化学固化技术在路面保障中的应用

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２ｌ卷第４期　工兵装备研究　ＶＯＩ．２ｌ　ＮＯ．４　２００２年８月　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ａｕｇ．２００２　化学固化技术在路面保障中的应用　陈　浩，　李　林　（总装工程兵科研一所，江苏无锡２１４０３５）　摘要：介绍了国内外土壤化学固化的现有技术，并结合军用路面保障的特点，提出了一种新型的土壤化学　固化技术，为我军装备迅速通过松软海滩提供了一种全新的保障手段。　关键词：化学固化；路面保障；应用前景　中图分类号：Ｐ６４２．１６；Ｕ４２１．７　文献标识码：Ａ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｐａｖｅｍｅｎｔ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　ＣＨＥＮ　Ｈａｏ．ＬＩ　Ｌｉｎ　（Ｔｈｅ　Ｆｉｒｓｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ａｒｍａｍｅｎｔｓ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｗｕｘｉ　２１４０３５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，　ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａ　ｎｅｗ　ｓｏｉｌ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｓｕｐｐｏｒｔ．Ｔｈｉｓ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｂｒａｎｄ—ｎｅｗ　ｗａｙ　ｔｏ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｏｕｒ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔ　ｂｅａｃｈ　ｒａｐｉｄｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｓｕｐｐｏｒｔ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　土壤化学固化，是指应用化学的方法使土壤得　了高速搅拌机，使搅拌速度由１００ｔ／ｍｉｎ提高到　到固化加强从而具有足够通行能力的一种技术。它　１５００　３０００ｔ／ｍｉｎ，提高了搅拌效率，改进了浆液质　作为一门学科是在２０世纪５０年代才发展起来的，　量。日本于八十年代初首先研制出磨细的超细水泥　我国从６０年代开始进行土壤固化技术的研究。　灌浆材料（简称ＭＣ），能灌入渗透系数为１０　～　目前，国内外研究的土壤固化剂主要是针对民　１０　ｃｍ／ｓ的细砂，解决了普通水泥可灌性差的问　用方面，其品种按状态可分为液体与固体两种，按　题。日本电力公司研制了一种湿磨水泥的制浆方法　性质可分为无机和有机两类。但在当前的国防形势　（简称ＷＭＣ），可以把普通水泥浆在现场改性成细　下，如何保障我军装备在较短时间内通过松软泥泞　度特性更好的水泥浆，避免了运输和储存过程中的　路段，已成为急需解决的难题之一。因此，利用或发　麻烦，具有较好的经济效果。　展民用土壤化学固化研究的成果，寻求一种适合我　聚氨酯灌浆　水利水电科学研究院从２０世纪　军应用方式的化学固化技术，使我军装备、人员能　７０年代开始进行ＳＫ型聚氨酯灌浆的试验研究，采　以较快的速度通过海滩等开阔地带，具有重要意　用多异氰酸酯和聚醚树脂等作为主要原材料，掺加　义。　各种外加剂而配制成纯液体浆液。可以在较大的范　国内外现有固化技术概况　围内控制浆液及其胶凝体的物理化学性能，能较方　便地适应灌浆工程的需要，在水电工程中得到了很　广泛的应用。　１．１灌浆技术　环氧树脂灌浆　目前，国内现有的ＳＫ—Ｅ环氧　水泥灌浆　美国、英国、法国和瑞典等国发展　灌浆材料以Ｅ一４４环氧树脂为主剂。另外，中国科　收稿日期：２００２一Ｏ３一Ｏ８　作者简介；陈浩（１９７７一），男，湖南益阳人，助理工程师，主要从事路面器材技术研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　陈　浩，等：化学固化技术在路面保障中的应用　（ＮＥＷ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｓｔａｂｉＬｉｚｅｒ）　学院广州化学研究所化灌研究中心研制出三个系　列高渗透性材料，即中化一７９８浆材、４００系列浆材　和ＹＤＳ系列浆材。