土壤固化劑技術的應用
土壤固化劑是一種性能優良的土工複合材料，又稱土壤改性劑，是一種由多種無機和有機材料配製而成的水硬性膠凝材料，以專固土壤為特性。它與土壤混合後通過一系列物理化學反應，可產生膠結土粒、填充孔隙等作用，將鬆散上體轉為緻密的膠凝材料，可較大幅度地改善和提高土壤的強度、耐久性等材料性能。它不僅能有效固化土壤、砂礫料、淤泥等各種土質，同時還可用於生活垃圾及工業粉塵等廢棄物的固化。因其具有因地制宜、就地取材、施工方便、成本低廉等特點，現已被廠泛用於市政、環保、交通、水利等各項社會工程。
土壤固化劑（以下簡稱“固化劑”）在國外廣泛應用於道路、土木建築、環境保護、農田水利工程中，固化處理各種污泥（包括含有廢油、油泥、重金屬、有機物的淤泥）等各個工程領域，至今已有30多年的歷史。固化劑作為我國20世紀90年代引進的高新技術產品，在北京地區乃至全國，大面積用於河（湖）底土質固化，尚屬首次。本文主要介紹昆玉河改造工程河道底部土壤固化技術應用情況。
固化劑簡介
本次改造工程使用的是“AUGHT-SET2000號”固化劑，在日本已廣泛地應用於公路、鐵路、水利、建築物基礎等工程方面。1994年由北京中上AUGHT-SET科技發展有限公司引進並組織生產，至今，在國內已有諸多實體業績，但用於河底固化處理還是第一次。
北京昆玉河改造工程簡介
背景資料
北京昆玉河改造工程等城市水系治理是北京市1998年67項重點工程之一。為了改變北京市城市河湖水體面貌，使水體還清、環境變美，市政府決定於1998年4月20日起，對城市水系進行綜合治理，實施污水截流，清除河湖淤泥，以使水系達到“清、流、綠、通”的目的。北京市城市水系不僅擔負著工農業用水的重任，而且還肩負著城市防洪的重任。河道治理標準要高於其他河道。如何利用有限的資金又要達到河道治理的標準，經過反復研究，城市水系治理工程指揮部決定採用“AUGHT-SET2000號”固化劑對河道底部土質進行固化處理。昆玉河改造工程固化面積為12.49萬平方米。
固化劑施工工藝流程和技術要求
1.
測量放線，場地平整
按照河底設計高程用推土機找平。在平整好的場地上標定縱、橫向網格，以利固化劑的鋪撒。
2.
測定土壤類別和土壤含水量
土壤拌和含水量以18％∼30％為宜。
3.
鋪撒固化劑
根據土壤類別及含水量確定固化劑配合比。
4.
拌和
翻拌深度宜控制在 150mm。用插入法檢查，偏差控制在20mm。
5.
碾壓
拌和好的土壤要及時用平碾碾壓，6小時內碾壓完成，碾壓2∼3遍。檢測碾壓密實度和含水量，相對密實度控制在90％以上。
6.
養護
碾壓完畢後用塑膠布覆蓋2∼3日後可以灑水濕潤養護，灑水時不得用水直接衝擊固化和土表面。
工程質量情況
質量檢驗要求
原材料檢驗
l
固化劑檢驗
固化劑進場後必須進行材質檢驗。
l
針對不同土壤測定含水量，土壤含水量以18％∼30％為宜。
拌和物的含水量檢驗
l
測定拌和物的含水量應控制在15％∼20％為宜。
工程質量情況
質量檢驗要求
碾壓成型後固化土的質量檢驗
l
碾壓完畢後，用環刀取樣，測定密實度。
l
強度檢驗
a) 取樣方法：固化土拌和物應取自現場，當固化劑與土壤拌勻後，可用試模或塑膠袋密封採取；
b) 試塊製作：將現場拌和物在模內分3層擊實成型，24小時後灑水常溫養護，取7日、14日、28日強度。
l
抗滲性能檢驗
a) 抗滲試件沿河道每500m取1組
b) 取樣方法：抗滲試驗所用固化土拌和物的取樣方法與強度檢驗取樣相同。
c) 試塊製作：將固化劑與土壤拌和物在模內分3層擊實成型，24小時後灑水常溫養護。
工程質量情況
試驗結果
l
固化劑原材料性能檢驗（結果見表1）
表1 固化劑原材料成性能試驗結果
|
試驗單位 |
試驗項目 |
||||||||||
|
抗折強度/MPa |
抗壓強度 |
標準稠度用水量 |
凝結時間 |
||||||||
|
3日 |
7日 |
14日 |
28日 |
3日 |
7日 |
14日 |
28日 |
初凝 |
終凝 |
||
|
燕波監理 |
... |
1.40 |
... |
6.00 |
... |
4.30 |
... |
17.10 |
25.60 |
|
|
|
基礎總隊 |
0.50 |
... |
... |
4.50 |
3.70 |
... |
... |
17.10 |
29.00 |
|
|
|
基礎總隊 |
1.00 |
... |
... |
4.90 |
4.60 |
... |
... |
17.50 |
29.20 |
|
|
|
水利一處 |
... |
... |
3.60 |
5.10 |
... |
... |
15.10 |
22.40 |
26.80 |
... |
|
|
水利一處 |
... |
5.90 |
... |
6.70 |
... |
... |
27.80 |
40.00 |
27.60 |
|
|
注：表中的資料是按照水泥的檢驗方法進行測試的。但固化劑不同於水泥。表中數據僅供參考。
結果分析
1.
