路液土壤固化剂改良膨胀土应用技术研究

路液土壤固化剂改良膨胀土应用技术研究

邹鹏1，黄溢1，屈琳娟2，赵诚1，李庆辉2

1.江苏宁淮智能制造产业园投资建设有限公司 淮安 211700 2.江苏路业建设有限公司  南京  210000

摘 要：本研究围绕膨胀土的工程问题展开，详细分析其固有特性及引发的工程难题，通过应用工程实践研究，探讨了路液土壤固化剂处理膨胀土的有效性，采用了实际的材料与方法，对工程应用结果进行了系统的分析。该应用实践不仅验证了路液固化剂对改善膨胀土的工程特性具有显著效果，而且为相关工程实践提供了理论指导和应用价值。该研究的成果对于指导工程建设、减少膨胀土带来的工程风险具有重要意义。

关键词：膨胀土；土壤固化；路液固化剂；工程应用；试验研究；固化效果

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一、引言

膨胀土在土木工程中广泛存在，且对建筑物和路基结构的稳定性构成重大威胁，因此，针对膨胀土的处理显得尤为关键。路液作为一种常用的土壤固化剂，因其显著的固化效果和简便的施工工艺而广受青睐。研究路液土壤固化剂在改良膨胀土中的应用方法和效果，不仅能为工程建设提供有效的技术手段，还具有重要的理论和实践意义。基于上述背景，本文通过对宁淮智能制造产业园梦泉路的应用案例进行深入分析，旨在探讨路液土壤固化剂在膨胀土处理中的实际应用效果及其工程可行性，为工程建设提供技术支持和理论依据。

二、膨胀土的特性与问题

2.1 膨胀土的特性

膨胀土（expansive soil）:土中黏粒成分主要由亲水性矿物质组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土。其关键特性包括吸水后的膨胀性、干燥时的收缩性及其孔隙结构特征。这些特性源于黏土矿物主要分为铝氧四面体（如高岭土）和铝氧八面体（如蒙脱土等）。铝氧八面体由两个宝塔状的四面体叠加形成，两层之间存在夹层，夹层内带有负电荷，可吸附水分和阳离子。当水分进入并撑开层间距离时即为膨胀；当水分蒸发，层间距离减小时即为收缩（开裂）。若有高电荷的阳离子进入并被夹层负电荷吸附，可防止层间距离变化，从而抑制膨胀和收缩。

图1 蒙脱石的铝氧八面体晶体结构

膨胀土的孔隙结构特征是指土壤中的孔隙系统特性，包括孔隙分布、孔隙度和孔隙连通性等。由于膨胀土的孔隙结构与其吸水膨胀性和干燥收缩性密切相关，研究其孔隙结构有助于深入理解膨胀土的特性及其相关问题。

此外，膨胀土具有较高的含水量、较低的抗渗透性和较弱的抗剪强度，这些特性使其在工程施工中容易引发地基沉降、路基变形和建筑物倾斜等问题，严重影响工程的安全性和稳定性。因此，深入研究膨胀土的特性对于解决工程中遇到的相关问题具有重要意义。

2.2 膨胀土的工程问题

膨胀土在工程应用中会导致路基、地基及基础的不稳定和破坏，主要表现在地面起伏、路面开裂、建筑结构变形等工程问题。膨胀土在含水状态下易发生体积变化，进而影响工程结构的稳定性和安全性。此外，膨胀土具有显著的吸水膨胀和干燥收缩特性，使其在工程中易引发地基沉降和变形，威胁地下管线和地下设施的稳定性。膨胀土在受水分影响后，容易发生流变性和渗透性的改变，导致地基和路基的承载力下降，长期使用可能引发路面塌陷和结构损坏。目前，国标规范GB50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》主要通过换填土、地基加固和排水等方法进行处理，但这些方法通常存在成本高、工期长等缺点。因此，探讨更加经济高效的处理方法成为当务之急。

三、路液土壤固化剂概述

3.1 路液固化剂理论基础

土壤表面有一固液界面，即固体颗粒表面包裹了一层水膜。这层水膜的性质（如厚度、zeta电位、阳离子交换量等）关系到土壤的工程性质，如：粘土的塑性、膨胀和收缩、抗剪能力、抗压能力、抗渗能力等。降低水膜层厚度使土壤颗粒间更靠近，土方压实度提高。降低水膜层厚度减少了土壤的空隙度，降低了毛细作用，提高了土方工程的抗渗能力。降低水膜层使土体颗粒表面更为靠近，增加了颗粒间的摩擦阻力，提高了土方工程的抗剪能力。降低水膜层厚度排斥了吸附层中膨胀性阳离子，提高了土方工程的防膨能力。

