BTS土壤固化剂的作用机理和工程应用研究

张信贵 莫泽扬 何本春,2 韩 伟 张懿丹 尹明军

（1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004 ；2.广西桂民投新材料科技有限公司，广西 南宁 530221 ；3.广西大学设计研究院，广西 南宁 530004 ；4.广西壮族自治区建筑工程质量检测中心，广西 南宁 530004 ）

1 研究背景及现状

近年来，广西壮族自治区为加快了高速公路的建设，至2020年底，广西壮族自治区的高速公路里程已经超过8000 公里。现阶段高速公路中使用比较广泛的半刚性基层材料是水泥稳定碎石层（简称水稳层），相较于其它材料，水稳层强度高、受力均匀、整体性好，而且施工工艺简单。伴随着高速公路的发展建设，需要消耗大量的碎石材料，而该材料的生产、运输和存放都会造成环境污染和能源浪费，如何解决环保与发展的矛盾也是我们目前所面临的一大难题[1,2]。

我国从八十年代开始就从国外引入高性能土壤固化剂，在环境和经济上也取得了不错的效益[3]。目前，各种土壤固化剂已广泛推广于我国的建筑、水利、公路和铁路等工程中。

土壤固化剂是一种可以快速而显著地改变土壤的物理力学性能的工程材料，能减小颗粒间空隙，且压实度高、收缩量小，并满足工程需要的强度，不容易再次“泥化”。固化剂的主要作用是固化土壤，以土壤为原材料，取材方便、运输成本低，并具有良好的加固效果，在经济性和可行性两方面都能有效替代水稳层。目前国内外针对各种土壤固化剂的研究已经成果颇丰，我国地域广阔，在公路建设上还有很大需求，但是对于使用固化剂固化土壤来代替水稳层的研究和应用还不多。因此，研究土壤固化剂在路面基层建设中对水稳层的替代作用，具有很重要的推广意义和经验价值。

2 路面水泥稳定碎石层的性能要求

在公路中，路面结构层主要分为三层：面层、基层和底基层。水稳层一般处于面层之下，并与基层接触，主要作用是提高水稳性能和分散面层荷载，因此针对不同等级的公路，规范上主要提出下面几个要求[4]。

（1）足够的强度和刚度：车辆荷载经过面层传递至基层材料，会使材料产生变形，强度不够导致变形过大，会影响使用：刚度过大，会使路面开裂。

（2）水稳性：降雨和地下水造成公路积水，稳定性不足会使路面泥泞变形。

（3）抗冲刷性：大量降雨或路面积水的情况下，路面结构层都会被渗透，加上车辆荷载的作用，能产生很大的挤水效果，在水流作用下，与整体结构层结合性较差的基层材料会被冲刷带走，导致基层结构强度降低直至破坏。

（4）足够大的疲劳寿命：车辆荷载的反复作用下，路面材料易产生残余应力和疲劳变形。所以需要有足够的抗疲劳能力，以防止变形过大导致的路面破坏。

（5）良好的耐久性能：在冷热交替和干湿变化的过程中，材料的强度会逐渐降低，而作为基层材料，必须保证材料的强度符合要求。

水稳层内部的结构组成机制与其路用的性能有关。其内部是一种非均质结构体系，由固、气、液三相组成。混合材料的龄期变化，也会导致材料的单元、孔隙、自由水含量变化，并通过物理化学作用，生成新的化合物，改变材料的宏观力学性能，使材料的抗收缩能力和整体性增强等。

从三个方面分析水稳层材料的强度形成：第一是材料中粗、细集料的配合比和宏观构造形式，主要体现在集料的排列方式和集料间的相互作用上；第二是材料中的水泥水化，在物理化学作用下生成各种胶结物，包括它们的分布形式：第三则是上述两点间的相互作用和分布。

3 BTS 土壤固化剂对粘性土的加固机理

本文使用的BTS 土壤固化剂是一种石油磺化产品（Sulphonated Petroleum Products），在目前国内外各种土壤固化剂的分类中，它属于离子型的固化剂，简称SPP 类土壤稳定剂[5-7]。

BTS 土壤固化剂的基本特性和主要反应有以下几点：（1）是由多种高分子聚合物混合而成的化学物质；(2)完全溶解于水；(3)是离子交换剂，由多种成分的稳定剂和表面活性剂组成；(4)主要活性成分是高价离子交换混合硫化物；(5)分子结构具有二元性：其中一端为憎水基，另一端为亲水基；(6)通过离子交换，靠亲水基的化学键吸附于土颗粒表面，置换土颗粒表面的吸附水，并从土壤排出；(7) 另一端的憎水基排斥水分子，使土壤从亲水变成憎水，减少土体含水量，并形成永久性保护层；(8)碾压作用下，土壤中的水分很容易被排出，使土壤的密实度增大; (9)利用化学反应使土颗粒岩化，并能有效使土壤稳定。