經過監理單位和施工單位對AUGHT-SET固化劑2000號進行取樣測定，捨去表中的最大值和最小值，其28日抗壓強度值和廠家提供的強度指標基本一致。
工程質量情況
試驗結果
l
固化土碾壓試驗
1.
固化土成型有2種： 細粒土試件為：70.7mm×70.7mm×70.7mm
粗粒上試件為：100mm×100mm×100mm
2.
成型養護：固化上試件分3層擊實。試件成型後用塑膠布覆蓋養護。
3.
幹密度試驗：根據現場土質，取細粒土和粗粒土2種土質。細粒土最佳幹密度為1.6∼1.8g/c立方米；粗粒土最佳幹密度為1.9g/c立方米，見表2。
工程進度比較
在水利工程施工中，水流調度是個大問題，昆玉河改造工程水下部分工期為1個月，工期緊、任務重。表3是對河道底部3種施工方案的比較。
表3 3種施工方案比較表
|
施工方案 |
總工程量/立方米 |
要求工期/日 |
日工程量/立方米 |
正常工期/日 |
|
現澆混凝土板 |
124932 |
10 |
1000 |
14.9 |
|
鋪預製混凝土板 |
124932 |
10 |
1000 |
15 |
|
固化劑土壤 |
124932 |
10 |
1561 |
8 |
由此可知，用土壤固化的方法處理河底非常經濟，可以節約大筆工程款。固化法施工比其他2種方法施工均要縮短工期1/3。
工程造價比較
根據水利工程定額對固化劑固化土壤進行造價分析、比較，固化劑固化土比預製混凝土板和現澆混凝土要低29.39元/平方米(現澆混凝土和預製混凝土板造價同等考慮)，共節約367.39萬元。造價比較詳見表4。
表4 造價比較表
|
費用 |
直接費 |
其他直接費 |
綜合費用 |
工程造價 |
工程總價/萬元 |
||
|
直接費 |
材料費 |
其他費用 |
|||||
|
預製混凝土板/100平方米 |
318.85 |
3986.41 |
3 |
193.87 |
1155.97 |
5658.10 |
706.88 |
|
固化劑/100平方米 |
231.03 |
1491.63 |
239.735 |
68.68 |
688.23 |
2719.3 |
339.29 |
從表4可知，用土壤固化的方法處理河底非常經濟，可以節約大筆工程款。
結語
固化劑的優缺點
優點
l
固化劑本身經過北京市環境監測部門檢驗證明無毒、公害，滿足水質毒理化學分析要求，可以成為21世紀的綠色建築產品。
l
施工簡便、迅速，工期較現澆混凝土和預製混凝土板鋪砌均有較大的縮短；從其試塊強度來看，工程質量有一定的保證；工程造價遠低於現澆混凝土板和預製混凝土。
l
固化劑施工基本上無施工雜訊，不用振搗，採用機械化施工，人工少，減少環境污染及其它干擾。
施工中應注意的問題
l
固化劑運輸和儲存不得受潮或混入雜物，不同品種和標號的固化劑應分別運輸和儲存。
l
根據一次需要固化的面積，按照配合比計算出固化劑用量的整袋數目，一次鋪撒完成。
l
從拌和到最後碾壓完成時間不能超過6小時。
l
養護期7日內不得上重車和堆放重物。
結語
今後需要改進的工程措施
為了使固化劑與土壤充分的拌和，以達到最好的固化效果，提高固化土強度和提高抗滲性能，在固化技術大面積應用時，應採取機械化的流水作業，可參照或借用混凝土的攪拌系統，使固化劑與土壤拌和均勻，從而確保工程質量。
昆玉河固化處理工程完成已有1年時間了。通過1年時間的觀察，河底沒有滋生水草，昆玉河道遊船航行其中無翻漿和渾水現象，水環境有了明顯改善，達到了固化處理河底土質的效果。
從固化劑理論上講，固化土長期在水中浸泡強度不受影響，由公司實驗室室溫浸泡3年的固化土試塊經觀察，試塊至今仍然完好無損。但對於昆玉河道固化處理工程，還有待於今後長時期的觀察。
京滬高速鐵路、朔黃鐵路路基基床土填料改良工程
室內試驗
1.
