無機類固化土性能影響因素研究

陳 建，胡 浪

(貴州省公路工程集團有限公司，貴州 550000)

近年來砂石資源的緊缺，對路基工程使用級配碎石、水泥穩(wěn)定碎石作為道路基層、底基層的原材料是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。將松散的土壤采用一定的手段將其固化，或夯實或使用固化劑使其具有一定的整體性，在力學(xué)性能上表現(xiàn)出一定的強度，則可以將廢棄的土壤有效再利用，既能緩解砂石資源短缺，又能節(jié)約成本降低工程造價。固化土作為新型的土木工程材料，越來越被研究者看重。但我國土壤種類繁多，不同土壤，采取的固化手段也不一樣。土壤本身的性質(zhì)研究，對采用何種固化劑，使其固化速度快、強度高、工程適用性強，至關(guān)重要，同時在工程應(yīng)用過程中，控制施工壓實工藝，確保固化土不僅在實驗室中有良好力學(xué)性能，在工程實際中也表現(xiàn)出優(yōu)良的可用性能。

1 土壤性質(zhì)

1.1 有機質(zhì)

土壤中有機質(zhì)的成分主要為腐殖物質(zhì)，一種特殊類型的高分子化合物，占土壤有機質(zhì)總量的50%～90%左右，大部分以金屬鹽的形態(tài)存在[1]。腐殖質(zhì)包括腐殖酸和胡敏素，而胡敏素是腐殖酸中的胡敏酸與黏土礦物結(jié)合后形成的惰性物質(zhì)，因此有機質(zhì)中對固化土起作用的主要是腐殖酸。腐殖酸對Ca2+具有很強的化學(xué)親和力和選擇性，并會與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不溶性的鈣基腐殖酸，這種不溶物質(zhì)會吸附在水泥和黏土顆粒表面，從而會干擾水泥的水化和火山灰反應(yīng)，有機質(zhì)含量的增多會導(dǎo)致較低的pH致使固化體系受到阻礙以及黏土礦物的充分溶解[2]，同時，有機質(zhì)會分解部分水化產(chǎn)物，導(dǎo)致水化產(chǎn)物的減少，降低固化土的強度。因此研究者發(fā)現(xiàn)，隨著有機質(zhì)含量的增加，對土壤的工程性質(zhì)帶來了一定的影響。范昭平等[3]發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)含量每增加1%，就會使淤泥固化強度有25%～30%的降低，但有機質(zhì)含量對強度的影響有一個極限值，當(dāng)超過極限值時，對固化強度的影響不再明顯。郭宏峰等[4,5]的研究表明，水泥穩(wěn)定軟土的強度隨著有機質(zhì)含量的增大而減小，有機質(zhì)含量的增大，土體中的酸性也隨之增強，提前與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，抑制了水化產(chǎn)物的生成。有文獻表明，隨著有機質(zhì)含量的增加，固化土的最佳含水率增加，而最大干密度變化不大，孔隙率和土的壓縮指數(shù)都會隨之增大，液限塑限都有一定程度的增加。為了緩解有機質(zhì)含量對土壤pH降低的影響，研究者通過摻加具有一定堿性的材料，比如玻璃纖維，不僅可以與土壤中的腐殖酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且使玻璃纖維與土壤有機的結(jié)合在一起，對固化土的抗壓、抗剪強度起到了良好的效果。

1.2 含鹽量

易溶鹽含量大于0.3%，并且有一定的溶陷性、鹽脹性和腐蝕性的土就是鹽漬土。常見的鹽漬土類型有氯鹽澤土、硫酸鹽漬土和碳酸鹽漬土。含鹽量的增加使固化土的不均勻系數(shù)增大，并且隨著齡期的增大而增大；同時含鹽量使溶液的電解質(zhì)變多，土顆粒表面的雙電層受到抑制，厚度減薄，土粒間的斥力減弱相互吸引的能力相應(yīng)增大，使土的液限塑限下降，塑性指數(shù)降低。含鹽量對擊實效果幾乎沒有影響，這就意味著含鹽量對于土樣的最大干密度影響很小，現(xiàn)場施工時可以忽略含鹽量對石灰固化碾壓效果的影響。對于力學(xué)性能，氯鹽漬土隨著含鹽量的增大，其無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度均會降低；硫酸鹽漬土則表現(xiàn)出較為復(fù)雜的現(xiàn)象，其峰值強度對應(yīng)著一個含鹽量，在含鹽量小于2.8%時，固化土隨石灰摻入呈先增大后減小趨勢，大于2.8%時，隨石灰摻入強度呈非線性增大。塑液限在不同含鹽量區(qū)間內(nèi)也變現(xiàn)出不同的變化形式[7]。宮經(jīng)偉等[8]用全固廢材料固化鹽漬土，含鹽量和抗壓強度的關(guān)系表現(xiàn)出相同的結(jié)果，并且指出強度下降的主要原因是膨脹性Aft將試件內(nèi)部孔隙完全填充并產(chǎn)生膨脹破壞。

