BTS土壤固化劑的作用機理和工程應用研究

張信貴 莫澤揚 何本春,2 韓 偉 張懿丹 尹明軍

（1.廣西大學土木建筑工程學院，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.廣西大學設計研究院，廣西 南寧 530004 ；4.廣西壯族自治區建筑工程質量檢測中心，廣西 南寧 530004 ）

1 研究背景及現狀

近年來，廣西壯族自治區為加快了高速公路的建設，至2020年底，廣西壯族自治區的高速公路里程已經超過8000 公里。現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定碎石層（簡稱水穩層），相較于其它材料，水穩層強度高、受力均勻、整體性好，而且施工工藝簡單。伴隨著高速公路的發展建設，需要消耗大量的碎石材料，而該材料的生產、運輸和存放都會造成環境污染和能源浪費，如何解決環保與發展的矛盾也是我們目前所面臨的一大難題[1,2]。

我國從八十年代開始就從國外引入高性能土壤固化劑，在環境和經濟上也取得了不錯的效益[3]。目前，各種土壤固化劑已廣泛推廣于我國的建筑、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性能的工程材料，能減小顆粒間空隙，且壓實度高、收縮量小，并滿足工程需要的強度，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、運輸成本低，并具有良好的加固效果，在經濟性和可行性兩方面都能有效替代水穩層。目前國內外針對各種土壤固化劑的研究已經成果頗豐，我國地域廣闊，在公路建設上還有很大需求，但是對于使用固化劑固化土壤來代替水穩層的研究和應用還不多。因此，研究土壤固化劑在路面基層建設中對水穩層的替代作用，具有很重要的推廣意義和經驗價值。

2 路面水泥穩定碎石層的性能要求

在公路中，路面結構層主要分為三層：面層、基層和底基層。水穩層一般處于面層之下，并與基層接觸，主要作用是提高水穩性能和分散面層荷載，因此針對不同等級的公路，規范上主要提出下面幾個要求[4]。

（1）足夠的強度和剛度：車輛荷載經過面層傳遞至基層材料，會使材料產生變形，強度不夠導致變形過大，會影響使用：剛度過大，會使路面開裂。

（2）水穩性：降雨和地下水造成公路積水，穩定性不足會使路面泥濘變形。

（3）抗沖刷性：大量降雨或路面積水的情況下，路面結構層都會被滲透，加上車輛荷載的作用，能產生很大的擠水效果，在水流作用下，與整體結構層結合性較差的基層材料會被沖刷帶走，導致基層結構強度降低直至破壞。

（4）足夠大的疲勞壽命：車輛荷載的反復作用下，路面材料易產生殘余應力和疲勞變形。所以需要有足夠的抗疲勞能力，以防止變形過大導致的路面破壞。

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

水穩層內部的結構組成機制與其路用的性能有關。其內部是一種非均質結構體系，由固、氣、液三相組成。混合材料的齡期變化，也會導致材料的單元、孔隙、自由水含量變化，并通過物理化學作用，生成新的化合物，改變材料的宏觀力學性能，使材料的抗收縮能力和整體性增強等。

從三個方面分析水穩層材料的強度形成：第一是材料中粗、細集料的配合比和宏觀構造形式，主要體現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，在物理化學作用下生成各種膠結物，包括它們的分布形式：第三則是上述兩點間的相互作用和分布。

3 BTS 土壤固化劑對粘性土的加固機理

本文使用的BTS 土壤固化劑是一種石油磺化產品（Sulphonated Petroleum Products），在目前國內外各種土壤固化劑的分類中，它屬于離子型的固化劑，簡稱SPP 類土壤穩定劑[5-7]。

BTS 土壤固化劑的基本特性和主要反應有以下幾點：（1）是由多種高分子聚合物混合而成的化學物質；(2)完全溶解于水；(3)是離子交換劑，由多種成分的穩定劑和表面活性劑組成；(4)主要活性成分是高價離子交換混合硫化物；(5)分子結構具有二元性：其中一端為憎水基，另一端為親水基；(6)通過離子交換，靠親水基的化學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，使土壤的密實度增大; (9)利用化學反應使土顆粒巖化，并能有效使土壤穩定。

