固化劑在加固土中的研究應(yīng)用綜述

盧 瑤

（重慶特鋪路面工程技術(shù)有限公司，重慶 401121）

0.引言

目前國內(nèi)外加固土的應(yīng)用較多的是水泥加固土、石灰加固土及二灰加固土，但隨著公路工程建設(shè)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，往往因各地土質(zhì)的差別，如：粉土遇水不穩(wěn)定、粘性土膨脹性大等等，使得施工過程或是公路使用過程中不時(shí)出現(xiàn)各種各樣難以解決的問題。因此，如何對各種特殊土在工程建設(shè)施工中進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚肀愠闪耸澜绺鲊鴮W(xué)者們越發(fā)關(guān)注的問題。對于這些特殊土而言，如果還是單純的使用水泥、石灰進(jìn)行簡單的加固，顯然其效果并不理想。在這樣的情況下，學(xué)者們紛紛開始尋求新的解決方法，即對土壤固化劑展開研究。

1.土壤固化劑的固化機(jī)理

對于單純的土體而言，其土體的整體強(qiáng)度主要由土粒之間的粘聚力和內(nèi)摩阻力決定。當(dāng)有外來物質(zhì)加入時(shí)，其固化機(jī)理較為復(fù)雜，如：水泥土在固化穩(wěn)定土壤過程中的主要作用包括：水泥水解水化反應(yīng)、硬凝反應(yīng)、離子交換及團(tuán)?；饔煤吞妓峄饔玫鹊??？梢赃@樣說，加固土?xí)r所出現(xiàn)的各種作用過程是非常復(fù)雜和多種多樣的，視土的性質(zhì)和結(jié)合料的種類不同而異，但可概括為化學(xué)過程、物理化學(xué)過程和物理力學(xué)過程[3]。土壤固化劑的固化機(jī)理也并不例外，當(dāng)其與一定含水率的土壤充分混合后，在土壤表面會(huì)發(fā)生電離作用，失去一定的活性，進(jìn)而產(chǎn)生一系列持久且不可逆的物理化學(xué)及物理力學(xué)反應(yīng)，使得土壤顆粒間幾乎不再相互排斥，同時(shí)吸附性也會(huì)遭到一定的破壞，最終當(dāng)土壤內(nèi)部達(dá)到平衡時(shí)，便形成了結(jié)晶鹽。這也是為什么經(jīng)過土壤固化劑處理后的路基會(huì)比未經(jīng)土壤固化劑處理的路基更耐水浸潤的原因。

總的來講，土壤固化劑的固化機(jī)理過程大致可歸納為三類，即物理化學(xué)過程、化學(xué)過程和物理力學(xué)過程。

物理化學(xué)過程主要指土顆粒與固化劑中各組分之間發(fā)生的一系列物理吸附、化學(xué)吸附和物理化學(xué)吸附過程。其中物理吸附過程是指在分子力作用下固化劑中的某些成分通過物理吸附作用吸附在土顆粒表面，使得其表面自由能降低，雙電層減薄?；瘜W(xué)吸附的作用是通過這一吸附作用，使得吸附劑與被吸附劑之間發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，從而生成新的不溶物質(zhì)，與此同時(shí)這些生成的物質(zhì)之間還會(huì)形成強(qiáng)有力的化學(xué)鍵。物理化學(xué)吸附則是指土顆粒表面與固化劑中的某些離子發(fā)生離子交換反應(yīng)。

化學(xué)過程是指土顆粒與固化劑在相互作用過程中，土顆粒與固化劑中的某些成分或固化劑本身發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程。如：水化水解反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)、聚合（縮聚）反應(yīng)、火山灰反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)等等。

物理力學(xué)過程是指土壤固化劑在固化土壤時(shí)，土料經(jīng)過粉碎、拌合和壓實(shí)，土體的基本單元在外力的作用下彼此靠近，從而減少土體的空隙率，增大密實(shí)度，降低滲水性，這種過程是可逆的，土體的強(qiáng)度隨著外界條件的改變會(huì)發(fā)生變化[4]。

以上三個(gè)過程的發(fā)生是相互聯(lián)系與促進(jìn)的，并無明顯的先后之分。但仍然會(huì)因?yàn)榫唧w的成分差異而有所不同，因此需要我們具體情況具體分析，這樣才能使固化劑充分發(fā)揮其固化作用，改善土壤工程性能。

2.國內(nèi)外固化劑在加固土中的研究現(xiàn)狀

關(guān)于土壤固化劑的研究國外的一些發(fā)達(dá)國家起步較我國早，20世紀(jì)初美國、日本、澳大利亞等國就從固化劑的各個(gè)領(lǐng)域出發(fā)，研制出了適合不同土質(zhì)要求的固化劑，如：Soilrock、 EN-1、帕爾瑪固化酶、Roadbond、Roadpacker等土壤固化劑，并開始將其應(yīng)用在加固土工程當(dāng)中。而我國直到20世紀(jì)80年代才開始引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，但也取得了一定的成果。

