基于工農(nóng)業(yè)廢棄物的土壤固結(jié)研究現(xiàn)狀

收稿日期：2024-03-13

作者簡介：顏學(xué)睿（1999—），男，湖北恩施人，碩士在讀。研究方向：黃土固化。

摘要：由于特殊的成土環(huán)境、顆粒級配及礦物成分等，黃土結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度高，導(dǎo)致其工程地質(zhì)特性不佳。對黃土進行改性處理，可使其力學(xué)特性及工程地質(zhì)特性得到明顯改善，達到黃土區(qū)工程建設(shè)所需的承載力水平。利用固結(jié)劑對黃土進行改性，可以節(jié)省大量的人力和物力，效果良好，是目前國內(nèi)外研究的熱點之一。工農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生量大，可以用作黃土的固結(jié)劑。因此，有必要結(jié)合土壤固結(jié)劑的種類，綜述基于工農(nóng)業(yè)廢棄物的土壤固結(jié)研究現(xiàn)狀，以更好地消納工農(nóng)業(yè)廢棄物，改善土壤性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：土壤；改性；固結(jié)劑；工業(yè)廢棄物；農(nóng)業(yè)廢棄物

中圖分類號：X705；TU447 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.036

Current status of soil consolidation research based on industrial and agricultural waste

YAN Xuerui， XU Qi， HE Xin， MA Luxiang， DONG Shengde， SUN Yanxia， HAI Chunxi， ZHOU Yuan

（College of Materials and Chemistry amp; Chemical Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract： Due to the special soil environment， particle size distribution， and mineral composition， loess has a loose structure and high porosity， resulting in poor engineering geological characteristics. Modifying loess can significantly improve its mechanical and engineering geological properties， reaching the required bearing capacity level for engineering construction in loess areas. The use of consolidation agents to modify loess can save a lot of manpower and material resources， with good results， and is currently one of the hot research topics at home and abroad. Industrial and agricultural waste generates a large amount and can be used as a consolidating agent for loess. Therefore， it is necessary to combine the types of soil consolidation agents and summarize the current research status of soil consolidation based on industrial and agricultural waste， in order to better absorb industrial and agricultural waste and improve soil properties.

Keywords： soil; modification; consolidating agent; industrial waste; agricultural waste

黃土是一種風(fēng)積粉土，屬于特殊的地質(zhì)材料，廣泛分布在世界各地。我國的黃土主要分布在黃土高原，其面積約占國土面積的6.6%。黃土具有不穩(wěn)定性，其對雨水的侵蝕比較敏感，黃河流經(jīng)黃土高原導(dǎo)致大量的水土流失，治理難度大。如何合理利用黃土覆蓋地區(qū)現(xiàn)有的水土資源條件，就地取材，開發(fā)節(jié)能高效的黃土固結(jié)技術(shù)，對于高質(zhì)量開展水土保持工程和生態(tài)環(huán)境建設(shè)，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟和生態(tài)的協(xié)同發(fā)展具有重要意義。

1 土壤固結(jié)劑的種類

土壤固結(jié)方法多樣，根據(jù)固結(jié)機理可分為物理固結(jié)法和化學(xué)固結(jié)法，二者結(jié)合可以達到最佳固結(jié)效果。土壤固結(jié)過程需要加入固結(jié)劑。傳統(tǒng)土壤固結(jié)劑是以水泥、石灰、粉煤灰等為主的無機膠凝材料，它們既可以作為固結(jié)劑單獨使用，也可按一定的配比制成混合固結(jié)劑使用。新型土壤固結(jié)劑可分為無機類、有機類、生物酶類和離子類。

1.1 無機類固結(jié)劑

無機類固結(jié)劑為工業(yè)廢棄物、水泥、石灰等與激發(fā)劑混合制成的混合劑，其中，堿、酸、無機鹽以及含有微量表面活性劑的有機物質(zhì)均可作為激發(fā)劑。無機類固結(jié)劑的固結(jié)機理主要包括物理作用、化學(xué)作用和物理化學(xué)作用。固結(jié)劑在水化反應(yīng)中會產(chǎn)生大量OH-并與土壤內(nèi)部的Ca2+、活性SiO2、活性Al2O3在堿激發(fā)劑的作用下發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化硬鋁酸鈣，這些水化產(chǎn)物相互交織，將土壤顆粒黏結(jié)在一起。同時，在硫酸鹽激發(fā)劑的作用下，水化硅酸鈣和水化硬鋁酸鈣會繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，進一步提高土壤強度。固結(jié)劑與土壤的化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進行，大量的Ca2+和Al3+將積聚在固結(jié)土的孔隙中，這些游離離子將與吸附的鈉離子交換，從而減小土壤顆粒間雙電極層的厚度，促進土壤顆粒的團聚。

