淤泥質(zhì)土壤固化劑的技術分析與研究

賀鑫HE Xin；張玉蘋ZHANG Yu-ping

（綿陽城市學院建筑工程學院，綿陽 621000）

0 引言

淤泥質(zhì)土壤的處理，無論是在水利、交通，還是城市建設項目上都是一個棘手的難題。在該類土質(zhì)上進行作業(yè)施工，首要環(huán)節(jié)就是對其進行固化處理，降低含水率，提高密實度和承載能力。隨著時代的發(fā)展，填埋砂、石等傳統(tǒng)處理方法對于淤泥質(zhì)土壤而言已不切可行，資源合理利用、自然環(huán)境保護和經(jīng)濟成本無不成為我們考慮的因素。對此，研究淤泥質(zhì)土壤固化劑顯得尤為重要。

本文通過闡述傳統(tǒng)無機膠凝材料的優(yōu)缺點，指出單一固化材料的固化缺陷，分析固化劑研究現(xiàn)狀及固化機理，在研究人員的基礎上，對淤泥質(zhì)土壤固化劑的研究進行綜述，對其未來的研究方向進行展望，為淤泥質(zhì)土壤固化劑的應用提供參考。

1 淤泥質(zhì)土壤固化的主要特點

淤泥質(zhì)土壤屬于軟土的一種，具有自身礦物成分復雜、天然高含水率、天然大孔隙比、滲透系數(shù)小、低強度、高壓縮性、形態(tài)多為流體狀等特點，其固化處理相較于砂質(zhì)軟粘土、巖土更為復雜，對于水利工程、交通道路工程、土建地基工程而言淤泥質(zhì)土壤的固化處理是對工程技術人員的巨大考驗和難題[1]。我國絕大多數(shù)地區(qū)都處于季風氣候區(qū)，常年多雨天氣，氣候濕潤，降水豐沛，多易形成泥地積水和河湖沼澤地，這無疑不增加了工程地基處理施工的難度。

常見的淤泥固化處理方式為脫水處理和固結(jié)處理，通過采取抽吸、過濾脫水等方式對淤泥進行初步脫水，先降低淤泥質(zhì)土壤本身的含水率，再添加主固化材料（傳統(tǒng)無機膠凝材料—水泥）以及其他不同類型的固化劑對淤泥進行固結(jié)處理，使淤泥的土質(zhì)達到設計承載能力強度。此外，淤泥質(zhì)土壤中富含微生物有機質(zhì)、腐殖質(zhì)，常呈灰黑色黏糊狀，在空氣和日照的作用下有刺鼻性氣味的惡臭，影響城市的綠色生態(tài)建設，對于淤泥質(zhì)土壤進行固化處理、固化劑研究符合國家城市的環(huán)境友好型生態(tài)建設，對淤泥質(zhì)土壤進行改良處理，再生利用，亦可緩解城市土地資源緊缺不足的問題。為此，眾多研究學者針對淤泥質(zhì)土壤的固化處理和固化劑研究展開了眾多分析，在傳統(tǒng)無機膠凝材料固化方法的基礎上，對外加固化劑進一步研究配制。

2 淤泥質(zhì)土壤固化劑國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 淤泥質(zhì)土壤固化劑的分類

近20 年以來，隨著科技研究和經(jīng)濟的進步，社會時代的發(fā)展，對于淤泥質(zhì)土壤固化劑的研究得到了創(chuàng)新性、實質(zhì)性的發(fā)展進步，許多新型材料被國內(nèi)外學者研制開發(fā)出來，涌現(xiàn)了許多不同類型的固化劑材料，按外觀形貌可大致分為液體類固化劑和粉末狀類固化劑；按主要成分來劃分，則可分為無機化合物類固化劑、有機化合物類固化劑、生物酶類固化劑、復合型固化劑等[2]。下面對這四種固化劑展開進一步分析：

2.1.1 無機化合物類固化劑

無機化合物類固化劑作為最早使用的固化材料，其主要包括水泥3CaO·SiO2，石灰CaO，粉煤灰SiO2，工業(yè)生產(chǎn)的附加廢料，如礦渣和鋼渣Ca、Mg、Fe、Si 及其氧化物、廢石膏CaSO4、磷石膏CaSO4·2H2O 等，此類固化材料多具有良好的強度、水穩(wěn)定性和抗凍性能，且材料易獲取，固化速度快，已經(jīng)在很多工程中得到了廣泛的運用[3]。此類無機化合物固化劑的優(yōu)點毋庸置疑，作為最早的膠凝固化材料，在過去的數(shù)百年里得到了人們長時間信賴，成為了材料固化的必需品，但也隨著時代科技的進步，綠色環(huán)保理念的流行，其潛在的缺點也日益暴露。此類無機膠凝材料由于含大量堿性物質(zhì)，直接用于固化土壤會大幅提升土壤的堿性值，固化后的土質(zhì)無法滿足植物生長所需的酸堿平衡值，大多植物無法正常存活，基本喪失了其生長能力；此類無機膠凝材料由于自身材料性能的缺陷，在使用后期出現(xiàn)干縮、溫縮等現(xiàn)象，會造成開裂，加之固化材料本身成本較高，硬化機理不完善，雖然有較好的膠結(jié)固化功效，但對于松散土顆粒的孔隙填充存在很大缺陷，為此，研究更多新型淤泥質(zhì)土壤固化劑是很有必要的。