五種改良土的配合比均為質量百分比，即摻和料質量：幹土質量 = n : 100。改良土設計配合比為表1-1所示，對單一摻和料改良土的配合比在表1-1的基礎上另加1%後，作為施工配合比。
表1-1 改良土設計配合比表
|
配比 |
石灰:土 |
水泥:土 |
石灰+粉煤灰：土 |
水泥+粉煤灰：土 |
固化劑：土 |
|
7<9.8<10 |
3:100 |
3:100 |
（3+9）:100 |
（3+12）:100 |
2:100 |
2.
五種改良土無側限強度指標均應大於表2-1中的強度。
表2-1 無側限強度指標
|
無側限抗壓強度KPa |
石灰土 |
水泥土 |
石灰+粉煤灰土 |
水泥+粉煤灰土 |
固化劑土 |
|
|
240 |
320 |
240 |
240 |
360 |
擊實試驗
按上述五種不同的配合比進行了室內重型擊實試驗，採用公路工程無機結合料穩定材料試驗規程JJJ057-94，擊實結果列入表2-2中。
表2-2 五種配比擊實結果
|
編號 |
名稱 |
最大幹密度g/c立方米 |
最佳含水量% |
備註 |
|
1 |
3:100固化土 |
1.78 |
13.9 |
五種改良土均為施工配合比 |
|
2 |
4:100水泥土 |
1.78 |
13.7 |
|
|
3 |
4:100石灰土 |
1.75 |
14.1 |
|
|
4 |
3+12:100水泥粉煤灰土 |
1.76 |
14.7 |
|
|
5 |
石灰粉煤灰土 |
1.74 |
14.6 |
京滬高速鐵路、朔黃鐵路路基基床土填料改良工程
無側限試驗
五種改良土無側限按室內擊實試驗中最大幹密度×0.95，最優含水量製件（直徑10cm、高10cm），在保濕條件下養生7天，進行無側限試驗，其結果見表3-1：
京滬高速鐵路、朔黃鐵路
表 3-1 五種改良土無側限強度（kpa）室內試驗結果
|
結構土類型液限指數 |
石灰土 |
水泥土 |
水泥粉煤灰土 |
石灰粉煤灰土 |
固化劑土 |
|
7<9.8<10 |
388.6 |
483.5 |
495.7 |
399.6 |
590.3 |
基床土改良工程試驗
根據設計，改良土分五種結構，長均為40m。YDK414+300~+340為石灰土，YDK414+340~+380為水泥土，YDK414+380~+420為石灰粉煤灰土，YDK414+420~+460為水泥粉煤灰土，YDK414+460~+500 為固化劑土。
按路基填築施工指導施工，工程試驗，結果如下：
固化劑改良土無側限抗壓強度為1.7Mpa
水泥改良土無側限抗壓強度為1.1Mpa
石灰改良土無側限抗壓強度為0.553Mpa
由此可見，無論室內試驗，還是工程試驗，用固化劑改良基床填築土，效果明顯優於水泥、石灰土及石灰+粉煤灰，水泥+粉煤灰，而且固化劑摻量少，改良土的強度高。
*AUGHT-SET土壤固化劑是系列產品，不同土的改良有相應匹配的土壤固化劑。*
經濟分析
1.
本次試驗採用的材料主要有水泥、石灰、固化劑、粉煤灰和土。除土就地取料外，其餘材料均需外購。
2.
按實際發生的人工費、材料費、機械台班費，綜合費率計算，五種改良土的平均造價見表4。
表5 改良土經濟分析結果表
|
土名 |
石灰土 |
水泥土 |
固化劑土 |
石灰粉煤灰土 |
水泥粉煤灰土 |
|
單價（元/立方米） |
42.19 |
56.52 |
44.97 |
51.59 |
66.91 |
由表可知水泥粉煤灰土單價最高、水泥土、石灰粉煤灰土次之，石灰和固化劑相差不多，單價最低。