1992年，Bobrowski研究出一種離子類固化劑來加固軟基土[5]。1999年，Shenbaga R.Kharaj、Vasant G等人建立了固化劑固化土的強(qiáng)度與齡期、粉煤灰摻量和水泥摻量之間的函數(shù)關(guān)系[6]。2001年，李文瑛、戴經(jīng)梁等人分析了加固土雙電層理論的強(qiáng)度形成機(jī)理，并對液體固化劑加固土和石灰加固土的一系列路用性能進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。2002年，董邑寧、張青娥、徐日慶等人根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，分析了ZDYT-2加固土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律及在不同摻入比和齡期時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，給出了強(qiáng)度預(yù)測公式和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式[7]。2005年，李軍通過室內(nèi)外試驗(yàn)，系統(tǒng)深入的研究了中路（ZL）系列土質(zhì)固化劑的固化機(jī)理，并提出了復(fù)合加固土抗彎拉（劈裂）強(qiáng)度、抗壓回彈模量等參數(shù)的設(shè)計(jì)值。2008年，戴文亭、陳瑤等人采用了美國 Base-Seal 固化劑（BS-100）對某具體地區(qū)的黏性土進(jìn)行了固化處理，并對該固化加固土路用性能進(jìn)行了系統(tǒng)學(xué)習(xí)研究。2012年，韋華、陳迅捷、鄢俊等人通過在黏土中摻入早強(qiáng)型土壤固化劑ES與普通型土壤固化劑OS，分析研究了加固土體在高含水率條件下抗壓強(qiáng)度、抗干濕循環(huán)性能隨養(yǎng)護(hù)齡期、含水率發(fā)展的規(guī)律[8]。2013年，吳冠雄采用生物酶土壤固化劑( TerraZyme) 進(jìn)行了固化土壤在不同級配、外加劑下，生物酶固化土的室內(nèi)外路用性能的試驗(yàn)研究。根據(jù)其研究結(jié)果，建立了粗細(xì)集料含量與生物酶固化土的最大干密度及最佳含水率之間的關(guān)系式。

3.總結(jié)

從上述文獻(xiàn)可知土壤固化劑已在公路工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用，不但可以就地取材，方便施工，而且在其施工過程中對環(huán)境的污染甚小。但我國土壤固化劑無論是研發(fā)還是應(yīng)用都較國外晚，且大多的技術(shù)又源于外國的開發(fā)，一些學(xué)者在研究某一問題時(shí)只是生搬硬套的將其方法套用過來，就稱得出了所謂結(jié)合本國當(dāng)?shù)貙?shí)際情況推出的具有針對性的固化劑理論，在實(shí)際工程中的應(yīng)用意義也不大，因此關(guān)于固化劑在我國到底該如何發(fā)展使用還存在著一些亟待解決的問題。

1.我國的土質(zhì)因地而異，復(fù)雜多變，但在土壤固化劑的研制過程中，大多學(xué)者都對其針對性和普遍適應(yīng)性考慮甚少，這便使得部分地區(qū)土壤固化劑的應(yīng)用不夠理想。

2.加固土的性狀十分復(fù)雜，而我們對這些設(shè)想的物理化學(xué)作用并未真正的認(rèn)識清楚。因此，土壤固化劑作為一種目前較為新型的土木工程筑路材料，對其普適性、特殊性、工藝性、針對性及固化機(jī)理等各方面都還需要我們進(jìn)行大量深入研究。

[1]卓建平,道路固化劑的研究[D].長安大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004:1;

[2]郭印,淤泥質(zhì)土的固化及力學(xué)特性的研究[D].浙江大學(xué)博士學(xué)位論文,2007:2;

[3]張登良,加固土原理[M].人民交通出版社,1990:31-32;

[4]趙鑫,土壤固化劑在公路工程中的應(yīng)用研究[D].長安大學(xué)工程碩士學(xué)位論文,2012:13;

[5]Bobrowski I.Injection of a liquid soil stabilizer into subgrade soil-Researchrept[R].Austin:Texas dept of Transporatation,1992;

[6]查文華、范曉秋,水泥砂漿固化土工程特性試驗(yàn)與分析[M].合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2010:6;

[7]董邑寧、張青娥、徐日慶,ZDYT-2固化軟土試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2002,35(3):82;

[8]韋華、陳迅捷、鄢俊等,早強(qiáng)型土壤固化劑加固土的性能及施工工藝[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2012,1:57;