1.2 有機類固結(jié)劑

有機類固結(jié)劑包括聚合物類、環(huán)氧樹脂類和高分子材料類。有機類固結(jié)劑能降低水的表面張力，使土壤顆粒間的水膜層變薄，促進離子交換反應(yīng)，置換土壤中的陽離子。同時，有機類固結(jié)劑通常由長鏈聚合物組成，它們會相互纏結(jié)并與土壤顆粒纏結(jié)，從而提高土壤的強度和水穩(wěn)定性[1]。

1.3 生物酶類固結(jié)劑

生物酶類固結(jié)劑是一種多酶基產(chǎn)物，它是由有機質(zhì)發(fā)酵而來，依靠生物酶的催化作用和外界壓力，在黏土顆粒表面形成一層固結(jié)殼。大多數(shù)生物酶類固結(jié)劑為濃稠的褐色液體，有少許發(fā)酵氣味，無毒性且不易燃。生物酶類固結(jié)劑添加后，它會與土體中的金屬陽離子發(fā)生作用，增強土體黏性，同時增強土壤內(nèi)部微生物活性，釋放大量H+，改變土體pH，進而形成pH梯度，改變土體原有結(jié)構(gòu)，提高土體抗?jié)B性能。

1.4 離子類固結(jié)劑

離子類固結(jié)劑是一種由多種強離子組成的液態(tài)表面活性劑，通常需要加水稀釋。土壤添加離子類固結(jié)劑后，離子類固結(jié)劑中的大量陰離子與土粒表面的陽離子進行交換，破壞土粒的雙電層，降低水膜，進而改變土粒間的作用力，縮小土粒間距，最終導(dǎo)致土粒團聚。從分子結(jié)構(gòu)上講，離子類固結(jié)劑由親水端與疏水端構(gòu)成，疏水端阻擋外界水分，親水端與土體表面的金屬陽離子作用，在土體表面生成絮狀結(jié)構(gòu)，提高土體強度。與此同時，土體也從親水性轉(zhuǎn)變成憎水性并把土壤中吸附的水分排出，提高土體的水穩(wěn)性。目前，離子類固結(jié)劑在國內(nèi)多用于膨脹土、紅黏土等特定土質(zhì)的改良[2]。采用離子類固結(jié)劑對淤泥質(zhì)土進行固結(jié)，不僅可以降低淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)和比表面積，而且能提高其無側(cè)限抗壓強度。

2 基于工業(yè)廢棄物的土壤固結(jié)研究現(xiàn)狀

2.1 基于粉煤灰的土壤固結(jié)研究現(xiàn)狀

粉煤灰是煤燃燒后火力發(fā)電廠用機械回收裝置回收的一種工業(yè)廢渣。我國粉煤灰的年產(chǎn)生量超6億t，

相比水泥等固結(jié)材料，其價格便宜，約為水泥價格的1/4。粉煤灰加入土壤中與水接觸后發(fā)生水解并與土壤中的Ca2+結(jié)合，生成水化硅酸鈣和水化硬鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，粉煤灰加固土的強度增加。摻入粉煤灰可以有效地改善淤泥質(zhì)土的工程性質(zhì)。程強強[3]研究不同粉煤灰水泥摻量、不同齡期條件下粉煤灰水泥對海相黏土強度的影響，發(fā)現(xiàn)無側(cè)限抗壓強度隨粉煤灰水泥摻量的增加而增加，摻量較低時，抗壓強度隨齡期增長變化較大?，F(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，摻入粉煤灰可以明顯提高軟土地基的抗壓強度和耐久性。

2.2 基于礦渣的土壤固結(jié)研究現(xiàn)狀

礦渣是高爐煉鐵后產(chǎn)生的一種工業(yè)廢渣，廢渣中的活性SiO2和Al2O3與水直接接觸不會發(fā)生反應(yīng)，但在NaOH等堿性激發(fā)劑存在時，會發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化硬鋁酸鈣。劉誠斌等[4]研究礦渣復(fù)合膠凝材料對濱海鹽漬土的固結(jié)效果，發(fā)現(xiàn)鹽漬土中的可溶性陰離子與礦渣復(fù)合膠凝材料發(fā)生反應(yīng)，生成片狀、針狀和棒狀的水化產(chǎn)物，提高土壤固結(jié)后的無側(cè)限抗壓強度。何晶等[5]以礦渣粉為原料，研究礦渣粉砂漿加入不同堿激發(fā)劑后強度的變化。結(jié)果表明，礦渣粉砂漿與堿激發(fā)劑配比為92∶8且水灰比為0.45時，養(yǎng)護28 d的抗壓強度達到37.1 MPa。礦渣和粉煤灰可替代部分水泥來固結(jié)軟黏土，礦渣和水泥固結(jié)軟黏土的強度隨著固結(jié)時間的延長而增加，后期強度增加速度較快。

