复合固化材料在松软地面交通应急保障中的试验研究

王广政

(解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007)

复合固化材料在松软地面交通应急保障中的试验研究

王广政

(解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007)

从交通应急保障的需求入手，在分析固化剂加固松软土壤现状的基础上，详细阐述了复合固化材料对松软路面快速加固的机理，并通过试验分析了固化材料快速加固软土的特性。试验结果表明，这种复合固化材料和固化手段在松软地面快速加固的强度形成方面，能够满足交通应急保障的时效性要求。

环氧树脂；松软路面；快速固化；试验

我国幅员辽阔，在未来特定环境下的灾害救援和海上抢滩登陆等突发行动中，快速克服松软地面保障交通畅通，是交通应急保障和满足国防交通需求的重要内容和关键因素。而利用固化剂快速加固交通路线上的泥泞道路、松软海滩等不良地质地段，是一种正在研究使其行之有效的工程技术手段。

1 固化剂加固松软土壤的现状分析

近年来，利用不同于水泥、石灰等常规材料的专用土壤固化剂进行土壤加固，已较为普遍。土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的新型节能环保工程材料，是众多类型固化剂的一种。可根据土壤的物理化学性质，对需要加固的土壤掺入一定量的固化剂，通过化学处理来改变土壤的组成和土体的工程性质，从而达到提高土质强度的目的。它具有技术指标优良、工程造价低、施工方便、缩短工期、利于环保等优点，因此得到了广泛的应用[1]；但这些土壤固化剂和技术手段却难以满足交通保障时效性的要求。主要反映在以下方面：

(1)固化周期长，初期强度形成慢。常规土壤固化剂在软土地基加固时，通过繁琐的施工工序，如施工拌和、机械压实等，程序繁多、固结时间长，一般至少需要7 d甚至几个月以上的养生和固结时间，才能达到通行最基本的强度要求[2]。这对于时间紧迫的战时应急交通保障是行不通的。

(2)需加入足量的骨料才能达到应有的力学指标要求。为满足抗压强度等力学特性的要求，利用土壤固化剂进行软土地基加固时，往往要加入一定量的碎石、矿渣等骨料，甚至还要加入水泥或石灰等常规材料[2]。施工拌合程序和均匀度等因素都会严重影响土壤快速固化的时效性。而仅仅利用常规土壤固化剂直接掺入软土中，一般其承载力达不到要求[2-3]。对于一些工程性质较差的松软土壤，如淤泥质土、湿陷性黄土等不良土质，含水量大、塑性差、承载力低，常规土壤固化剂对这类土壤的固化效果较差，即使加入少量水泥或石灰，也需要30 d甚至更长时间才能达到应有的力学性能指标要求。

环氧树脂固化剂作为一种高分子材料，具有固化速度快、固化后的土壤强度高、粘结力大，收缩性小及化学稳定性好等特点[3]，在道路桥梁工程等混凝土结构的维修加固中得到了广泛的应用，但在土壤加固方面的研究则不甚广泛。早在1970年代，美国等发达国家就已开展了关于环氧树脂固化剂作为土壤稳定材料的相关研究，但研究成果较少；国内相关人士也开展了利用环氧树脂固化剂快速加固海滩淤泥的研究[4]，但也仅限于初步的探索阶段，其快速固化效果和时效性都有待商榷。因此，如何在加固松软地面方面发挥环氧树脂固化剂的优良性能实现松软地面快速固化，对于更好地实施交通应急保障具有非常重要的现实意义。

2 复合固化材料快速加固松软地面

2.1 机理分析

泥泞道路、海滩、淤泥等松软地面最大的特点是含水量大、力学性能差。用固化材料快速加固松软地面时，必须从除水和高强两个方面考虑，以达到快速形成强度这个目的。研究表明[4]，影响环氧树脂固化剂快速固化效果的关键因素之一是松软地面中所含的水分。因此，要发挥环氧树脂固化剂固化的高强、快速特性，应考虑如何解决松软地面中的水分问题。

2.1.1 新型复合固化材料的组成

复合固化材料主要由两种常规固化材料组成：一是俗称为“路固特”的ISS离子土壤固化剂[3]。它是一种由多个强离子组合而成的水溶剂，依靠ISS“亲水头”与粘土颗粒表面所形成的化学链，主要用来排除松软土壤矿物中的水分，并使ISS与土壤的颗粒之间产生结合和固化。二是高渗透环氧树脂固化材料，它是以环氧树脂为主剂，配以稀释剂、活性剂、交联剂或促进剂等制成的一种高渗透、高强度、快速固化的环氧树脂溶解液，主要用来在松软土壤上快速形成高强度板体结构。

2.1.2 松软地面的快速固化机理

高渗透环氧树脂灌浆液固化时本身具有快速、高强特性，而用于加固湿软土壤时，需要消除土壤水分对强度快速形成的影响。松软地面的土壤一般处于潮湿状态，直接浇注环氧树脂灌浆液，会严重影响环氧树脂层的固化速度和效果。而加入ISS离子土壤固化剂后，可以间接排除水分对环氧树脂快速固化的影响，使之短时间内快速形成足够的力学强度。

