軟土固化材料研究現(xiàn)狀與原理淺析

沈心媛，萬云杰

（浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，浙江 寧波315100）

0 引言

軟土一般是指在靜水或緩慢流水環(huán)境中以細(xì)顆粒為主的近代沉積物，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭質(zhì)土、泥炭等。 杭州地區(qū)存在大面積含水率高且富含有機(jī)質(zhì)的軟土地基， 其具有壓縮性高、 強(qiáng)度低、滲透性小等特性，給工程建設(shè)帶來很大成本支出，成為制約工程發(fā)展的一個(gè)重要因素。

根據(jù)已有調(diào)查資料， 以杭州為代表的江浙沿海地區(qū)軟土的天然含水量為26.31%～130.20%，有機(jī)質(zhì)含量為0.45%～31.1%， 土體性質(zhì)的區(qū)域差異非常大，若對(duì)不同軟土采用相同的固化處理方案，處理效果完全可能呈現(xiàn)出較大差別。 因此，廣泛開展軟土固化技術(shù)的科研工作， 深入分析不同軟土在固化機(jī)理上的區(qū)別， 進(jìn)而提出有效且經(jīng)濟(jì)的固化處理方案顯得尤為必要。

1 軟土固化材料

軟化固化材料種類龐雜。 其本質(zhì)是通過物理化學(xué)反應(yīng)增加土顆粒之間的膠結(jié)能力或改善顆粒之間的接觸面以減小孔隙率。 軟土固化材料主要分為：有機(jī)化合物、無機(jī)化合物、酶三類，再進(jìn)行細(xì)分后可詳見圖1。 針對(duì)軟土地基的固化也可采用多種試劑：水泥、硅酸類無機(jī)材料，丙烯酸、丙烯酸-環(huán)氧樹脂、?；郀t礦渣微粉、硅溶膠-PVA 等種類繁多的復(fù)合物。

圖1 軟土固化材料種類

1.1 無機(jī)化合物類固化材料

無機(jī)化合物類固化材料把土體充足的鈣源作為基礎(chǔ)，在土體中發(fā)生水解與水化反應(yīng)，并隨著時(shí)間推移，生成穩(wěn)定的膠凝物質(zhì)，將土顆粒連接在一起，使得固化土的強(qiáng)度增強(qiáng)，達(dá)到實(shí)際工程需要。對(duì)機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入大大擴(kuò)展了無機(jī)膠凝材料的范圍，從單一的氧-硅-鋁-堿土金屬系統(tǒng)擴(kuò)展到了氧-硅-鋁-堿金屬和氧-硅-鋁-堿金屬-堿土金屬系統(tǒng)，將膠凝材料的范圍擴(kuò)展到第一主族，從而產(chǎn)物也越來越復(fù)雜。這三類膠凝體系的反應(yīng)機(jī)理和產(chǎn)物各不相同，分別為：第一類是傳統(tǒng)的膠凝體系，如石灰、粉煤灰、水泥系等，產(chǎn)物主要為硅酸鈣、鋁硅酸鹽、碳酸鹽等；第二類為地聚合物，產(chǎn)物主要為堿沸石類化合物；第三類體系的最終產(chǎn)物主要為堿-堿土沸石及硅酸鈣、鋁硅酸鹽、碳酸鹽等。 此外，一些學(xué)者開發(fā)出了堿-碳酸鈣（鎂）膠凝材料。

（1）水泥類

水泥的固化作用可歸納為離子交換及團(tuán)?；饔?、硬凝反應(yīng)、碳酸化作用。 作用機(jī)理是水泥在固化過程中發(fā)生水化和水解反應(yīng)， 如產(chǎn)物3CaO·SiO2水化生成Ca（OH）2和水化硅酸鈣，其均能有效膠結(jié)土顆粒，增加其固化效果與強(qiáng)度；產(chǎn)物Ca-SO4與3CaO·Al2O3反應(yīng)生成水泥桿菌， 固定軟土中的自由水。 其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

摻水泥固化軟土是傳統(tǒng)做法， 國(guó)內(nèi)外早有較多研究，鑒于其性能成熟穩(wěn)定，依然有較多研究者在使用。Lin[1]等在普通波特蘭水泥中摻鈣基膨潤(rùn)土固化／穩(wěn)定化污水污泥，試驗(yàn)結(jié)果表明：①鈣基膨潤(rùn)土含量增加有助于降低滲透性。 ②低滲透性有助于保持有機(jī)物、鋅、銅等較低的浸出水平。 ③在酸性條件下滲透性增加， 而微生物的活動(dòng)對(duì)他們有輕微的影響。 Mohammed[2]等在水泥中摻無水石膏固化淤泥，表明：摻占水泥重量10%～15%的無水石膏能較好地提高固化土早期強(qiáng)度。 Rosario[3]等用熱活化紙污泥和粉煤灰摻入硅酸鹽水泥制得三元水泥，獲得這類型水泥中廢物的合理替代比例，從而減少浪費(fèi)垃圾填埋。 夏威夷[4]等用水泥、砂石、坡縷石等材料固化揮發(fā)性有機(jī)物污染泥漿， 有效降低泥漿中有機(jī)污染物溶出量， 且摻入坡縷石對(duì)有機(jī)物穩(wěn)定能力有提高作用。 水泥的種類很多，研究較成熟，材料來源廣泛，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)制訂了相應(yīng)的規(guī)范， 但水泥的燒制過程給環(huán)境帶來了較大的污染，對(duì)水泥改性、部分或全部取代水泥成了人們研究的一個(gè)方向。