2.3 基于煤矸石的土壤固結(jié)研究現(xiàn)狀

煤矸石是煤炭開采、洗選等過程產(chǎn)生的廢渣。煤矸石露天堆積時，自燃會產(chǎn)生CO2、SO2等有害氣體，污染空氣，煤矸石長期受雨水侵蝕，會導(dǎo)致重金屬離子溶出并滲入土壤造成污染。膨脹土摻入石灰和煤矸石的改性效果優(yōu)于單加石灰，添加石灰和煤矸石后，膨脹土的物相結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，生成鈣礬石和白云石，使得膨脹土的工程性質(zhì)得到改善。摻入煤矸石粉后，大部分膨脹土顆粒形成團粒，少部分為片狀顆粒，填充到孔隙中，增強顆粒間的黏結(jié)力，使得膨脹土的抗剪強度提高。不同摻量的石灰與煤矸石對膨脹土的改良效果不同，石灰與煤矸石的摻入改變膨脹土的粒徑分布，小顆粒發(fā)生團聚。煤矸石中解離的Mg2+、Ca2+等與土壤顆粒發(fā)生離子交換作用，降低膨脹土的液限，提高塑限。

3 基于農(nóng)業(yè)廢棄物的土壤固結(jié)研究現(xiàn)狀

3.1 基于稻殼灰的土壤固結(jié)研究現(xiàn)狀

稻殼是稻米產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，這種農(nóng)業(yè)廢棄物的常規(guī)處置方法是堆放或填埋。稻殼富含硅元素，稻殼煅燒后，硅元素將轉(zhuǎn)化為具有高活性的非晶態(tài)二氧化硅[6]。稻殼灰中的二氧化硅活性較高，其具有類似于粉煤灰等材料的火山灰活性。稻殼灰可以應(yīng)用于建筑行業(yè)，這與綠色建筑理念相吻合。摻入石灰和稻殼灰能夠促進火山灰反應(yīng)，提高土體強度。稻殼灰加入水泥后，最大干密度和最優(yōu)含水率增大，稻殼灰摻量為15%，水泥摻量為8%時，固結(jié)淤泥土的抗壓強度最佳。另外，可將稻殼灰、水泥和聚丙烯纖維摻入鹽漬土內(nèi)，稻殼灰添加使得水泥纖維改性鹽漬土的無側(cè)限抗壓強度增大，但回彈模量及吸水能力減小。

3.2 基于植物纖維的土壤固結(jié)研究現(xiàn)狀

植物纖維是一種天然高分子材料，密度低，能夠反復(fù)加工。添加植物纖維是土壤改性最常用的物理方法[7]。土壤中添加劍麻、大麥秸稈和聚丙烯纖維等，可以有效降低土壤脆性，提高土壤延性。纖維加入土壤后，兩者會發(fā)生交互作用。由于纖維與土壤性質(zhì)不同，當(dāng)纖維與土壤的形變不一致時，兩者就會產(chǎn)生界面應(yīng)力，并對土壤變形起到約束作用，提升土壤的各項性能，同時纖維將土壤承受的外力分散，增強土壤的承載能力。試驗發(fā)現(xiàn)，素土或水泥土加入纖維會使其無側(cè)限抗壓強度增加，使得水泥土的破壞形式由脆性破壞變成塑性破壞。

4 結(jié)語

黃土高原水土流失嚴重，使得低成本、高強度的土壤固結(jié)技術(shù)成為廣受關(guān)注的研究重點。國內(nèi)采用石灰、地聚物和植物纖維等固結(jié)土壤，取得豐碩的研究成果，其中石灰改良土壤的方法已經(jīng)得到工程應(yīng)用。目前，土壤固結(jié)技術(shù)仍然存在部分突出問題。一是多種固結(jié)劑與土體相互作用的機制尚不完全明確。二是我國不同地區(qū)土壤質(zhì)量差異較大，土壤固結(jié)劑需要根據(jù)不同的工程進行調(diào)整，目前還沒有一種能廣泛應(yīng)用的土壤固結(jié)劑。三是土壤固結(jié)劑在高寒地區(qū)或長期受特殊溶液侵蝕地區(qū)的應(yīng)用研究較少。四是固結(jié)劑對土壤生態(tài)環(huán)境和植物生長的影響缺少重視。未來，要開展深入研究，有效解決問題，從而更好地利用工農(nóng)業(yè)廢棄物，提高土壤固結(jié)效果。

參考文獻

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