王浩然，楊卓，紀(jì)曉彬，劉霜，梁燕

（1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引言

我國(guó)黃土面積近64萬m2，黃土結(jié)構(gòu)疏松、遇水軟化，工程性質(zhì)差，因此需將黃土改良后應(yīng)用于工程建設(shè)。土壤固化劑能有效穩(wěn)定土壤，提升土體強(qiáng)度，可用于公路的路面結(jié)構(gòu)層以及路基加固、邊坡防護(hù)、荒漠化防治等工程領(lǐng)域，但是關(guān)于固化劑改良黃土強(qiáng)度的綜述文獻(xiàn)很少見，文章對(duì)改良黃土的強(qiáng)度特性研究進(jìn)行淺述。

1 土壤固化劑發(fā)展情況

從20世紀(jì)50年代開始，基于對(duì)工程建設(shè)的需要和環(huán)境保護(hù)的要求，國(guó)際上開始研究土壤固化劑，而國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)80年代開始研究，學(xué)者們基于我國(guó)土壤特點(diǎn)做了研究工作，并取得了豐富的研究成果。土壤固化劑的應(yīng)用主要包括改善黃土、膨脹土等力學(xué)性質(zhì)；加固軟土、改造滑坡土體、當(dāng)作垃圾填埋場(chǎng)，以及堤防防滲材料，這些應(yīng)用對(duì)人們的生產(chǎn)和生活都具有重要意義。

2 固化劑的分類及作用機(jī)理

土壤固化劑是在常溫下能夠直接膠結(jié)土壤顆?；蚺c黏土礦物反應(yīng)生成凝膠物質(zhì)的新型材料，土壤固化劑技術(shù)發(fā)展至今，不斷完善。它能夠節(jié)約筑路成本，縮短工期，同時(shí)提升土壤抗壓抗剪強(qiáng)度、增強(qiáng)水穩(wěn)性和凍穩(wěn)定性。土壤固化劑可分為傳統(tǒng)材料、新型高分子材料、生物酶類等。

2.1 傳統(tǒng)固化劑

傳統(tǒng)的土壤固化劑主要有水泥、石灰、粉煤灰、礦渣等，且以硫酸鹽等作為輔助成分進(jìn)行激發(fā)。傳統(tǒng)的土壤固化劑主要依靠其水解、水化以及其水化產(chǎn)物等一起穩(wěn)定土壤，從而達(dá)到改良土壤的目的。

2.2 有機(jī)土壤固化劑

有機(jī)類土壤固化劑多為高分子材料，目前有水玻璃類、環(huán)氧樹脂、高分子材料和離子類等。此類固化劑一般通過離子交換原理或材料本身聚合加固土壤。有機(jī)類土壤固化劑與適量水泥或石灰共同使用處理土壤時(shí)，其效果更佳。

2.3 生物酶類土壤固化劑

生物酶類土壤固化劑本質(zhì)上是蛋白質(zhì)多酶基產(chǎn)品，其大多為有機(jī)物反應(yīng)而成的液體。該類土壤固化劑在接觸土壤后，可與土壤中離子發(fā)生離子交換，減少土壤顆粒表面的擴(kuò)散層厚度，使土壤粒子之間粘合性增強(qiáng)。經(jīng)外力擠壓密實(shí)后，可把生物酶固化土壤硬化成致密、堅(jiān)固和不透水的整體結(jié)構(gòu)，但生物酶催化作用受環(huán)境條件影響較大，對(duì)于一些寒冷地域的土壤固化難以實(shí)現(xiàn)。

3 固化劑改良黃土的強(qiáng)度分析

3.1 傳統(tǒng)固化劑

以水泥和二灰土改良黃土為例。

3.1.1 水泥固化黃土

水泥固化黃土是傳統(tǒng)的、常用的固化黃土的方法。不同水泥含量的改良黃土的飽水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表1。水泥摻入能大幅提高黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，6%的水泥摻量能把黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從0.14 MPa提高至2.13 MPa，并且隨水泥摻量的增加強(qiáng)度升高。28 d齡期內(nèi)，齡期對(duì)水泥固化黃土的強(qiáng)度有較大影響。