BTS 固化土壤是结合了物理和化学的固化方式，其活性成分主要是硫化油。硫化油混合物的存在使其能够发挥永久作用，在粘土颗粒和固化剂之间产生长效的粘结，保证粘性土长期实现水土分离。其固化原理结合SPP 类稳定剂的特征分为以下几个方面。

3.1 作为表面活性剂改善粘土-水界面的表面化学作用

表面活性剂是BTS 固化剂最重要的活性成分，能够改变界面性质、降低物质的表面能量，形成吸附在土壤颗粒表面的分子集合体，并减少水的吸附。

3.2 粘土-水-稳定剂溶液离子交换机制及双电层理论

主要分为三点，一是按照双电层理论，粘土颗粒表面的双电层能和固化剂发生电化学反应，反应之后，电势降低，双电层变薄，土颗粒间的能垒也相应变小，连结强度得到提高，起到了加固的作用；二是在电离作用和离子交换下破坏了层间水的结构，让粘土颗粒吸附水的能力变弱，使多余的水变成了游离状态的自由水，起到了排水的作用；三是改变了粘土颗粒的表面性质，通过物理化学作用，使原本吸水的粘土颗粒吸附活性剂，产生憎水性，起到了稳定的作用。

除此之外，还有一些辅助作用，比如辅助压密和降低土壤吸水的表面张力等。

3.3 外部的物理压密作用

借助外力反复压实，使土块重新排列，填实土颗粒间的空隙，减小相互距离。对于非饱和土，主要是压密土壤间的孔隙，排出里面的空气；对于饱和土的压实，自由水会先排出，在土颗粒不断靠近的过程中，表面的薄膜水相互接触，在挤压作用下，部分薄膜水变成自由水从土体周围逸出。

用BTS 固化剂处理粘性土，在压实前，部分薄膜水就会因为化学作用转变为自由水，并且粘土颗粒之间会因为表面性质的改变而产生吸引力。在压实到一定程度后，便能够能消除土壤在表面张力作用下的吸水能力，以及土壤间孔隙的毛细吸水作用，经过处理后的土体便不容易再次吸水导致土壤强度下降。

4 BTS 土壤固化剂的工程应用

从实际应用的工程现场数据来看，BTS 土壤稳定固化剂基层固化材料具有高密实度、高承载力、高稳定性的特征，解决了目前施工材料中基层沉降、道路翻浆下陷及普遍存在的基层损坏、面层开裂的传统问题。

4.1 广西南宁市富庶乡某公路

富庶至合志公路富庶乡段是位于南宁市郊区的一条砂土路。2001年，由于车辆超载和缺乏养护的原因，该路路面出现大量坑槽，车辆难以继续通行。为此，广西南宁市交通局组织对该路进行修复施工，使用K0+000～K3+000作为BTS 土壤固化剂在公路施工中应用的试验路，K0+000～K3+000 则采用泥结河卵石材料进行中修，两端路进行对比。

表4-1 南宁富庶乡公路现场试验数据

由表可知：最大干密度从2.01 克/cm3增至2.19 克/cm3，增加 0.18 克/cm3，经计算，干密度增加至109%；最佳含水量从15.0%减至9.9%，减少5.1%, 即含水量减少35%；

4.2 湖南长沙市双新公路

该路段位于长沙市宁乡县煤炭坝镇境内，原有路面为泥结砂石结构，日流量在1000 次以上。

县道新双线（X092）K11+170～K11+300,试验用土主要性质，试验路段取土场位于新双线K10+050 处，土质为砂性土，含砂61%，粘性土及其他成分39%，铺筑试验路段以前老路平均弯沉102.7（1/100mm）。土壤的天然含水量12.7%，液限49.7%，塑限22.5%，塑性指数27.2，最大干密度1.95g/cm3，最佳含水量9.68%。实验用土的粒级分布为：粒径小于0.5mm 的有11%；粒径小于1mm 的有25.8%；粒径小于2mm 的有30.9%；粒径小于5mm 的有59.3%；粒径小于10mm 的有77.2%；粒径小于20mm 的有90.7%。试验开始时先在原路用水车喷BTS 试剂两遍，再在原路上铺筑试验用土经整平后用水车洒两遍，人工翻拌四遍整平后在面层铺设3～5cm 碎石层，振动式压路机静压一遍后开振压实6 遍以上，然后立即开放交通。本次试验共铺筑了130m，其中60 米为双幅铺筑，70m 为单负铺设。

表4-2 长沙新双公路试验后不同天数对比数据

5 结论

通过BTS 固化剂在实际工程应用得到的现场试验数据，对比水稳层的性能要求和固化剂的加固机理后分析得知，经过BTS 固化剂固化后的土壤在路用性能上基本能达到水稳层的作用效果。具体结论如下：

（1）BTS 固化剂能有效改变粉质粘土的最优含水量和最大干密度。

（2）BTS 固化剂涂抹在粉质粘土面层，能够起到一定的防水作用，即土壤含水量减少。

（3）使用BTS 固化剂喷洒经过粘土整平的泥结砂石路面后，能使路面的压实度提高。