2.1.2 有機化合物類固化劑

有機化合物類固化劑主要包括水玻璃類材料、環(huán)氧樹脂和有機高分子等材料[4]。王琳[5]在對淤泥固化劑的研究中提到，通過離子交換作用將淤泥土水分中的電荷與淤泥顆粒電荷充分交換，使之減少土壤孔隙及表面張力所引起的吸水作用，使淤泥由“親水”變成“憎水”。韋猛[6]通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)吸水樹脂含有酰胺基、羧基和磺酸基等強親水性基因，添加少量吸水樹脂到淤泥質(zhì)土壤中可以產(chǎn)生較好的絮凝作用。有機化合物類固化劑加入淤泥質(zhì)土壤中，迅速與土中水發(fā)生物理化學反應，在土粒表面和土壤空隙之間生成大量絮凝膠結(jié)物，土顆粒間的黏聚力c 不斷增大，內(nèi)摩擦角φ 不斷減小，土體無側(cè)限抗壓強度和膠結(jié)性能得到顯著提升，達到淤泥質(zhì)土壤固化目的。

2.1.3 生物酶類固化劑

生物酶類固化劑在廣義上屬于蛋白質(zhì)多酶基產(chǎn)品，是一種從植物中提取的，經(jīng)過一系列發(fā)酵處理而產(chǎn)生的有機質(zhì)蛋白質(zhì)，多為液體，無毒且不會造成環(huán)境的污染[7]。此類固化劑材料通過與淤泥質(zhì)土壤中的有機物發(fā)生反應形成膠結(jié)物來減小滲透性，使土顆粒內(nèi)部的離子得到交換，斥力降低，再經(jīng)過外力的壓縮作用，促進淤泥質(zhì)土壤中水分的排出，提高土體強度[8]。王昌衡[9]通過實驗得到了TerraZyme 生物固化酶能使土質(zhì)滲透性下降，強度密實度提高，通過經(jīng)濟性分析得出生物酶類固化劑在造價上有絕對優(yōu)勢。吳宜桉[10]以泰然酶為研究對象，對其固化效果進行了現(xiàn)場實驗檢測，使用泰然酶加固土的CBR（承載能力）值較原土質(zhì)增加了2～5 倍左右，用泰然酶加固石灰和水泥土時，其CBR 值再增大2～3 倍。米吉福[11]對生物酶類固化劑固化土壤的無側(cè)限抗壓強度和CBR 值進行了試驗總結(jié)，表明隨著固化劑摻量的增加，土壤液限ωL、塑限ωP、最佳含水量均降低，無側(cè)限抗壓強度和CBR 值隨摻量的增大和養(yǎng)護時間的延長而不斷增大，如圖1 所示。

圖1 無側(cè)限抗壓強度和CBR 值隨摻量、養(yǎng)護時間的變化趨勢

2.1.4 復合型固化劑

復合型類固化劑是指兩種或兩種以上的化學物質(zhì)，按照一定比例配合而成，通過將其添加到土壤當中，使之改變土體的物理力學性質(zhì)。其組成成分一般以傳統(tǒng)固化材料為主，輔之以其他各種催化性材料。20 世紀90 年代，隨著國外土壤固化劑先進技術被引入中國后，國內(nèi)學者結(jié)合中國土質(zhì)類特點加以實驗研究，對于淤泥質(zhì)土壤固化劑進行不斷探索。董博聞[12]運用極差和方差分析法對生石灰、納米SiO2硅、礦渣進行了實驗總結(jié)，得出復合土壤固化劑最優(yōu)配比為32:3:65，固化土強度隨齡期的增長而增長，對淤泥質(zhì)土壤具有較好的固化效果。史燕南[13]對生石灰、茍性鈉、石膏、二氧化硅、三乙醇胺和水玻璃進行了單滲實驗和正交實驗，發(fā)現(xiàn)：摻2%水玻璃、3%生石灰和0.5%苛性鈉效果最佳，但缺點是成本稍高。魯惠中[14]采用Box-Behnken試驗對GGBS、CaO 和硫酸鈉進行了固化強度分析，試驗表明：三者的最優(yōu)配合比為11.97%、4.21%和4.65%，在7d齡期后的預期強度可達1228.48kPa。