(1)利用ISS溶液改变土壤的吸水性。ISS是一种磺化油树脂电解质，能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离子[X]n+和带负电荷的阴离子[Y]n-，阳离子与土壤胶体表面的阳离子[M]n+产生交换作用，将这些原本吸附在土壤颗粒表面、亲水性极高的阳离子赶走，代之以亲水性较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。这样，水分子就不再易与粘土颗粒结合，从而容易被排出，最终使土壤含水量减小，且土壤再度遇水后，会产生排水效应，不轻易吸水，保持较为低水平的含水量[5]。

(2)利用环氧树脂固化材料快速形成强度。环氧树脂是一类含有苯酚、多聚甲醛、二乙烯三胺、硫脲等物质的高分子化合物，可快速渗透至松软土壤表层，并与高性能交联剂发生缩合反应，快速形成网状立体聚合物，并将脱水后的表层土壤包络网状体之中，使松软土壤快速板结，在其表层形成高强度的板体结构层。

2.2 室内试验

2.2.1 试验设计

采用对比试验方式，进行新型复合固化材料固化松软土壤抗压强度试验。其中，环氧树脂灌浆液采用810型水下高渗环氧树脂固化材料。试验按ISS离子土壤固化剂、环氧树脂灌浆液、土壤的三种不同配比设计成3组，每一组均做3批，每一批6个试件，每个试件按不同时间，依次进行无侧限抗压强度试验,在每一批中将相同时间的试件作为平行对照,当单组内各批相同时间试件抗压值误差在允许范围时,取每一组的平均值作为最终的试验结果。试验用土取自厦门水域的海沙，天然含水量约25%。

试件采用∅50 mm×50 mm的标准圆柱体试件。为防止环氧树脂固化材料固化速度过快而使ISS离子土壤固化剂来不及起作用，试件制作时，首先将ISS溶液与制备好的土样按照三种不同配比充分混合，并在常温下静置一段时间(本试验设置为2 h)，然后再掺入预先配制好的高渗环氧树脂固化材料，通过试模制作成不同组别的试件，放于常温下观察。试验温度为常温20 ℃，从试件制作完成后，分别在不同时间进行无限抗压强度试验，分析强度形成规律。试验步骤如图1所示。

图1 试件制作与无限抗压强度试验

2.2.2 试验结果分析

复合固化材料固化土壤的无侧限抗压强度试验结果如表1所示，时间与强度形成曲线如图2所示。

从上述试验数据可知：

(1)不论是上述哪种配合比，0.5 h之内，试样强度较小，强度增加不明显；0.5 h之后，随着固化时间的增加，试样强度逐渐上升，说明试件的初步凝结时间约为0.5 h；1 h时的最大抗压强度达到了0.52 MPa，1.5 h时的最小抗压强度达到了0.8 MPa，能够满足通用车辆荷载的最低通行要求(一般为0.4～0.7 MPa)。

表1 复合固化材料无侧限抗压强度试验结果 MPa

图2 试件固化时间—无侧限抗压强度关系

(2)不论是上述哪种配合比，混合料试件的抗压强度都随着时间的推移而有不同程度的提升；而且初期的强度变化较慢，时间越长，强度提升的速度越快。说明这种复合固化材料加固土壤时，固化初期是ISS溶液改变土壤水分的阶段；后期土壤水分逐渐排出，环氧树脂在固化剂的作用下快速固化，形成网状立体聚合物，并将脱水后的土壤颗粒包络网状体之中。

(3)当固化剂与骨料配比增加时，试样强度总体呈上升趋势；同样含量的骨料不变时，环氧树脂固化材料配比增加时，试样强度有所增加，但固化前期增加不明显。这说明固化剂的含量直接影响固化效果，含量越大，固化效果越好；两种固化材料配比大小也会影响固化效果，但短期内影响效果不明显。

由此可见，ISS离子固化剂单独固化土壤时，初期进行离子交换，本身强度形成慢；而环氧树脂固化剂则是在ISS离子固化剂促使土壤进行离子交换的基础上，迅速发挥优势，促使环氧树脂在极短的时间内快速形成网状立体聚合物，使混合料试件强度迅速增加。

3 结束语

本文所提出的新型复合材料快速加固松软地面的方法，是在利用现代高性能固化剂优良特性的基础上，进行有机组合配方，取长补短，使加固后的松软地面能够快速形成强度，提高其应急通过性，满足交通应急保障和工程抢险时效性的要求。未来交通工程应急保障中，土壤类型繁多，含水量、土质等性质各异，固化配比不同，都会影响到固化强度的形成速度；施工的难易、所需时间、固化土体的稳定性等因素也会严重影响软土固化的时效性。寻求最佳的固化方法和手段，是提高固化材料在交通应急保障中快速固化时效性的重要研究方向。

[1]樊恒辉，高建恩．土壤固化剂研究现状与展望[J]．西北农林科技大学学报(自然科学版)，2006(2)：41-45

[2]李振峰．土壤固化剂无侧限抗压强度试验研究[D]．长春：吉林工业大学，2007

[3]聂锡铭，安运成，王光增，等．环氧树脂低温快速固化剂的合成及性能研究[J]．工程塑料应用，2011(8)：21-23

[4]徐 艳．滨海淤泥快速固化研究[D]．武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2007

[5]邓天庆，王广政．海滩泥沙快速固化技术应用研究[R]．徐州：工程兵指挥学院，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

王广政(1972—)，男，讲师，主要从事道路、桥梁工程设计、抢修抢建等方面的教学与科研工作。2218845853@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.008

TU472.5

A

1672-3953(2016)06-0031-03