重要性。國務院關于《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》[1]的通知也明確要求要持續(xù)加大生態(tài)環(huán)境保護力度，強化生態(tài)空間管控，推進供給側結構性改革，強化綠色科技創(chuàng)新引領，推動區(qū)域綠色協(xié)調發(fā)展。北京地區(qū)安全文明、綠色環(huán)保施工要求逐年提升，重大社會活動期間管理要求往往提升幾個等級，如果必須在特殊時期施工還需要支付高昂的技術措施費。特別是近年來，由于城市總體規(guī)劃的管理要求，場站工程中某些管線路由常常定位于既有道路上，道路回填費用就達到管線總投資的40%-50%。

近年來，土壤固化技術在工程建設中得到了廣泛應用，相比于傳統(tǒng)材料，利用土壤固化劑對就地取材的土壤進行固化，固化土體的相對強度、水穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、耐久性等優(yōu)勢明顯。這將節(jié)約大量砂石材料，不僅減少砂石材料開發(fā)及運輸費用，大大降低工程造價，經(jīng)濟效益顯著；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，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)材料開發(fā)、施工、運輸過程中CO2等溫室氣體的排放量，進一步改善生態(tài)環(huán)境，有利于經(jīng)濟社會的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。土壤固化技術的出現(xiàn)，將實現(xiàn)由依靠天然材料筑路向人工合成材料筑路的跨越，對綠色工程建設起到重要支持作用[2]。

燃氣場站工程中，土壤固化劑若作地基處理，可以替代樁基強夯功法及二灰碎石等傳統(tǒng)材料，可就地取材，施工工藝簡單，同比可降低工程造價約15%～40%。但目前土壤固化技術在燃氣場站中的應用較少，相關性能有待進一步驗證。

本文通過對國內外土壤固化劑發(fā)展及應用狀況研究的基礎上，選用一種環(huán)保型高強穩(wěn)定土壤固化劑，采用理論分析和室內試驗方法對固化劑混合料的強度和耐久性開展研究，多方面評價土壤固化劑在燃氣產站中的應用效果，并實際應用于平谷門站及進出線工程，為其后續(xù)研究方向和實際工程應用提供理論指導。

二、土壤固化劑固化機理及技術優(yōu)勢分析

土壤固化劑是一種由多種無機、有機材料合成的用以固化各類土壤，以改善和提高土壤技術性能的新型節(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；從物質組成成分上看，可分為有機類、無機類及有機無機復合類共三類[3]。

（一）固化機理

土壤固化劑的固化機理通常可分為物理過程、化學過程及物理化學過程[4]。

物理過程指土壤被固化過程中，由于外力作用，導致土壤的結構性破壞，經(jīng)再次壓實后，土壤顆粒之間的空隙減小，土壤密度變大，強度和穩(wěn)定性得到提高；化學過程指利用土壤固化劑固化土壤時，無機類固化劑吸收土壤水分，發(fā)生水化、水解反應，有機類固化劑發(fā)生聚合反應等；物理化學過程指土壤顆粒與固化劑組成成分之間的物理、化學和物理化學三類吸附過程。

本文所選用環(huán)保型高強穩(wěn)定土壤固化劑對土體的作用過程屬于物理化學過程，既有物理吸附和纏繞，又有化學反應，使土體形成穩(wěn)定的結晶—縮合結構，見圖1和圖2。通過中和土壤顆粒表面的電荷，減薄雙電層的厚度，進一步加強土體混合料的物理和化學反應過程，提高土質固化效果。

（二）技術優(yōu)勢

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

（2）造價低：環(huán)保型高強穩(wěn)定固化劑比水泥、石灰等無機結合料造價低，同時施工中不用大量外運土方，節(jié)省運輸成本，可同比降低造價約15%-40%。

圖1 不同養(yǎng)護齡期下固化土細觀結構

圖2 28天養(yǎng)護齡期，放大5000倍下固化土微觀結構

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

（4）整體性強：環(huán)保型高強穩(wěn)定固化劑使土體固化后形成板體，可顯著提高基質土的無側限抗壓強度、抗彎拉強度、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，有效地提高基礎承載能力，延長使用壽命。

（5）抗凍融性強：抗凍性能較好，可滿足北方地區(qū)對抗凍性能的要求。

（6）水穩(wěn)定性強：抗水、抗腐蝕損害強，環(huán)保型高強穩(wěn)定固化劑與基質土作用后形成憎水體，材料本身的抗水損害特點，保證了基礎結構的整體抗水損性強的特點。

（7）基礎沉降?。焊邚姷暮笃趶姸龋岣吡嘶A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研究

（一）試驗材料與方法

土壤固化劑采用環(huán)保型高強穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1，土樣材料（基質土）采用平谷門站及進出線工程場地的粉質細粒土，膠結材料選用水泥，各材料圖示見圖3。其中，固化劑混合料的制備是將4%～8%（膠結材料與固化劑混合料的質量比）的膠結材料和0.015%～0.025%（土壤固化劑與固化劑混合料的質量比）的土壤固化劑分別與選用土質混合。