1.3 酸堿性

無機類固化土主要是以水泥作為主固化劑，水泥通過其水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用以及Ca(OH)2與黏土顆粒中礦物成分發(fā)生的硬凝反應(yīng)使原狀土獲得一定的抗壓強度[9-11]。在堿性環(huán)境中，這些反應(yīng)可以順利進行，在pH較低的酸性環(huán)境，部分水泥并沒有起到膠結(jié)固化的作用，反而去中和酸性環(huán)境，水化產(chǎn)物含量降低，膠結(jié)不充分，固化土的強度較低。一般來說，土壤中pH的高低關(guān)鍵在于固化土孔隙溶液中Ca(OH)2是否達到飽和。在pH較低的固化土中，H+離子含量較多，在固化土形成過程中，會消耗體系中的OH-離子，而過多OH-離子的消耗對于Ca(OH)2的生成處于不飽和狀態(tài)，同時，如果pH過低，水泥水化生成的OH-不能滿足對H+的中和，那么勢必會進一步消耗CSH凝膠生成所必須的OH-，固化土的抗壓強度必然不會高。pH較高時，水泥水化產(chǎn)生的OH-就足以中和H+，固化土孔隙溶液中Ca(OH)2處于飽和狀態(tài)，那么水化產(chǎn)物CSH凝膠就可以較為充分的生成，固化土的抗壓強度也會來到最大值。但由于土的種類繁多，不同的土差異較大，酸堿性環(huán)境對于固化土的影響并不絕對。黃鳳鳳等[12]在利用強堿性赤泥和水泥共同固化黃土?xí)r，發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境和堿性環(huán)境都會提高赤泥固化土的無側(cè)限抗壓強度，反而在pH接近7.0時最小。黃新等[10]發(fā)現(xiàn)土壤pH對于其固化土的抗壓強度有著顯著的差異，pH值較高時，固化土的抗壓強度也隨之增大。蒲凡等[2,11]在使用NaOH作為輔助固化劑固化淤泥時，在不同NaOH濃度下，固化土的強度有明顯不同，在摻加量大于1.6%時，強度提高20%以上。通過對不同土壤調(diào)整利于固化的環(huán)境，在固化過程中摻加一些輔助劑比如NaOH、水玻璃、CaSO4等，使固化土孔隙溶液Ca(OH)2始終處于一個飽和的狀態(tài)，可以有效提高無機類固化土的抗壓強度。

土樣的性質(zhì)如何影響固化土抗壓、抗剪等力學(xué)性能的增長非常重要，同時明確土樣性質(zhì)對指導(dǎo)高效針對性的固化劑具有重要意義。

2 固化劑組分及其摻量

無機類固化劑通常為粉末狀，主要是由具有一定膠凝能力的主固化劑包括石灰、水泥、粉煤灰和各種固體廢棄物，以及一些外加激發(fā)劑包括無機鹽、堿和表面活性劑組成。無機類固化劑發(fā)展比較早，工程應(yīng)用也較為廣泛，大量研究者對無機類固化劑的種類、摻量以及其固化機理做了充分的研究。在土壤中加入無機類固化劑后，固化劑與土壤中的水分發(fā)生水化反應(yīng)生成Ca(OH)2和CSH凝膠，同時土壤內(nèi)部潛在活性的SiO2和Al2O3在堿性環(huán)境中與Ca(OH)2進一步生成CSH和CAH凝膠，此外在某些鹽類的激發(fā)作用下生成鈣礬石[13]。這些產(chǎn)物不僅填充土壤顆粒之間的孔隙，增加密實度，而且加強了土壤顆粒之間的聯(lián)結(jié)能力，使其成為一個緊密的整體，最終起到對土壤的固化作用。

