ISS土壤固化剂在道路基层中的应用.pdf

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1、ISS 土壤固化剂在道路基层中的应用徐希娟1，2周新锋2摘摘 要：要：半刚性基层易于产生干缩和温缩裂缝，影响基层质量，给道路的使用品质带来较大的损害，为了提高基层的抗裂性能和水稳性能，研究了 ISS 土壤固化剂在道路基层中的应用。首先，从化学结构方面分析了固化剂的亲水和疏水二重性，提出了 ISS 土壤固化剂的固化原理。其次，通过分析土壤的性能，设计具有针对性的固化剂品种和掺量，根据水稳性的效果，设计不同的稳定剂类型及含量，进行了 ISS 固化土无侧限抗压强度、劈裂强度和水稳性等路用性能试验；最后，结合工程对ISS 固化土进行了经济和社会效益分析。结果表明，与二灰稳定碎石相比， ISS 固化土具

2、有优良的抗裂性能和水稳性，其它各项路用性能均满足基层技术要求，可以作为道路基层使用；与二灰稳定碎石相比在工程造价上有明显降低，节约了投资；ISS 土壤固化剂为一种环保材料，在使用过程中减少了石灰、碎石等原材料的使用，为环境保护起到巨大作用。关键词：关键词：道路工程；ISS；固化机理；抗裂性能；水稳性0 概述路面基层是路面的主要承重层，基层的质量直接影响路面的使用性能和使用寿命。长期以来，使用最多的基层材料为水泥、石灰、二灰类稳定材料半刚性基层，但是，由于以上材料水稳性差、收缩性大等特点，使得路面基层的质量和长期耐久性能无法得到保证，因此寻求路用性能更好的基层材料，解决基层的水稳性能、抗收缩开裂

3、性能、抗冻性能等问题，是十分迫切和必要的。ISS(ISS-Ionic Soil Stabilizer)固化剂是由石油裂解产物加以磺化后所得到的一种化学剂。系腐蚀性强酸，对已死机体有较强腐蚀作用，但对活有机体则只有轻度作用。ISS 固化剂常态下为黑色液体，略粘于水，易溶于水，溶于水后迅速离子化而使溶液呈高导电性。通过不断的优化完善， ISS土壤固化剂作为一种新型胶结材料应用于公路路基及路面基层中，取代水泥、石灰等胶凝材料，它比水泥、石灰性能更加优越。应用 ISS 土壤固化技术可就地取材 ,确保工程质量、加快工期、降低工程造价。1 固化原理ISS 土壤固化剂是一种电气化学的土壤稳固剂，与一般的化学

4、稳固剂不同，它含有活性成分磺化油(Sulphonated Oil)（一种水溶性药剂，溶解于水之后成为离子交换中介物） 。磺化油是一种阴离子型表面活性剂(Surface Activereagent)，在结构上它具有独特的二重性，由一种名为磺酸的有机化合物的 “亲水头(HydroPhylic Head)” 及一个由碳和氢原子组成的 “疏水尾” (Hydrophobic Tail)所构成(图 1)。OSO HO亲水头疏水尾图 1 磺化油分子示意图1、长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064，xxj96_ ；2、西安公路研究所，陕西 西安 710054，zxf_亲水头可完全

5、溶解于水或与水相混溶， 但不溶于大部分的有机溶剂中。 当磺化油分散于水中时，亲水头这部分分子将产生离解作用从而产生一个 SO32-离子，它通过硫原子联结到分子尾部的疏水尾上。这个疏水尾是由碳和氢原子组成的集合体，完全不溶于水，却具有亲液的特性，可混溶于油及无极性溶剂中。由于 ISS 的这种独特的分子结构及二重性，加入土中能电解出带正电荷和带负电荷的有机离子，能活化土壤中的多价离子如Al3+、Ca2+离子，使之与土壤表面的一价阳离子如Na+、K+离子等发生交换，破坏土壤表面双电层，减弱水分的亲和力，抑制土壤的湿胀干缩，从而达到稳定土壤的作用。2原材料性质2.1 ISS 土壤固化剂本次研究采用西安

6、雅力新材料科技开发有限公司提供的ISS 土壤固化剂。略粘于水，易溶于水，容重ISS=1.25，pH 值约 1.25。2.2土采用西安高新区试验路的土壤，根据公路土工试验规程 （JTG E40-2007）对土样进行了室内试验，试验结果见表 1。表土样的试验结果技术指标颗粒百分比20.0740.0740.0050.0050.0020.002比重s液限塑限塑性指数土壤分类单位g/cm3（）（）（）试验结果0.568.615.615.32.7135.719.516.2粘性土2.3石灰采用陕西富平生产的消石灰，经检验石灰等级为3 级。2.4水本次室内试验研究采用的是自来水 ,在施工中人或牲畜饮用水即 p