图2土壤电荷示意图

此外，路液固化剂在土壤中的化学反应会生成新的矿物结构，这些新结构能够增加土壤的抗压强度和稳定性，从而有效地预防地基沉降和路基变形问题。这种处理方法不仅能够显著降低工程成本，还能缩短施工周期，具有广阔的应用前景。

3.2 路液土壤固化剂处理膨胀土机理

图3 膨胀土改良离子交换机理

路液固化剂通过化学方法对膨胀土进行改良，其机理是通过固化剂中高价位的阳离子置换膨胀土中活泼的低价位阳离子，使黏土膨胀性逐步减弱直至失去膨胀性。这种改良方法在实际应用中表现出显著的效果。首先，固化剂中的高价位阳离子如钙、镁等能够有效地置换膨胀土中原有的钠、钾等低价位阳离子，从而改变土壤的化学性质。通过这一过程，膨胀土的结构逐渐变得更加稳定，土壤颗粒之间的结合力增强，膨胀性显著降低。此外，由于高价位阳离子的引入，土壤的粘结力和抗剪强度也得到了提升，从而提高了土壤的工程性能和稳定性。 其次，化学改良不仅能够减少膨胀土的膨胀性，还能改善其渗透性。通过高价位阳离子的置换，土壤的孔隙结构发生变化，孔隙率降低，使得水分难以在土壤中自由迁移。这种变化有效地减少了膨胀土在遇水后的体积变化，从而降低了地基变形的风险，提高了工程的安全性和耐久性。 此外，化学改良方法还具有操作简便、成本较低等优点。固化剂可以通过喷洒、注射等多种方式直接施加到膨胀土上，施工工艺相对简单，不需要复杂的设备和技术支持。与其他改良方法相比，化学改良的材料成本较低，且效果持久，不易反复出现膨胀问题。因此，化学改良方法在实际工程中得到了广泛应用，尤其是在道路、机场跑道、基础设施建设等领域，表现出了显著的经济效益和社会效益。 综上所述，通过化学方法对膨胀土进行改良，不仅能够有效降低其膨胀性，改善土壤的工程性能，还具有施工简便、成本低廉等优点。这一方法在实际工程中具有广泛的应用前景和重要的实际意义。随着研究的深入和技术的不断进步，化学改良方法有望在未来得到更加广泛的推广和应用，为工程建设提供更加可靠的技术支持。

四、膨胀土处理工程实践研究

4.1 改良膨胀土配合比试验与方法

本工程选址盱眙县宁淮智能制造产业园梦泉路，对工程现场土样检测如下表：

表1 宁淮产业园膨胀土素土检测

根据以上参数，宁淮产业园膨胀土矿物主要以蒙脱石为主，改良膨胀土试验选取路液土壤固化剂为R-1000型，试验采用固化剂+石灰掺混处理膨胀土，掺混比例为固化剂与膨胀土的质量的500ml/m³路液+3%石灰、500ml/m³路液+5%石灰、500ml/m³路液+6%石灰，选取最优配合比。

试验规范采用JTG E40-2007《公路土工试验规程》中的T0125-1993《无荷载膨胀率试验》，试验方法主要包括试样制备、试验参数设置、试验设备和试验数据处理等内容。试样制备包括对膨胀土样品的颗粒分选、加固化剂掺混、制备试样。试验参数设置涵盖固化剂掺混比例、试验温度、固化时间等。试验设备主要包括土工试验设备、干燥箱、电子天平等。所有试验数据经过多次重复试验并取平均值，以确保试验结果的可信度。

图4 不同配比的固化剂膨胀率改良

通过以上试验可以看到500ml/m³路液+5%配比第35天即可完全消除膨胀性，为最优配比，为工程应用提供理论依据和技术支撑。

4.2 改良膨胀土工程应用

宁淮智能制造产业园梦泉路，总长1.17km，宽20米，标准横断面为4米人行道+12米车行道；路面结构为10厘米沥青混凝土面层+32厘米路液固化土面基层+20厘米12%石灰土底基层；道路设计等级为城市支路。
本项目采用500ml/m³路液+5%石灰+5%po42.5水泥用于膨胀土改性和固化。