石灰穩(wěn)定技術(shù)，因其高效經(jīng)濟的特點，是水泥穩(wěn)定土發(fā)明之前最為常用的一種穩(wěn)定方法。在土壤中加入石灰后，石灰會發(fā)生陽離子交換、絮凝反應(yīng)以及火山灰反應(yīng)，其中火山灰反應(yīng)非常緩慢，石灰穩(wěn)定土的工程性質(zhì)主要是由絮凝作用引起的。石灰的加入改變了土壤的性質(zhì)，增大了最佳含水率和抗壓強度，同時液限、塑性指數(shù)和最大干密度有一定程度的下降。Bell[14]認為，穩(wěn)定土壤所需的最佳石灰摻量在1%～3%之間，而其他研究者也有建議石灰的摻量在土的2%～8%之間。摻入低劑量的石灰比摻入高劑量的石灰更容易使固化土獲得較高的早期強度，并且強度并不會隨著石灰含量的增加而成線性增加，過量的石灰反而會使固化土的強度有所降低，石灰穩(wěn)定土強度的影響因素更多的在于養(yǎng)護齡期而非石灰摻量。因此，也有研究建議，最佳石灰含量一般為4.5%～8%之間[15]。

水泥穩(wěn)定土類似于石灰穩(wěn)定土，固化土過程中產(chǎn)生相似的效果。水泥的加入降低了膨脹率、塑性指數(shù)和液限以及最佳含水率，但混合料由于水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用逐漸形成較致密的整體，使最大干密度有一定程度增大。水泥作為固化劑的優(yōu)勢在于，幾乎任何土壤都可以制成水泥穩(wěn)定土，其結(jié)果相當(dāng)于低標(biāo)號的混凝土，價格便宜很多。為了獲得較高強度的水泥穩(wěn)定土，水泥的摻量一般在土的8%～12%之間[15]。黃新等[16]根據(jù)固化土的實際固化過程，提出了固化土結(jié)構(gòu)形成模型，用水泥固化土試驗和理論計算出的膠結(jié)土顆粒與填充孔隙所對應(yīng)的固化劑用量吻合，模型固化劑用量提供一定的參考。在路基工程中，水泥穩(wěn)定碎石用作基層底基層，水泥用量一般不超過6%[17]，而當(dāng)水泥固化高含水率的淤泥質(zhì)土?xí)r，為獲得高強度固化淤泥，需要增加水泥的用量，此時造價較高。為了改善淤泥固化成本高的問題，粉煤灰、磷石膏、礦渣等工業(yè)廢渣常作為固化淤泥的輔助固化劑。也有研究表明，固化劑的摻量越大，固化土的強度越高且水穩(wěn)性越好。

單純的石灰、水泥有時并不能發(fā)揮良好的固化效果，因此往往會摻加一些酸、堿、鹽類激發(fā)劑，如氯鹽、硫酸鹽、氫氧化鈉等，與各單一固化劑發(fā)揮協(xié)同作用，提高土體強度。Li等[18]用鋼渣、水泥和偏高嶺土復(fù)合穩(wěn)定土，發(fā)現(xiàn)此復(fù)合固化劑可以有效提高土的強度，并且表現(xiàn)出與水泥土相似的性質(zhì)。有學(xué)者指出[19]，在無機固化劑與氯鹽復(fù)和使用時，氯離子會與水泥的一部分或者水泥水化產(chǎn)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Friedel鹽(一種晶體鹽)，這種晶體鹽可以聯(lián)合水化產(chǎn)物產(chǎn)生固化作用。若體系中有硫酸根存在時，還會生成膨脹性鈣礬石，填充孔隙，加固固化土的結(jié)構(gòu)。