7、 H 值 5 的水源均可使用。3 ISS 土壤固化剂稳定土路用性能研究3.1 ISS 土壤固化剂稳定土最佳配合比设计为了提高固化土的早期强度以及稳定的效果，在固化土中添加少剂量的水硬性胶结材料。通过对胶结材料性能的广泛了解分析，初步确定采用目前路面上经常使用的石灰作为稳定剂，对ISS 固化土进行进一步稳定，同时提高其早期强度。对以上材料变化添加剂量，利用室内击实试验和 7d 无侧限饱水抗压强度的试验结果，确定合适的稳定材料及其添加剂量。按照交通部行业标准公路工程无机结合料稳定材料试验规程 （JTJ057-94）的试验方法，进行了室内的标准击实试验和 7 天抗压强度试验，试验结果见表2。表 2标

8、准击实及 7 天抗压强度试验结果编号ABCDEFG石灰剂量（%）012345ISS剂量（/万）111111最大干密度（g/cm3）1.8681.8121.7301.7201.7101.701最佳含水量（%）14.016.218.018.118.218.37天抗压强度（MPa）崩解崩解1.001.101.111.111.69218.41.1061从试验结果可以明显看到，对于 ISS 固化土，石灰的添加明显提高了固化土的强度，随着石灰剂量的增加， 固化土的强度出现了最高点。 对比 ISS 掺加量为 1/万的加 4%石灰和其它混合料强度结果，A、B 组试件遇水后都会崩解泥化，C、D、E、F、G 饱水

9、后都没有崩解，强度在E 组时出现了最大值，说明用 ISS 土壤固化剂和石灰共同固化素土的最佳组合为ISS 固化剂用量为 1/万、石灰剂量为 4%。3.2 ISS 土壤固化剂稳定土无侧限抗压强度无侧限抗压强度是评价基层材料路用性能的一个重要指标，为了说明 ISS 复合固化土在抗压强度方面，能够满足作为基层材料的要求，根据标准击实试验得到的最大干密度和最佳含水量结果，成型5cmh5cm 试件，进行无侧限饱水抗压强度试验。试验结果见表3。表 3无侧限抗压强度（MPa）试验结果种类4%石灰+1.0/万 ISS二灰碎石龄期（d）71.000.73281.862.30902.654.331802.955.

10、10-数据选自滕绪秋的二灰碎石混合料配合比设计及路用性能研究 ，下同。从表 3 中数据可知， 两种材料早期强度均大于0.8MPa， 都满足施工规范要求。 目前基层设计中，对于半刚性材料通常要求其无侧限抗压强度应达到35MPa， 基层抗压强度控制指标过高， 同时半刚性基层材料变形小，易断裂的缺点依然没有改变， 反射裂缝仍然为半刚性基层路面的主要破坏模式。因此提出了柔性基层的概念，希望采用新材料或新结构，降低基层的抗压强度和抗压回弹模量（刚度） ，提高抗拉强度和抗弯拉强度，减少甚至消除基层的反射裂缝。因此，对于ISS 固化土，分析其路用性能时应将抗压强度和抗压回弹模量控制在合适的范围内，不应认为越

11、高越好，重要的在于提高材料抗拉和抗弯拉能力和抗变形收缩能力。3.3 ISS 土壤固化剂稳定土劈裂强度一种良好的基层材料，不仅要求其有较高的抗压强度，还必须具备一定的抗拉强度，其中劈裂强度就是目前用来衡量抗拉强度的一个基本指标。劈裂强度是半刚性基层设计及反映其抗裂性能的重要指标，劈裂强度的大小直接影响着材料的路用性能。当劈裂强度高时，基层裂缝少，防水性和防渗性强，能减少面层的裂缝产生。表 4劈裂强度（MPa）试验结果种类4%石灰+1.0/万 ISS二灰碎石龄期（d）70.150.04280.190.11900.450.471801.150.65从表 4 中可以看到：（1）随着龄期的增加，不同类型

12、的混合料的劈裂强度随之增加，但是增长幅度不同。二灰稳定碎石试件的劈裂强度从90d 到 180d 的增长了 38%， 而采用 ISS 固化剂试件的劈裂强度从90d 到 180d增长了 156%。通过对上述数据的对比可知，添加ISS 固化剂的试件的抗拉能力明显提高，具有良好的抵抗破坏的能力。（2）对比混合料的劈裂强度值，180d 时 ISS 试件最高， ISS 试件劈裂强度是普通二灰稳定碎石的 1.77 倍。说明 ISS 固化土是一种抗拉性能优良的材料。 与目前常用的沥青混合料基层的有关强度指标相比之下，ISS 固化土的抗拉性能已经与柔性路用材料相当，而其抗压强度又略大于这些柔性材料，进一步说明

