特种结构剂与特种黏土固化浆液

第1章绪论 1.1工程背景与存在问题 20世纪以来，土木工程日益兴起且发展速度越来越快，特别是在21世纪迎来了迅猛发展的新机遇。然而，随着已建工程越来越多、良好建筑场地越来越少、天然地基条件越来越差，并且工程规模与荷载越来越大、平面与竖向布置越来越复杂、安全度与舒适度要求越来越高，因此对建筑场地或地基服役性、稳定性、承载力等要求也越来越高，此外还需要解决岩土冻融、边坡安全、工程抗震、地下水害等岩土工程防灾减灾问题，这些均要求可靠解决岩土防渗加固、岩土冻害防控、特殊土性能改良三大问题。解决这三大问题的技术可行性、施工快捷性、经济节减性、见效显著性的两类措施有：①基于化学机理［1-14］，按照一定比例向土中掺入某种土壤固化剂（结构剂），碾压密实、成型，自然养护；②基于注浆原理［15-35］，按照设计要求，向岩土中灌注某种渗透浆液，如普通水泥浆液、水泥黏土浆液(黏土固化浆液)、水玻璃水泥浆液、化学浆液等。长期广泛应用的各种土壤固化剂或注浆材料，多数因存在不同性能问题而不满足设计要求，有的在性能上满足设计要求，但存在具有一定毒性(有害施工人身安全)、污染环境或地下水、材料造价高昂、施工难度大等问题。因此，亟待开发性能高效、施工快捷、取材方便、经济实用、环保安全的新型土壤固化剂、注浆材料。 在建筑工程、地铁工程、道路工程、机场工程、地下工程、输送工程、采矿工程、冶金工程等快速发展的今天，日益暴增大量各种工业固废，如建筑垃圾、建筑渣土（工程弃土）、高炉水渣、钻井泥浆、粉煤灰、凝石膏、核废料、碎石粉、尾矿等，绝大多数均露天排放或地下掩埋，不仅严重污染土壤、大气、地表水、地下水等环境，而且占用耕地、破坏植被，同时存在滑坡、泥石流等安全隐患，还给相关企业额外增加巨额的征地费、弃土费、毁林费、作物补偿费、环境补偿费、安全防控费等。事实上，不存在真正意义的废物，一种材料放错位置、用错对象才是废物，这些所谓的工业固废均实属难得的有用材料，完全可以回收再利用——资源化利用，特别是在材料资源越来越少的当代意义重大，若实在太多而目前用不完，也可做环保安全处置，以备未来利用。正因为如此，工业固废资源化利用技术一跃成为世界各发达国家或快速发展的发展中国家积极研究与实践的热点课题［36-58］。然而，亟待解决的各种工业固废资源化利用的材料技术问题，要求该技术具有高效、快捷、安全、经济等优势。 鉴于上述，基于矿物结晶原理，利用天然矿物材料，历经20多年攻关创新与实践［59-63］，我们开发了一系列矿物基类胶凝材料技术——特种结构剂应用技术，分别用于岩土防渗加固、岩土冻害防控、特殊土性能改良、工业固废回收利用、工业固废安全处置、高性能注浆材料(特种黏土固化浆液)，具有性能高效、施工快捷、环保安全、就地取材、经济节减等诸多优势。 1.2岩土工程结构剂技术 国际上，岩土工程防渗加固、冻害防控与特殊土性能改良的传统措施采用的是土壤结构剂（固化剂或外加剂，soil stabilizing admixtures）技术。据考古发现，中国在世界上*早应用土壤固化技术，土壤结构剂的研究与实践历史悠久，早在夏、商时代就采用黏性与稳定性较大的胶凝材料做土墓的周壁、隔墙，至今已有5000多年历史。石灰自问世以来，*早就是作为胶凝材料为人类所用，公元前8世纪古希腊人已将其用于建筑；公元前7世纪中国开始使用石灰（保留的不少古代夯实地基遗址均采用石灰作为土壤固化剂，秦长城建造也是一个例证）；古埃及人将石灰作为一种建筑材料并*早采用石灰砂浆(类水泥胶凝材料)建造金字塔；古罗马人采用另一种类水泥胶凝材料——水凝水泥建造罗马圆形大剧场、众神庙、古壁石道，这些石灰与类水泥胶凝材料实际是改良土壤工程性能的土壤结构剂。