这些材料具有优异的渗透性和　的简称，由生石灰、硅酸盐水泥熟料、“ＳＣＡ”（一种　含硫铝钙的高性能无机吸水增强材料）、水泥粒化　良好的固结性以及高的力学性能，是目前已知的最　高炉矿渣等原材料组成。有良好的吸水性和强度，　属于有膨胀性的延迟硬化的无机固化材料，方便施　工。使用效果明显优于石灰、水泥，且具有良好的技　术经济效益，在东南沿海湿热地区及西南潮湿地区　应用广泛。　具高渗透能力的浆材，已分别在不同地区、不同条　件下使用，取得良好的效果。　１．２发泡技术　超轻型土工材料ＥＰＳ　ＥＰＳ是泡沫聚乙烯材　料的简称。它重量轻、强度高、吸水率低，还具有良　好的抗化学、抗冰冻性能和抗微生物侵害的能力。　２技术及应用　军事行动要求的土壤化学固化剂必须具备固　化速度快，固化材料的硬度大，且具有承载力大、布　可用于战时快速抢修道路，挪威、荷兰、法国、日本　等国在道路工程中大量使用了ＥＰＳ材料，取得＿『很　好的效果。　撒操作容易等特点。但现有的固化剂需要拌合碾　压，在加压渗透的条件下仍需较长的时间才能达到　超轻型填土材料一发泡苯乙烯　属超轻量材　料，密度约为０．０２～０．０４ｇ／ｃｍ。，另外它的吸水量极　小，脱热性能和耐水性能都很好，压缩强度为１～　３ｋｇｆ／ｃｍ。，可满足道路工程使用需求。日本从１９８５　年开始研究试用发泡材料作土工材料，在国道一号　沼津绕越干道扩建工程中应用，取得了满意的效　果。　要求的强度，因此，无法满足军用上的特定使用要　求。经过长期调查和研究，我们以高分子化合物为　原料，主要体系是改性丙烯酸酯类和改性聚氨酯　类，采用材料设计、复合及合成技术、微发泡技术、　渗透技术研制成一种沙滩固化剂。这种土壤化学固　化剂具有固化时间短、材料硬度高、弯曲强度高、操　作简单、渗透性好等优点，能适应沙滩特殊环境下　使用，可形成具有良好使用战术指标的滩涂沙滩硬　化的新型装备体系。　２．１　固化剂基本体系的探讨　土壤的结构组成影响固化剂对它的固化作用，　我们通过分析土的组成及其成分，确定了固化剂的　基本体系如下：　硬质聚氨酯泡沫塑料　美国桑迪亚国家实验　室的一个科学家小组研究了一种硬质聚氨酯泡沫　塑料，可用来筑路和修桥，能够支撑最重的军用地　面车辆越过。在与空气或水接触之后几乎立即膨　胀，几分钟之后即可使用；使用温度范围宽，并可按　照特定用途设计其强度；有良好的、可预测的吸收　爆炸冲击波的能力和抗燃性。　１．３　固化材料　“速特硬”固化剂１９８０年前后，日本松村综合　双组分体系：　Ａ组分：高分子复配物＋活性剂Ｍ＋渗透剂＋　材料硬化剂；　科学研究所等单位研制成功一种固化剂，称为“速　特硬”（ＳＴＥＩＮ），属无机类固化剂。ＳＴＥＩＮ的化学成　Ｂ组分：高分子复配物＋活性剂　＋偶联剂＋　增塑剂。　分类似于普通硅酸盐水泥，细度高，比表面积大，凝　结时间短，强度高。可以应用于战时工程保障中，例　如用于抢修道路、加固基础、构筑野战工事和应急　掩蔽部。　高分子材料选用改性丙烯酸酯类、改性聚氨酯　类两种体系。当Ａ、Ｂ两组分均匀混合后，一部分渗　透到沙子的内部，一部分沉积在表面，在活性催化　剂的作用下，两组分发生复杂化学反应，同时又与　沙粒表面的活性羟基发生反应，并固化形成一定强　度的硬化层，如图１所示。　耐固酶３８８　是一种独特的多种酶产品，专门　用于道路、停车场、起落跑道及其他有关工程的建　设，能保证土壤的压实稳定。其生产制造基地位于　美国密苏里州圣路易斯市和加拿大不列颠哥伦比　亚省温哥华市，通过发酵工艺而产生，不具腐蚀性、　无毒、无酸，对环境不会造成污染。但其施工过程需　要翻拌和碾压作业。　ＮＣＳ固化材料　是新型复合粘性土固化材料　２．２　固化剂固化反应机理分析　２．２．１　聚氨酯类固化剂固化机理　异聚氨酸酯的一ＮＣＯ基团非常活泼，很容易与　羟基化合物的一ＯＨ反应，生成氨基甲酸酯。生成的　氨基甲酸酯可以进一步和异氰酸反应，生成脲基甲　维普资讯 http://www.cqvip.com ３Ｏ　工兵装备研究　第２ｌ卷　酸酯。在活性剂的作用下，两种反应同时迅速进行，　并放出ＣＯ。。脲基上的活泼氢可以继续与一ＮＣＯ反　分子链不断增长和交联使浆液最终固化。当异氰酸　应生成缩二脲，反应的结果同样可以使浆液固化，　酯碰到水时，一ＮＣＯ也可以和水发生反应，生成脲　但由于有二氧化碳放出，因此固化后生成泡沫体。　