固化處理研究要考慮的是一個復雜的多項體系，使用單一的固化材料往往不能起到最優(yōu)的效果，而復合型固化劑在這方面起到了很大程度上的作用。

2.2 淤泥質(zhì)土壤固化機理

土壤固化劑一般組成為無機材料、有機材料，將所有固化材料與淤泥質(zhì)土壤進行混合調(diào)拌，已經(jīng)經(jīng)過初步降低含水率的淤泥質(zhì)土，在多種固化材料的催化下與之產(chǎn)生多種物理和化學反應，使淤泥質(zhì)土壤內(nèi)部結(jié)構進行重組變化。主固化材料（水泥）率先實現(xiàn)土壤的膠凝固結(jié)，使固化土壤初步成為一個整體，但由于淤泥質(zhì)土壤內(nèi)部結(jié)構不同于一般砂、粘土，其內(nèi)部的空隙仍較大，依靠水泥自身的水解水化反應并不能經(jīng)濟、有效地實現(xiàn)土壤的固化，進而進行外加固化劑的配套使用，由于外加固化劑多為有機類、金屬類的復合型材料，能較好地與原土質(zhì)進行更活躍的化學聚合反應、離子交換，生成大量的絮狀有機分子鏈和聚結(jié)顆粒，在最大程度上填充水泥固化后的土?？紫?，在一定程度上也起到了骨架支撐作用，從而提高土壤密實度。

3 不足與展望

①我國對于土壤固化劑的研發(fā)和應用起步偏晚，美國等發(fā)達國家較早意識到對于土壤固化劑研究的重要性。土壤固化劑作為地基固化處理的新型類材料，在現(xiàn)如今許多土壤固化工程建設項目當中都是不可或缺的，但其研究開發(fā)歷史較晚，早期的土壤固化技術大多是從美國等發(fā)達國家引進，而技術又因地制宜，直接用于我們本土的土壤固化是不切現(xiàn)實的，因此，在技術運用領域尚存在許多的問題與瓶頸。早期國內(nèi)對于土壤固化劑的實驗研究重視程度不夠，土壤固化劑沒有得到創(chuàng)新性的進步和突破，雖然國內(nèi)自主研發(fā)的土壤固化劑均取得了可圈的科研成果，但在深入研究與應用推廣領域仍存在諸多需要處理的難題[15]。后續(xù)繼續(xù)對土壤固化劑做更深入的研究，在國家研究政策的大力支持下，創(chuàng)新研制更新型、更綠色環(huán)保類固化材料。

②無機化合物類固化劑的材料種類多為固定。作為最傳統(tǒng)的固化材料，無機化合物類固化劑種類形式過于單一，未來可以針對工業(yè)排放的廢料、廢渣進行元素成分研究，提取出能用于固化的新型無機類材料，這既能豐富無機類固化劑的種類，又能在最大程度上利用工業(yè)廢料，使原本廢棄的資源得以資源化的利用，實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)保雙效益。

③有機化合物類、生物酶類固化劑在作用于淤泥質(zhì)土壤固化上，強度和水穩(wěn)定性方面還有一定的不足。由于淤泥質(zhì)土壤本身含水率較高，有機類和生物酶類固化劑在固化性能上較無機膠凝材料而言還存在較明顯的差距，固化效率慢滿，固結(jié)強度低，使用壽命短。未來的有機化合物類、生物酶類固化劑應加強其固化性能的實驗研究。

④淤泥質(zhì)土壤含量復雜，市面上的固化劑特定性使用的局限性較大。不同類型的土壤固化需運用不同的土壤固化劑材料，而針對于淤泥質(zhì)土壤而言，由于土壤其本身的有機物含量豐富，高含水率，大孔隙比，單一、通用的固化劑材料是不適用的，而一種類型的土壤固化劑配比也很少能直接運用到另一種類型的土壤上。就此而言，未來可以對淤泥質(zhì)土壤固化劑的通用性、兼容性進行完善，研發(fā)出更多適合我國國內(nèi)環(huán)境的土壤固化劑，更多地推廣應用到相關的工程項目領域。

⑤此外，目前廣泛投入使用的固化劑材料還是多以堿性物質(zhì)為主骨料，直接用于土壤固化會大幅提升土壤的堿性值，對后續(xù)土壤上植物的生長產(chǎn)生嚴重的影響。為此，如何協(xié)調(diào)堿性大摻量固化劑與植物生長所需pH 值的矛盾將成為未來研究的重點內(nèi)容。

4 結(jié)語

綜上所述，目前市面上已投入使用的淤泥質(zhì)土壤固化劑有很多種類，固化劑已被廣泛運用到淤泥質(zhì)土壤固化處理中。淤泥質(zhì)土壤固化劑的研究、使用及推廣，使原本廢棄的淤泥得到了資源化的利用[16]，降低了工程成本，在推動經(jīng)濟建設的同時，推動了綠色生態(tài)建設，最大權衡社會經(jīng)濟效益與綠色循環(huán)效益，是一次具有環(huán)保意義的工程建設領域革命。