3 壓實度

從古代開始，即使筑路工人還沒有意識到土壤力學(xué)時，人們就知道土壤壓實可以筑出質(zhì)量更好的道路，到了今天，土壤壓實仍然是土木工程中最常見的建筑活動之一。雖然土壤壓實看起來是一個非常簡單實用的過程，但是由于大氣與水分的相互作用，壓實土壤在外部荷載和環(huán)境荷載下的行為非常復(fù)雜。在20世紀(jì)20年代，加州公路部門發(fā)現(xiàn)造成道路故障的主要原因之一就是道路壓實度不均勻，導(dǎo)致路基土壤容量不足。為了解決這個關(guān)鍵問題，在20世紀(jì)30年代初發(fā)生了兩項重大發(fā)展，即用于壓實規(guī)范的普羅克托壓實曲線和加州承載比(CBR)，至今仍為公路土工試驗的重要指標(biāo)，通過將有一定含水量的土壤層層擊實成圓柱形試塊，以建立起土壤在一定能量下的干密度和含水率之間的關(guān)系[20]。因此，影響壓實度的重要因素之一就是土壤的含水率。在擊實過程中，含水率較低時，土粒表面的結(jié)合水膜較薄，土顆粒間的引力成為優(yōu)勢，在擊實功作用下，顆粒之間錯動排列，干密度就比較低，隨著含水率增大，水膜變厚，引力隨之減小，水膜有起到一定的潤滑作用，擊實功可以使土粒輕松移動，土顆粒定向排列，壓實效果最優(yōu)，此時干密度也最大。土中含水率過大時，孔隙中出現(xiàn)了自由水，擊實功被一部分自由水抵消，顆粒間的有效應(yīng)力減小，壓實效果反而降低。因此只有在最佳含水率的情況下壓實效果最好，此時對應(yīng)的最大干密度最大，最大干密度則是現(xiàn)場壓實功的標(biāo)準(zhǔn)。其次，土壤的顆粒級配也是影響因素。級配良好的土易于壓實，此時有足夠的細顆粒去填充粗顆粒之間的孔隙，可以獲得更高的干密度，而級配不良的土則剛好相反，缺少細顆粒填充孔隙，干密度也較小，可能會致使在工程中壓實度達不到要求。那么土體的壓實度必然會影響到固化土的力學(xué)性能。研究表明[21-23]隨著壓實度的提高，固化土的無側(cè)限抗壓強度、抗沖刷性能、彈性模量都有所提升，固化土的整體性能更為優(yōu)良，在工程實踐中有更好的路用性能。也有研究者想通過壓實時間來表征固化土的強度規(guī)律，但發(fā)現(xiàn)壓實時間與固化土的強度關(guān)系較為復(fù)雜，并不能以明顯的規(guī)律性說明兩者之間的關(guān)聯(lián)性。因此，壓實度作為公路質(zhì)量檢測的重要指標(biāo)，在壓實過程中實時檢測壓實狀況、控制壓實質(zhì)量，從而保證路基路面在最恰當(dāng)碾壓次數(shù)下得到成分壓實，避免壓實不足或過分壓實的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

我國在土壤固化方面發(fā)展較晚，應(yīng)用起步晚于美國、日本等發(fā)達國家，在固化劑方面自主研發(fā)的種類也較少，總的來說和發(fā)達國家還有一定差距。近些年不少科研工作者投身土壤固化的研究中，并對其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進行工程實踐。但是，我國地大物博，土壤種類繁多，不同的土壤性質(zhì)差別較大，目前還沒有一種固化劑可以完全通用各類土壤，因此各個地區(qū)應(yīng)結(jié)合本地實際情況，通過對待固化土壤性質(zhì)的詳細研究分析之后，采用針對性固化劑，必要時摻加適宜輔助劑，以獲得固化效果優(yōu)良的固化土。在工程實際應(yīng)用時，在實驗室研究基礎(chǔ)上，嚴(yán)格把控現(xiàn)場施工工藝，根據(jù)最佳含水率和最大干密度與壓實度的理論基礎(chǔ)，在可控范圍內(nèi)使固化土達到最大壓實度，使其在用作道路基層底基層時效果較好，避免出現(xiàn)沉降滲水等問題。盡管固化土仍然存在一系列的問題有待解決，但是作為一種新型環(huán)保綠色的土木工程材料，固化土在工程領(lǐng)域中會發(fā)揮越來越重要的作用。