表2 宁淮产业园改良膨胀土工程检测指标

通过对路液土壤固化剂处理膨胀土应用的检测结果可以看出：

路液土壤固化剂对膨胀土具有显著的固化效果，能够有效降低膨胀土的膨胀性能，提高土壤的稳定性和强度。

在路液土壤固化剂的处理下，膨胀土的无侧限抗压强度、压实度和弯沉明显增加，且抗渗性能得到改善，有利于土壤的工程应用。

在实际工程应用中，采用合适的固化剂用量和混合方法，能够有效地改善膨胀土的工程性能，并达到预期的工程效果。

此外，需要进一步探讨的是路液土壤固化剂在不同环境条件下的表现。膨胀土在湿度变化、温度波动下的稳定性是影响道路长期使用性能的关键因素之一。通过长期监测和对比不同季节、不同气候条件下的改良土壤性能，可以更全面地了解这种固化剂的适应性和耐久性。 路液土壤固化剂的应用不仅仅局限于道路建设，还可以推广到其他需要土壤稳定性的工程领域，例如地基处理、边坡防护等。尤其是在高含水量、易塌陷的区域，固化剂的使用可以显著提高施工安全性和工程质量。结合其他改良技术，如土工织物、排水系统等，可以形成综合性的土壤改良方案，进一步提升工程的整体效益。 在经济效益方面，使用路液土壤固化剂改性膨胀土相较于传统方法具有一定的成本优势。虽然前期投入可能较高，但从长期维护和修缮的角度来看，这种技术可以减少后期的维修费用和道路封闭带来的社会成本。通过合理的成本-效益分析，可以为决策者提供有力的依据，推动这种技术的推广和应用。 未来的研究可以集中在优化固化剂配方和施工工艺上。通过实验室模拟试验和现场实际应用数据的积累，逐步调整固化剂的成分比例和施工参数，以达到最佳的改良效果。同时，考虑到环境保护和可持续发展的要求，开发环保型、无毒害的固化剂也是一个重要的研究方向。 综上所述，路液土壤固化剂在宁淮智能制造产业园的应用展示了其在膨胀土改性中的显著效果，未来的研究和应用拓展将进一步提升其工程价值和社会效益。

五、结论

通过对路液土壤固化剂在膨胀土处理中的实际应用，我们得出以下结论： 

首先，路液固化剂的使用不仅在施工效率和环境保护方面表现出色，还为资源的可持续利用开辟了新途径。在传统的土壤处理方法中，通常需要大量的砂石和其他填料，这不仅增加了成本，还对自然资源造成了巨大压力。路液固化剂技术的应用则能够利用本地膨胀土资源，通过化学改性使其满足工程要求，达到环保与经济效益的双赢。 其次，该技术的推广应用将有效推动绿色施工理念的普及。在当前全球气候变化的背景下，建筑行业作为主要的碳排放源之一，急需寻找低碳、环保的施工技术。路液固化剂的使用减少了传统施工过程中的碳排放，并且在施工过程中不产生有害废弃物，符合绿色施工的理念和要求，有助于实现建筑行业的可持续发展目标。 再次，路液固化剂在其他基础设施建设中的应用潜力巨大。除了城市道路建设外，该技术还可以应用于铁路、公路、水利工程等领域，特别是在地质条件复杂、膨胀土广泛分布的地区。通过改性处理，不仅可以提高基础设施的稳定性和耐久性，还能减少维修和养护成本，延长使用寿命，从而降低整体工程成本。 最后，随着技术的不断进步，路液固化剂的配方和使用方法将进一步优化，适应更多复杂的地质条件和工程需求。未来，结合智能制造技术，通过大数据分析、人工智能等手段，能够实现对改性效果的精确控制和预测，进一步提升施工质量和效率。同时，政策支持和行业标准的制定也将促进该技术的普及和规范应用，为其在更大范围内的推广提供保障。 综上所述，路液土壤固化剂在膨胀土处理中的应用前景广阔，不仅为工程建设提供了高效、经济的解决方案，还对环境保护和资源利用具有重要意义。随着技术的不断发展和完善，这一改性方法将在更多领域展现其价值，为建设更加可持续的基础设施贡献力量。

参考文献

[1] GB 50112-2013.膨胀土地区建筑技术规范.

[2] 张银峰.微生物固化膨胀土工程特性试验研究及微观机理分析[J].,2021

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[5] 廖海坚.石灰+固化剂边坡膨胀土改良技术探析[J].交通世界,2022

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