1796年，英国人Smeaton将煅烧后的石灰石（灰岩）掺入土中，在Cornish海岸建造了Eddystone灯塔，标志水泥雏形的诞生，尔后这种早期水泥胶凝材料便作为土壤结构剂，越来越多地用于地基、路基、堤防、渠道等施工；自1824年英国人约瑟夫 阿斯谱丁首次发明现代水泥（硅酸盐水泥）以来，水泥一直作为一种理想的土壤固化剂广泛用于各种土体防渗加固。中国自西周至清朝，一直沿用糯米浆与标准砂浆混合成的超强度“糯米砂浆”，一种高性能有机与无机混合材料(有机成分为支链淀粉——糯米浆，无机成分为碳酸钙、硫酸钙、熟石灰)，这种混合材料实际为砂料的胶凝材料（修复古建筑的*好胶凝材料），建造了2×104km长城（长城千年不倒，即得益于这种胶凝材料），以及其他古建筑。人类使用“三合土”技术进行土体防渗加固的历史源远流长，继石灰作为土壤胶凝材料之后，通过对石灰使用工艺进行改进，逐步形成“三合土”技术，在公元前3000～前2000年期间开始出现“三合土”地基。三合土，顾名思义由三种材料组成（类似于罗马砂浆），如“石灰＋火山灰＋砂子”按比例混合料（其中石灰、火山灰即土壤固化剂），中国明代有“石灰＋陶粉＋碎石”三合土，清代有“石灰＋黏土＋细砂”三合土、“石灰＋炉渣＋砂子”三合土。三合土，以石灰、黏土、黄土或火山灰作为胶凝材料，以细砂、碎石、炉渣作为填料或骨料。 现代土壤固化剂，据材料类型分为有机材料、无机材料；据物态分为粉末状固体、液体。现代土壤固化剂以无机材料、粉末状固体为主，有机材料存在一定有害人身安全的毒性且可造成环境土壤与地下水污染，价格也高，因此使用上严格受限；液体材料具有很好的渗透性，但是储运不便、价格偏高。土壤固化剂按照一定比例掺入土壤中且拌合均匀，通过固化剂活性成分与土中活性成分、水发生一系列物理化学反应，改善土壤工程性能。长期以来，各种土壤固化剂广泛应用于地基、路基、边坡、大坝、堤防、渠道、港工等众多工程领域，以及盐渍土与膨胀土等特殊土性能改良、生活垃圾与污染土等去污与修复。 目前，土壤固化剂主要为水泥类凝胶材料、火山灰类凝胶材料、高炉渣类胶凝材料（钢渣粉、水渣粉）、粉煤灰类胶凝材料。高炉渣类胶凝材料、粉煤灰类胶凝材料须由水泥、石灰等引发剂激发产生水化反应胶凝，引发剂与凝胶材料的组合主要有：水泥＋粉煤灰、水泥＋高炉渣、水泥＋炉窑灰、石灰＋粉煤灰、石灰＋高炉渣、石灰＋炉窑灰、水泥＋石灰＋粉煤灰、水泥＋石灰＋高炉渣、水泥＋石灰＋炉窑灰。铅、锌、镉、铜等重金属污染土壤，可以直接采用某些具有特殊性能的土壤固化剂（凝胶材料）进行固化，也可添加黏土或沸石强化；砷、汞污染土一般需要进行强化，砷需要添加氧化钙类物质提高Ca/As值、促进砷酸钙沉淀，采用对砷有亲和吸附力的零价铁、铁盐、氧化铁可以增强固化效果，氧化剂将As3+转化成As5+，也可以增加固化效果；汞添加硫黄、硫化物等形成硫化汞沉淀，也可以添加活性炭、改性活性炭、改性沸石等吸附材料稳定汞。中国在污染土壤固化修复方面，以采用水泥、水泥＋粉煤灰为主，基本不采用外加剂调整固化土性能，如添加减水剂增强固化土的强度、添加填充剂封闭与缩减固化土的孔隙以降低渗透性。 特别值得提出的是，水利工程中广泛应用一种称为土固精（Toogood，液体土壤胶凝材料）的土壤固化剂，是一种由石油裂解产物经过磺化处理而得到的低分子化学剂，用于土坝加固、土壤固结；土固精掺入土中，发生置换水反应、离子交换反应，主要生成一种非水溶性络合物，通过改变土颗粒表面电荷特性，降低土颗粒之间排斥力、破坏土颗粒对水吸附力，使土无法吸收更多水分，因此增大土的密实度、提高土的压实度，但是这种土固精与土颗粒之间无黏结作用。土固精，虽然称为土壤固化剂，但是固土机理并非一般土壤固化剂的物理化学反应作用，而是电荷作用。 近年来，在筑路工程中，采用一种生物酶制品作为土壤固化剂，称为生物酶土壤固化剂（代替传统的水泥稳定土技术、水泥石灰稳定土技术、石灰粉煤灰稳定土技术），富含酶的物质经过自然发酵制成。将这种土壤固化剂均匀掺入土中，通过酶的催化作用，提高土的密实度、降低土的膨胀性、增大土颗粒的凝聚力，从而加强土的抗渗性、抗冻性、稳定性且增大土的强度，从而极大改良土的工程性能。