BTS 固化土壤是結合了物理和化學的固化方式，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揮永久作用，在粘土顆粒和固化劑之間產生長效的粘結，保證粘性土長期實現水土分離。其固化原理結合SPP 類穩定劑的特征分為以下幾個方面。

3.1 作為表面活性劑改善粘土-水界面的表面化學作用

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、降低物質的表面能量，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-穩定劑溶液離子交換機制及雙電層理論

主要分為三點，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生電化學反應，反應之后，電勢降低，雙電層變薄，土顆粒間的能壘也相應變小，連結強度得到提高，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構，讓粘土顆粒吸附水的能力變弱，使多余的水變成了游離狀態的自由水，起到了排水的作用；三是改變了粘土顆粒的表面性質，通過物理化學作用，使原本吸水的粘土顆粒吸附活性劑，產生憎水性，起到了穩定的作用。

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

借助外力反復壓實，使土塊重新排列，填實土顆粒間的空隙，減小相互距離。對于非飽和土，主要是壓密土壤間的孔隙，排出里面的空氣；對于飽和土的壓實，自由水會先排出，在土顆粒不斷靠近的過程中，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圍逸出。

用BTS 固化劑處理粘性土，在壓實前，部分薄膜水就會因為化學作用轉變為自由水，并且粘土顆粒之間會因為表面性質的改變而產生吸引力。在壓實到一定程度后，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吸水作用，經過處理后的土體便不容易再次吸水導致土壤強度下降。

4 BTS 土壤固化劑的工程應用

從實際應用的工程現場數據來看，BTS 土壤穩定固化劑基層固化材料具有高密實度、高承載力、高穩定性的特征，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、面層開裂的傳統問題。

4.1 廣西南寧市富庶鄉某公路

富庶至合志公路富庶鄉段是位于南寧市郊區的一條砂土路。2001年，由于車輛超載和缺乏養護的原因，該路路面出現大量坑槽，車輛難以繼續通行。為此，廣西南寧市交通局組織對該路進行修復施工，使用K0+000～K3+000作為BTS 土壤固化劑在公路施工中應用的試驗路，K0+000～K3+000 則采用泥結河卵石材料進行中修，兩端路進行對比。

表4-1 南寧富庶鄉公路現場試驗數據

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，經計算，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 湖南長沙市雙新公路

該路段位于長沙市寧鄉縣煤炭壩鎮境內，原有路面為泥結砂石結構，日流量在1000 次以上。

縣道新雙線（X092）K11+170～K11+300,試驗用土主要性質，試驗路段取土場位于新雙線K10+050 處，土質為砂性土，含砂61%，粘性土及其他成分39%，鋪筑試驗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27.2，最大干密度1.95g/cm3，最佳含水量9.68%。實驗用土的粒級分布為：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%。試驗開始時先在原路用水車噴BTS 試劑兩遍，再在原路上鋪筑試驗用土經整平后用水車灑兩遍，人工翻拌四遍整平后在面層鋪設3～5cm 碎石層，振動式壓路機靜壓一遍后開振壓實6 遍以上，然后立即開放交通。本次試驗共鋪筑了130m，其中60 米為雙幅鋪筑，70m 為單負鋪設。

表4-2 長沙新雙公路試驗后不同天數對比數據

5 結論

通過BTS 固化劑在實際工程應用得到的現場試驗數據，對比水穩層的性能要求和固化劑的加固機理后分析得知，經過BTS 固化劑固化后的土壤在路用性能上基本能達到水穩層的作用效果。具體結論如下：

（1）BTS 固化劑能有效改變粉質粘土的最優含水量和最大干密度。

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

（3）使用BTS 固化劑噴灑經過粘土整平的泥結砂石路面后，能使路面的壓實度提高。