圖3 試驗材料圖示

1.環(huán)保型高強穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1的性能

根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標準《土壤固化外加劑》(CJ/T486-2015) [5]測試環(huán)保型高強穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1的相關技術指標，見表1。

2.基質土的性能

根據(jù)土工試驗規(guī)程進行粉質細粒土的原材料試驗，得到其相關技術指標，見表2。

（二）CGJ-1型固化劑混合料強度研究[6]

固化劑混合料的強度指標主要有無側限抗壓強度和間接抗拉強度（劈裂強度）等。由于地基基礎是建筑結構中的主要承重層，若基礎強度不滿足規(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度研究對建筑物耐久性具有重要意義。

1.無側限抗壓強度

無側限抗壓強度試驗操作簡便且能準確反應試件的強度，所以被廣泛應用于室內試驗研究。制備成型50mm*50mm的圓柱形試件，其壓實度標準按97%；養(yǎng)生條件為標準養(yǎng)生條件，且養(yǎng)生期完成前最后1小時進行浸水處理；測得不同齡期和配比條件下試件的無側限抗壓強度，見表3。

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

表2 粉質細粒土的物理性質

由表3可知：

（1）固化劑混合料在不同齡期下的無側限抗壓強度隨著CGJ-1摻加量的增加而逐漸增大；當摻加量由0.015%變化至0.02%時，其無側限抗壓強度的增加幅度要遠大于摻量由0.02%變化至0.025%時的增大幅度，且摻量變化區(qū)間為0.02%～0.025%時，固化土的無側限抗壓強度增加微小或小幅度減小，說明CGJ-1的最佳摻量應不大于0.02%。

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

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

表3 不同齡期和配比條件下固化劑混合料試件的無側限抗壓強度

（4）固化劑混合料的無側限抗壓強度均隨著養(yǎng)護齡期的增長而不斷增大，且其28d和90d的后期強度提高幅度更大。

2.劈裂強度

劈裂強度反映了固化劑混合料的抗拉裂性能。由前文所述對比試驗，當膠結料含量為6%，環(huán)保型高強穩(wěn)定土壤固化劑CGJ-1的含量為0.02%時，無論是從經(jīng)濟上，還是固化劑混合料的使用效果上，能達到最優(yōu)配比的狀態(tài)，故下文試驗均按此配比進行相關研究。劈裂強度試驗結果見表4。

表4 固化劑混合料試件的劈裂強度

由表4可知：

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

（2） 在推薦配合比條件下，水泥類固化土的劈裂強度大于等于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增強固化土地基的強度、剛度和劈裂強度，但是土壤中存在不穩(wěn)定性的親水土顆粒可能影響固化劑混合料的耐久性。因此，在易受地表水和冰凍災害的北方寒冷地區(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，固化劑混合料基礎會長期處于潮濕有水環(huán)境，水分的長期存在將影響其耐久性，制備標準試件并進行標準化養(yǎng)生，測定不同配比條件下試件的水穩(wěn)定性能，試驗結果見表5。

由表5可知：

不同養(yǎng)護齡期下，摻加環(huán)保型高強穩(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)護齡期的增長，固化劑混合料的水穩(wěn)定系數(shù)越來越大，即水穩(wěn)定性越來越好，且養(yǎng)護后期水穩(wěn)定系數(shù)的增長幅度大于前期增長幅度，說明固化劑混合料的后期水穩(wěn)定性越來越好。

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

對養(yǎng)護齡期為28d和90d的試件分別進行5次凍融循環(huán)，試驗得不同配比下固化劑混合料的耐凍指數(shù)，見表6。

由表6可知：

（1）摻加環(huán)保型高強穩(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)護齡期越長，固化劑混合料的耐凍指數(shù)越大，說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，試件開始發(fā)生松散和塌落現(xiàn)象，表明凍穩(wěn)定性會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，且不同地域的低溫等級存在差異，除去評價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下的抗凍裂能力，對于固化劑混合料的適用性將產生積極意義。低溫收縮性能研究試驗結果見表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，說明溫度變化幅度越大，低溫等級越高，混合料的收縮量越大，越不利于基礎材料的穩(wěn)定。

四、結論

通過對CGJ-1型固化劑混合料的路用性能開展研究，主要得到以下結論：

（1）環(huán)保型高強穩(wěn)定土壤固化劑可顯著提高固化土地基的抗壓強度、劈裂強度及凍穩(wěn)定性，對燃氣廠站基礎的適用性較好，且養(yǎng)護后期強度增幅越大，在北方寒冷地區(qū)將有利于延長有效工期。

（2）當膠結材料、土質與環(huán)保型高強穩(wěn)定土壤固化劑的比值為6：94：0.02時，固化劑混合料所表現(xiàn)出的路用性能最優(yōu)，且造價相對較低。

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