表1 不同水泥含量的改良黃土飽水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

硅微粉具有無毒、無味、無污染的優(yōu)點(diǎn)，與水泥同時(shí)作用于黃土加固時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)了土顆粒之間的粘結(jié)作用。楊秀武等[1]發(fā)現(xiàn)利用硅微粉和水泥混合摻入黃土后不僅提高黃土顆粒之間的粘結(jié)力，而且增強(qiáng)了黃土顆粒之間的摩擦力。瞿瑜等[2]得出當(dāng)硅微粉摻量在10%、水泥摻量在4%時(shí)為固化黃土的最優(yōu)摻量，素土的變形表現(xiàn)呈塑性，固化后的黃土變形呈脆性。李宏波等[3]研究表明凍融循環(huán)對(duì)素土和硅微粉-水泥固化土的摩擦角影響較?。粌鋈谘h(huán)作用下，固化土黏聚力降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于素土黏聚力的降低幅度?？梢娝?硅微粉固化土能大幅度提高黃土抗凍能力。

3.1.2 二灰土改良黃土

二灰土是用石灰和粉煤灰按照一定比例與土混合后加水?dāng)嚢杈鶆蚰雺憾傻囊环N無機(jī)材料。目前石灰、粉煤灰用作添加于天然細(xì)粒土或粘土中的穩(wěn)定性材料越來越常見，而且價(jià)格低廉、施工簡(jiǎn)單、力學(xué)性能和水穩(wěn)定性好，成為土質(zhì)改良的重要方法。張志權(quán)等[4]研究表明二灰黃土的干密度對(duì)其強(qiáng)度有很大影響，二灰黃土強(qiáng)度隨干密度的增加而增大、隨齡期增大而增大，隨粉煤灰含量的增加而增大。不同配比的二灰黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 不同配比二灰黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

張志權(quán)等[5]研究了二灰黃土的飽水強(qiáng)度、凍融強(qiáng)度等。研究表明：在1∶1∶8、1∶2∶7和1∶3∶6三種配比的二灰黃土中,以1∶2∶7二灰黃土的配比最接近最優(yōu)配合比，應(yīng)在施工、設(shè)計(jì)中提倡使用。

1∶2∶7配比的二灰黃土飽水后會(huì)降低其強(qiáng)度，且降低幅度隨著齡期的增大而減小。長(zhǎng)齡期（28 d齡期以上）二灰黃土的飽水強(qiáng)度平均降低2.40%，說明1∶2∶7二灰土具有良好的水穩(wěn)定性。

凍融循環(huán)對(duì)二灰黃土強(qiáng)度的影響見表3。從表3中可看出：凍融循環(huán)對(duì)長(zhǎng)齡期、1∶2∶7二灰黃土的不飽水強(qiáng)度幾乎沒有影響，但對(duì)低齡期的二灰黃土受凍融循環(huán)影響較大，1∶2∶7二灰黃土可以在凍土地區(qū)作為公路的底基層。米海珍[6]對(duì)二灰土進(jìn)行滲透性試驗(yàn)研究后表明，二灰黃土防滲性不好。在粘土缺乏區(qū)工程中需隔水土料時(shí)，可以3∶7配比的水泥土作為防滲土料。在其他需防排水地基中大多采用石灰土作為短期或臨時(shí)防水土料。

表3 凍融循環(huán)對(duì)二灰黃土強(qiáng)度的影響

3.2 新型高分子材料黃土固化劑

以新型高分子材料SH型固化劑和TX型固化劑固化黃土為例。

3.2.1 SH型固化劑

SH高分子固化材料是一種以聚丙烯酸基體系為主體的新型高分子材料。當(dāng)SH高分子與黃土顆?；旌显谝黄饡r(shí)，黃土顆粒中黏粒發(fā)生離子交換、鍵合、絮凝、吸附等作用后，利用膠體間的電性吸引力成為有粘彈性長(zhǎng)鏈狀的連續(xù)性絲狀膜層，絲狀膜與黃土體中的礦物顆粒牢固粘結(jié)，形成空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。王銀梅[7-8]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)用SH高分子固化黃土不僅能提高黃土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、耐低溫強(qiáng)度，而且能降低黃土的孔隙率，改善了對(duì)水分的抗?jié)B性和耐蝕性。表4和表5為SH型固化劑固化黃土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

表4 水泥和SH固化黃土的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)

表5 水泥和SH固化黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

從SH型固化劑和水泥對(duì)黃土的改良試驗(yàn)結(jié)果看，兩者均可改善黃土的工程特性，SH固化黃土的強(qiáng)度增加較大，且SH型固化劑在固化黃土強(qiáng)度提高的同時(shí)，有利于防滲、不崩解，效果比較好。