（2）石灰類

石灰作為固化材料，常見的種類有生石灰、白云石生石灰、水化富鈣石灰等。石灰類固化材料加入軟土中后，發(fā)生一系列反應(yīng)，主要有離子交換作用、結(jié)晶作用、 碳化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)等。 石灰加入土中后，Ca （OH）2水解成Ca2+和OH-離子，Ca2+與Na+、K+發(fā)生離子交換，使得土顆粒表面吸附水膜厚度減小。同時(shí)多余的Ca （OH）2與水和空氣中的CO2反應(yīng)分別生成結(jié)晶水合物和CaCO3， 進(jìn)一步增強(qiáng)了固化能力，該方法也廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

張鐵軍等通過比較生石灰固化松散土的含水率，得出含水率降低率隨著摻灰比的增加而線性增加的變化規(guī)律。 陳慶等采用石灰固化海砂海泥混合料，得出隨著石灰摻量的增加，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到明顯提升，但直剪強(qiáng)度增加不明顯。 楊莉研究發(fā)現(xiàn)，石灰固化材料具有一定的處理煉油廢渣污染土能力。綜上所述，石灰能有效固化軟土，但是在固化過程中會(huì)改變土體原有性質(zhì)，因此無法應(yīng)用于土遺址原位保護(hù)等對(duì)土質(zhì)要求高的工程中。

（3）無機(jī)鹽類

無機(jī)鹽類軟土固化劑多為液態(tài)，常見的包括：硅酸鉀、硅酸鋰、硅酸鋁、氫氧化鈣等。 其作用機(jī)理與水泥、石灰等相近，無機(jī)鹽固化劑主要在土壤中發(fā)生水化與水解反應(yīng)，并以凝膠的形式填充進(jìn)軟土孔隙。 化學(xué)反應(yīng)式以水玻璃為例可表示為：

無機(jī)鹽類材料的內(nèi)部元素含量可控，能有效保持土體原有性狀，具有較高的工程應(yīng)用前景。

1.2 有機(jī)化合物類固化材料

有機(jī)化合物型土壤固化材料在聚合通過催化劑和在常溫、常壓下形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的引發(fā)劑的土壤的聚合物單體， 在土壤中的填充孔和包封土壤顆粒，通過在土粒和聚合物之間形成有效聯(lián)結(jié)而提高土體強(qiáng)度。

（1）離子類

離子土壤固化材料是一種可以改良和提高土壤強(qiáng)度工程技術(shù)特性的復(fù)合型高分子材料，常用于含水量較高的粘性土和淤泥質(zhì)土。 其在常溫下，能夠直接膠凝在土體的土壤顆粒表面,或可以和土壤顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)的陰離子型表面活性劑，它與含有一定水分的土壤混合后，打開了水分子與土顆粒之間的“電化鍵”，改變了土壤顆粒表面的電性，削弱了土壤顆粒的水膜厚度，使土壤顆粒之間由親水性變?yōu)樵魉?，提高土壤顆粒間相互吸引的能力。

離子固化材料也有一定的適用條件，沈飛等人研究發(fā)現(xiàn)， 固化劑對(duì)土壤有較強(qiáng)的選擇性和針對(duì)性，不適用于pH 值大于7.5 的堿性土壤，且隨著固化劑的添加，有機(jī)質(zhì)含量越高，pH 值越低。

羅小花[5]對(duì)添加不同摻量離子固化劑的土體進(jìn)行10 000 倍電鏡掃描（圖2），可以觀察到原樣土表面有一定的膠結(jié)物膠結(jié)特征，其局部有粘土礦物顆粒；在加入不同摻量離子固化劑后，進(jìn)一步增加了膠結(jié)物的膠結(jié)特征和顆粒間的緊密度。

圖2 放大倍數(shù)為10000 倍土體的SEM 圖

吳丹丹[6]采用離子固化劑固化武漢漢口基坑內(nèi)土樣后，觀察到加入固化劑后，土樣壓縮系數(shù)可降低約23%。 壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)均減小，壓縮模量增大，土的孔隙變小，土體變得更密實(shí)，這些結(jié)論進(jìn)一步拓寬了土遺址的工程實(shí)踐能力（圖3）。

圖3 淤泥固化前后的壓縮曲線

（2）地聚合物類

土壤聚合物是一類新型的堿激活膠凝材料。 其主要原料為人工硅鋁化合物、礦物等，并在堿激發(fā)劑的作用下，通過解聚、縮聚等反應(yīng)，制備得到三維網(wǎng)絡(luò)狀聚合凝膠體[7]，其具有良好的早強(qiáng)性能，能夠把土顆粒粘聚在一起，達(dá)到良好的固化效果（圖4）。