13、ISS 是一种优良的土壤固化剂。3.4 ISS 土壤固化剂稳定土水稳性通常意义上，基层材料的水稳性用水稳系数(R 饱水/R 干压)来评价，表 5 为不同配合比条件下固化土的水稳系数。表 5水稳性试验结果样品种类饱水抗压强度 R饱水未饱水抗压强度 R干压(MPa)(MPa)7d素土素土+1/万 ISS素土+1/万 ISS+2%石灰崩解崩解0.9328d崩解崩解1.257d11.121.5628d1.051.321.86水稳系数7d0.6028d0.67素土+1/万 ISS+4%石1.001.861.622.560.620.73灰从表 5 中可以看到：1、对于素土，如果仅仅掺加ISS 对土进行加固

14、，试件浸水后很快崩解成泥，浸水稳定性很差。采用标准条件养生，但最后24h 不饱水（即干压） ，试件有一定的强度。2、掺加 2%和 4%石灰后的 ISS 固化土试件，养生 7d 后的水稳系数基本相同，说明石灰剂量的变化对 ISS 固化土早期的水稳性影响不大； 养生 28d 后，两个石灰剂量的试件的水稳系数均有提高，但 4%石灰剂量的试件提高幅度更大， 说明随龄期增长， 石灰逐渐与固化土发生反应使固化土的强度提高，水稳性增强。4试验路实体工程位于西安高新开发区沣惠南路与唐延路之间新增加的一条规划路， 试验路全长 150 米。规划道路红线宽 20 米，单幅路，其中，机动车道宽9 米，路侧带每侧各宽5

15、.5 米。面层为5cm 厚中粒式沥青砼（AC-16I） ，透层油 1kg/m2，基层为 20cm 厚灰土碎石（重量比 4:16:80）+1/万 ISS 固化剂，底基层为20cm 厚 4%石灰土+1/万 ISS 固化剂，压实路床（重型压实） 。总厚度45cm。现已使用3 年多，未出现裂缝，使用性能良好。通过对试验路段钻芯取样并进行强度和水稳定性检测结果见表 6。表 6试验路段检测结果道路名称科技七路丈八五路施工日期2004.112003.11钻芯日期2007.5.142007.5.14试验日期2007.5.212007.5.21抗压强度（MPa）3.153.34水稳定性能饱水 6 天未出现裂纹饱

16、水 6 天未出现裂纹通过试验段可以看出，ISS 土壤固化剂稳定土的强度和水稳定性能随着龄期的增加而增强。5经济效益分析（1）材料费由于 ISS 结构层充分利用天然土为主要原料，不需弃土外运或运输土方回填，明显比常规路用材料如碎石、砂、水泥等工程造价要低得多。且由于ISS 可有效地提高土基的回弹模量值和CBR值，因而可比常规道路减薄路面结构层的厚度，降低工程造价。（2）挖运费由于 ISS 固化剂可以充分利用当地材料，无需大量挖弃不良土壤，使运费节省约80%，工程成本费用得到降低。由于挖弃与运量减少，还可以减轻或避免环境的破坏和污染。（3）环保费用ISS 是一种环保材料，施工后 ISS 土层基面极

17、少尘土，对周围环境不会构成污染， 有利于环境保护。6总结ISS 土壤固化剂作为一种新型的胶结材料，具有优越的路用性能，解决了路面基层的水稳定性能和抗裂性能，同时具有合适的强度和刚度、施工工艺简单、价格便宜等优点，ISS 固化土对环境的污染小，社会效益非常显著，是一种经济环保的新型筑路材料。因此 ISS 土壤固化剂是一种具有非常良好推广前景的新型筑路材料。参考文献参考文献1. 沙庆林，高等级公路半刚性基层沥青路面，北京：人民交通出版社， 1998 年 9 月。2. 中华人民共和国行业标准，公路工程集料试验规程（JTJ0582000），北京：人民交通出版社，2000 年。3. 中华人民共和国行业标准，公路路面基层施工技术规范（JTJ0342000），北京：人民交通出版社，2000 年。4. 彭波.固化剂加固土的研究D.西安公路交通大学,1998。5. 汪益敏,张丽娟,苏卫国。ISS 加固土的实验研究.公路,2001(7):39-43。6. 滕旭秋. 二灰碎石混合料配合比设计及路用性能研究，长安大学硕士论文， 2003 年 5 月