王銀梅等[9]的SH固化劑凍融實(shí)驗(yàn)中得出SH固化黃土隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度減?。浑SSH或水泥摻量的增加，固化黃土的強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失率遞減。SH摻量為14%及以上時(shí)，固化黃土的抗凍融性能較好。SH固化黃土抗凍性能優(yōu)于水泥，表6為SH固化劑固化黃土與水泥固化黃土的抗凍性能對(duì)比。

表6 SH固化劑固化黃土的抗凍性能

3.2.2 TX型固化劑

TX型固化劑是一種用于改良土壤的高性能固化劑，它具有固化速度快、相對(duì)強(qiáng)度高、收縮量小，經(jīng)固化的土壤不會(huì)出現(xiàn)二次流化等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的處理技術(shù)相比，能節(jié)省大量水泥、沙石料等材料費(fèi)用；與混凝土材料相比，可降低造價(jià)30%左右。

TX型固化劑可將大的土壤團(tuán)粒散解成細(xì)小的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，然后TX土壤固化劑中帶有正電的離子與帶有負(fù)電荷的土壤離子作用，使其帶電性降低，團(tuán)粒間斥力大幅度減少。當(dāng)土壤中加入鈣鎂離子（石灰，水泥，爐渣等）時(shí)，固化劑的低價(jià)離子與鈣鎂離子發(fā)生交換，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成化學(xué)鍵，在土壤中形成堅(jiān)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使土壤的干密度增加，從而提高壓實(shí)度，達(dá)到提高固化土抗壓強(qiáng)度的目的。

劉霜等[10]研究表明：TX-水泥改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期和水泥含量的增加而增大。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受齡期影響最大，其次為水泥含量。表7為TX-水泥改良黃土的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表7 TX-水泥改良黃土的28 d強(qiáng)度

3.3 生物酶類固化劑

生物酶類土壤固化劑的固化土，具有良好的整體性和連續(xù)性，密實(shí)度高，承載力強(qiáng)。但是其土體經(jīng)水浸泡后強(qiáng)度會(huì)降低。

帕爾瑪固化酶是上世紀(jì)40年代由美國(guó)帕爾瑪公司生產(chǎn)出的由多種“酶”組成的高效生物土壤固化材料，主要適用于細(xì)粒黏土。

泰然酶也是一種生物酶類土壤固化劑，泰然酶用量主要由土壤的塑性指數(shù)決定，其用量隨塑性指數(shù)的增大而增大。羅斌[11]研究表明：在一定范圍內(nèi)，隨著泰然酶劑量的增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度將迅速增加，但生物酶類土壤固化劑固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)普遍偏低，其穩(wěn)定性增長(zhǎng)也不明顯，需要適量水泥等其它固化劑的參與。

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的材料水泥、二灰改良黃土具有干縮大、易開裂、水穩(wěn)性差的缺點(diǎn)。水泥改良黃土后強(qiáng)度明顯增加。TX高分子土壤固化劑、生物酶土壤固化劑改良黃土?xí)r，適量添加水泥可明顯提高改良黃土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

二灰黃土（石灰、粉煤灰、黃土的體積比為1∶2∶7）28 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.104 MPa，6次凍融循環(huán)后的不飽水強(qiáng)度損失率為2.40%、飽水強(qiáng)度損失率為15.6%。凍融循環(huán)對(duì)長(zhǎng)齡期（28 d齡期以上）二灰黃土強(qiáng)度幾乎沒有影響，而低齡期的二灰土受凍融循環(huán)影響較大，工程應(yīng)用中要注意。

（2）有機(jī)高分子材料SH為14%時(shí)，風(fēng)干28 d強(qiáng)度為4.653 MPa，比相同含量水泥28 d齡期的強(qiáng)度小，但15次凍融循環(huán)后，SH固化黃土的強(qiáng)度損失率為11.78%，其比水泥固化黃土的損失率（28.11%）小很多。

TX-水泥固化黃土（TX固化劑含量0.03 %，水泥4 %，黃土約96 %）28 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為8.47 MPa，是文中所述固化黃土中強(qiáng)度最大的，但TX-水泥固化劑改良黃土的抗凍融性能需進(jìn)一步研究。

（3）生物酶類土壤固化劑主要適用于細(xì)粒黏土。經(jīng)生物酶類土壤固化劑固化的土體經(jīng)水浸泡后強(qiáng)度會(huì)降低，且該固化劑不適合在寒冷地區(qū)改良加固黃土。