图ｌ结构示意图　Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　在渗透的过程中，当它遇到了细沙土中的矿物　固化剂，其合成路线如下所示。　质、氧化物（ｓｉｏ２）、硅铝酸盐时，它会与这些物质的　界面发生反应，生成类似氨基甲酸的结构，分子链　不断增长和最终固化。同时，由于土壤中存在着大　一　Ａ一￣Ｒ３Ｊ＂］　●’’‘’　’’。。’。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。一　量结合水和自由水，它会和土壤中的水（溶液）发生　ｆ固化剂ｌ＃ｌｅ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿＿Ｊ　　反应生成脲，最终也能将细沙土固化。由于细沙土　是单颗粒松散结构，固化剂很容易渗透，与细沙粒　器　和土壤中的水分充分接触反应，由于砂粒的粒径只　有０．２５ｍｍ左右，这样，当异氰酸基与多元醇交联　固化的同时，会把砂粒“包裹”起来。加上异氰基与　界面羟基和土壤中水作用，便能很好的把细沙土固　图２改性丙烯酸酯类固化剂合成示意图　化。　Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　２．２．２丙烯酸酯类固化剂反应机理　ｏｆ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｃｒｙｌａｔｅ　ｓｏｌｉｄｉｆｙｉｎｇ　ａｇｅｎｔ　甲基丙烯酸甲酯中有双键，可通过自由基聚合　在研制改性丙烯酸酯固化剂的同时，我们也同　生成高聚物。一个强的氧化还原体系是其在室温固　时进行了改性聚氨酯固化剂的合成研究，合成路线　化的保证，引发剂过氧化苯甲酰（ＢＰｏ）可以与活性　如下所示。　剂Ｎ一二甲基苯胺（ＤＭＡ）反应，生成自由基。活性　剂的应用，大大降低甲基丙烯酸酯单体聚合的活化　能，在产生大量的自由基的情况下，甲基丙烯酸单　体迅速聚合，故可通过调节活性剂的含量调节固化　［　［＝］　ｌ　兰Ｉ　时间，这种自由基与甲基丙烯酸酯单体作用形成单　体自由基。单体自由基与第二个单体结合，反应由　此进行下去，形成高分子化合物。　氧气可以和正在反应的自由基结合形成稳定　的过氧化物，从而使自由基失去活性，反应终止。因　此有必要加入一定数量的抗氧化剂对甲苯亚磺酸。　图３改性聚氨酯类固化剂合成示意图　对甲苯亚磺酸很容易与氧结合生成对甲苯磺酸，使　Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　氧气消失，保证自由基不受氧的影响。　ｏｆ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｐｏｌｙｒｅｔｈａｎｅ　ｓｏｌｉｄｉｆｙｉｎｇ　ａｇｅｎｔ　２．３　固化剂配方的优化　２．４　固结体性能评价　确定固化剂基本体系之后，根据实际使用要　合成固化剂后，我们对固结体性能做了评价。　求，我们采用合成改性技术合成了改性丙烯酸酯类　通过设计正交试验，确定了含水量、含盐量、砂土粒　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　陈浩，等：化学固化技术在路面保障中的应用　径、环境温度、催化剂含量等五项因素对固化时间、　渗透深度、压缩强度以及抗弯强度的影响，寻求出　了固化剂的最佳配比。然后采用最佳的固化剂配　方，考察固结体在不同时段的力学性能，达到了满　意的效果。　野外实载试验表明：此种固化剂固化效果良　好，渗透能力强，形成的固结体强度高，６３Ａ水陆坦　克和５９式坦克通载次数达到２５０次以上，路面段出　现沉陷但仍能保障武器装备顺利通过，满足我军作　战使用需求。见图４。　３结论　图４履带载通载　土壤化学固化剂首次将土壤化学固化技术应　Ｆｉｇ．４　Ｐａｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｒａｃｋ　ｌｏａｄ　用于路面保障这一军事目的，其研究特色与创新之　处在于具有明显的实用色彩。化学固化剂不需拌合　和碾压，可使沙滩地面快速硬化，为我军武器装备　和作战人员快速通过海滩的开阔地带，提高我军的　进攻速度提供了一种新型的保障手段，具有广阔的　应用前景。　参考文献：　［１］　同济大学土力学与基础工程教研室．土质学及土力学　Ｉ－Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９７９．　［２］郭玉花．国外灌浆新技术［Ｒ］．北京：水利水电部科学　技术情报研究室，１９８７．　Ｅ３］龙永福．土壤化学固化技术研究报告ＪＲ］．长沙：国防　科技大学，２００１．