这种生物酶土壤固化剂技术堪称现代筑路技术的一场新革命，很好地避免了水泥土、水泥石灰土、石灰粉煤灰土等半刚性路基因发生翻浆、冒泥而诱发路面开裂、塌坈的破坏问题。 现有多种土体加固方法，可以分为物理方法（如堆载法、真空压密法、CFG桩法、强夯法等）、化学方法（即土壤固化剂法）、综合方法（如土壤固化剂法＋碾压密实法）。由于土壤固化技术具有适用性强、施工快捷等优势，长期广泛应用至今。土壤固化技术的关键在于固化剂的精心选择、合理调配，以达到岩土防渗加固、岩土冻害防控、特殊土性能改良的目的，并且要求经济节减、施工快捷、长期有效。然而，现行各种土壤固化剂很难同时具备这些性能。例如，中国目前常用的石灰稳定土、二灰稳定土、三合土等技术，不仅存在固化土强度较低、密实性较差、水稳性较差、耐久性不足等问题，而且解决不了或不能长期有效解决盐渍土、吹填土、膨胀土等特殊土性能改良与密实加固问题。因此，亟待开发性能高效、经济节减、施工快捷的新型土壤固化剂，以满足各种条件下岩土防渗加固、冻害防控与特殊土性能改良、密实加固的工程需求。 在土木工程进入快速发展的新时代，岩土防渗加固与冻害防控、盐渍土与膨胀土等特殊土性能改良的土壤固化剂技术迎来了新的发展机遇，也面临新的性能要求挑战。工程要求土壤固化剂具有如此高效的技术性能，即土快速固化、固化膨胀，并且固化土在自然养护下，能够大幅度提高土的抗压强度、抗剪强度、抗渗性、抗软化性、抗崩解性、抗冻性、稳定性，施工快捷、无污染、成本低。 1.3注浆技术历史与现状 传统注浆技术，具有适应性强、取材广泛、设备简单、技术不高、施工快捷、快速见效、成本较低等诸多优势，在工程中应用日益广泛，如岩土加固、止水堵漏、防塌防沉、冻害防治、滑坡防控等首选注浆技术。 注浆技术，早在19世纪便用于地基防渗加固，但是直到20世纪初才有重大进展。注浆技术发展大致分四个阶段：原始黏土浆液注浆阶段，1802～1857年；初期水泥浆液注浆阶段，1858～1919年；中期化学浆液注浆阶段，1920～1969年；现代先进技术注浆阶段，1969年之后，主要体现为注浆泵高性能、浆液材料多样化、施工工艺先进性、工程设计标准化、应用范围更广泛。 1802年，法国工程师查理斯 贝里格尼，采用一种木制冲击筒装置，通过人工锤击方法，向地层中挤压黏土浆液，标志注浆技术诞生。19世纪中期，法国采用这种注浆方法，进行多种地基加固。尔后，这种注浆方法相继传入英国、埃及。1802～1857年，注浆技术处于较原始的萌芽阶段，浆液主要是黏土、火山灰、生石灰等简单材料。 1824年，英国学者约瑟夫 阿斯谱丁研制出现代水泥——硅酸盐水泥。1856～1858年，英国学者基尼普尔，采用水泥作为注浆材料，进行一系列注浆试验且获成功，标志水泥材料注浆问世。1808～1905年，出现了压缩空气装置、压力注浆泵等注浆设备，为水泥浆液灌注技术推广应用创造了条件，标志注浆技术发展进入初期水泥浆液注浆阶段，至1919年达到成熟期。 1920年，荷兰采矿工程师尤斯登，首次采用水玻璃、氯化钙两种浆液，开发了双液双系统的二次静压注浆技术，开始化学注浆技术。1950～1975年，化学注浆迅猛发展。但是，由于化学浆液具有一定环境危害污染、甚至引起中毒事件（日本福岗，1974年），所以20世纪70年代后期世界各国相继禁止采用有毒化学注浆材料，并且其他化学浆液的应用也受一定限制。 20世纪60年代末期，出现了高压喷射注浆技术。结合水力采煤技术与注浆技术，首先喷射高压水或浆液切割土体形成空穴，再通过高压喷射回流将浆液与土充分搅拌混合均匀成为混合物，混合物固结、密实、成型，克服了软土注浆难以控制之不足，也在一定程度上解决了黏土、粉土、细砂土灌注的难题。高压喷射注浆技术，使浆液结石体由散体发展为结构体。故此，渗透注浆（低压注浆，土体不变形，土的孔隙被浆液