圖4 未完全反應(yīng)的硅鋁酸鹽地聚合物的空間結(jié)構(gòu)模型示意

地聚合物類固化材料研究較晚。 1978 年，Joseph Davidovits 在對(duì)古建筑的研究過程中， 發(fā)現(xiàn)古建筑物中存在與沸石類物質(zhì)結(jié)構(gòu)相似的網(wǎng)絡(luò)狀硅氧鋁化合物，在人工合成沸石分子篩和聚合反應(yīng)的基礎(chǔ)上成功合成第一例土壤地聚合物類固化材料。

相比于其他固化材料， 經(jīng)地聚合物類固化后的土體具有更好的固化重金屬和耐硫酸鹽侵蝕功能。Zhang J 等研究了用Na2SO4溶液堿性活化的飛灰制得地質(zhì)聚合物粘合劑鉻（Cr3+）、鎘（Cd2+）和鉛（Pb2+）的固化效果。 Bankowskia 等研究了地聚合物對(duì)數(shù)十種重金屬離子的固化，結(jié)果表明，地聚合物能有效降低重金屬離子的浸出率。 金漫彤等用偏高嶺土、堿激活劑等合成土聚物，使Zn2+、Pb2+、Cu2+和Cd2+等重金屬離子的捕集效率達(dá)到96.86%～99.86%。

1.3 酶類固化劑

酶類固化劑是由有機(jī)物質(zhì)發(fā)酵而成的液態(tài)固化材料，其成分多為蛋白質(zhì)。 酶類固化劑的作用機(jī)理是加快原狀土樣的固結(jié)沉積，促進(jìn)顆粒之間的擠壓， 排出土顆粒間的毛細(xì)水達(dá)到降低孔隙率的效果。 同時(shí)酶類固化劑對(duì)環(huán)境無污染且成本低廉，契合當(dāng)今綠色建材的大環(huán)境。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)酶類固化技術(shù)已進(jìn)行了深入研究，Thecan Scholen 等針對(duì)不同的土質(zhì)環(huán)境研究了生物酶固化土的工程特性，認(rèn)為生物酶固化土作為基層具有一定可行性。李威采用泰然酶固化劑對(duì)原狀土樣進(jìn)行固化，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過固化的土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR 均有明顯提高（圖5），能夠有效投入筑路工程。

1.4 復(fù)合固化劑

復(fù)合類土固化劑是由兩種或兩種以上的不同固化材料按一定配比復(fù)合的固態(tài)或液態(tài)的固化劑，根據(jù)成分作用的主次順序分為主劑與助劑。 主劑和助劑的協(xié)同作用能更好地發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)： 以瀝青和石灰復(fù)合固化黏性土為例，在適當(dāng)含水量下，將摻入適量石灰的土體自然堆放一晝夜， 土體顆粒的礦物結(jié)晶網(wǎng)表面的鈣離子顯著增加，當(dāng)再加入瀝青后，瀝青與土體間的化學(xué)吸附作用明顯增強(qiáng)。實(shí)踐表明，經(jīng)瀝青石灰復(fù)合處理的土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性均優(yōu)于純?yōu)r青土，而初性與耐磨性則優(yōu)于純石灰土。

圖5 泰然酶固化劑固化土壤的試驗(yàn)研究結(jié)果

譚鋒等選用普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、水玻璃以及木質(zhì)素磺酸鈉組成的水泥基復(fù)合固化劑,以青弋江蕪湖段典型淤泥質(zhì)土樣作為試驗(yàn)土樣,進(jìn)行了室內(nèi)固化試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，復(fù)合固化劑效果明顯，能有效提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

浩婷等提出選用復(fù)合及納米固化劑,改性EPS顆粒,制備疏浚淤泥混合輕質(zhì)土新方法，得出復(fù)合固化劑配比對(duì)輕質(zhì)土壓縮強(qiáng)度的影響，復(fù)合固化劑A∶B 配比為8∶1 和7∶1 時(shí), 所得輕質(zhì)土強(qiáng)度特性最好。

2 結(jié)語

我國(guó)總體上對(duì)軟土固化材料的研究較晚，土體固化材料的種類較少。 現(xiàn)階段，應(yīng)用于居民住房的土體固化材料仍集中在水泥、 石灰等傳統(tǒng)材料，使用過程中會(huì)較大程度改變土體的性質(zhì)且對(duì)周邊生物造成影響。 后續(xù)應(yīng)加快軟土固化材料的研發(fā)進(jìn)程，或推廣使用類似生物酶等對(duì)環(huán)境影響小的土體固化材料。再者，土壤固化材料種類繁多，針對(duì)不同的土壤情況應(yīng)當(dāng)有所區(qū)分，例如針對(duì)土遺址中軟弱土層，應(yīng)優(yōu)先考慮離子固化材料或與土遺址成分接近的無機(jī)膠凝材料；潮濕軟弱土層固化則應(yīng)使用滲透性較好的固化材料。應(yīng)結(jié)合多學(xué)科知識(shí)探索材料的可行性。