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土质固化剂的目前现状及前景沈飞曹净曹慧2009-04-09(昆明理工大学建筑工程学院云南)摘要：阐述了土壤固化剂的发展现状及分类,从土体的组成、结构角度,概括分析固化剂的固化机理,总结了现阶段土壤固化剂研究和应用领域中存在的若干问题,以及影响固化剂性能发挥和使用的因素,并对土壤固化剂的发展提出几点建议。关键词：土壤固化剂;固化机理土壤固化技术发展至今,已经成为了一门综合性的交叉学科。它被广泛的应用于国家现代化建设的各个领域,应用手段越来越多,涉及到了多种理论,它的处理对象也不断得到扩充,处理的目的也不仅仅是单一的加固,还包括增加渗透性、提高抗冻能力、防止污染物质泄漏等诸多方面[1]。在这里仅以化学加固为重点,对土壤固化剂的现状做一个阐述土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土体中土壤颗粒表面或能够与粘土矿物反应生成胶凝物质的土壤硬化剂[1]。土壤固化剂实际上是利用外掺剂对土体进行化学处理,来改变土壤的组成和土体的工程性质,从而提高土体强度,改善土质压实性。在长期的工程实践活动中,人们逐渐认识到,石灰土、水泥土的早期强度低、干缩大、易开裂,并且其性能受土质影响较大,对塑性指数高的粘土、有机土和盐渍土固化效果较差,甚至有时无固化作用。本文从国内外土壤固化剂研究的现状着手,概括分析土壤固化剂的固化机理,总结土壤固化剂研究和应用领域中存在的若干问题,并对土壤固化剂的发展提出建议。1土壤固化剂的研究现状土壤固化剂加固土体的研究已有几十年的历史,取得了许多土壤固化的实践经验和理论成果其研究方向大致有两个:一是固化土性质和本构模型的研究;二是加固各种类型土壤的固化剂的配比。1.1国外研究现状以美、日等国家为代表,起步较早,对土壤固化技术进行了深层次研发,进行了对加固土壤的材料成分的改进,由原来单一的使用水泥、石灰、粉煤灰升级到多种材料配比混合,形成了改善和提高土壤工程技术性能的复合材料———土壤固化剂;同时针对不同的土质条件研制了不同的土壤固化剂,研究的对象和思路进一步拓宽,不仅包括水泥和石灰的各种添加剂、废弃物的再利用研究,而且对菌类加固剂、昆虫加固技术也进行了较深入的研究现在土壤固化剂已大量应用于各种工程建设中,效益非常明显。主要产品有美国的Soil-rock,EN-1,top-seal等土壤固化剂;澳大利亚开发的Roadbond(r),Roadpacker(r);日本生产的Aught-set系列土壤固化剂;南非生产的ISS土壤固化剂,CON一AID土壤固化剂。Medina等针对红土的成分,利用磷酸加固红土;Tomohisa等提出用混凝土粉末、纸浆渣、粉煤灰和火山灰土加固处理那些含水量高和有机质含量高的土壤;Zalihe等用粉煤灰和石灰来加固含有石灰质的膨胀性粘土。Munjed等用一种沉积物燃烧后的物质作为一种土壤固化剂;Robert研究了一种高浓缩的液体土壤固化剂(CIS);Saboundjian对一种有机土壤固化剂(EMC2)在路基加固中的应用做了报道;Thecann研究了腐生物分解木质索中的担子菌类,认为其在土壤固化过程有着重要的作用;Nene等研究了自然界白蚁用粘土固化筑巢的技术,提出了岩土昆虫学的概念。虽然国际上土壤固化剂的发展较快,但却有各自的缺点,仍然需要不断完善。比如奥特塞特(ADGHTSET)固化剂对土体固化后具有一定的强度和水稳定性,但提高的程度不大;ISS土壤固化剂对土体加固后强度、水稳性良好,其缺点是对于固化膨胀土时必须使用石灰,否则其产生的强度很低。1.2国内研究现状我国从八十年代开始引进国外土壤固化剂技术,在吸收国外经验的基础上,针对我国土壤的性质,开始了土壤固化剂的研究工作。迄今为止,先后有多家科研单位对土壤固化剂进行了研究,并先后取得了一些研究成果,并应用到了工程建设中。方祥位等对GT型土壤固化剂改良土的工程特性进行了研究,GT型土壤固化剂是以高钙灰和脱硫石膏两种工业废料为主要原料,辅以生石灰、水泥、熟石膏、硫酸铝及明矾石等次要成分,采用生石灰消解法除去脱硫石膏中的自由水,按全粉料配料的方法配制而成。按一定掺量向土中掺入石灰和GT型土壤固化剂制成石灰改良土样和固化剂改良土样并进行养护、浸水,对土样进行击实试验、直剪试验、压缩试验和渗透试验。对比试验结果表明GT型土壤固化剂改良土的击实效果、抗剪强度、压缩性、抗渗透性等工程特性明显优于石灰改良土。侯浩波等[5]对HAS土壤固化剂固化土料的特性进行了研究,通过室内试验和对工程应用的分析探讨,说明了HAS土壤固化剂的适用性。徐渊博等研制出的PAM-CATS土壤固化剂具备良好的固结强度,水稳定性,具备良好的推广价值。使用这种固化剂后,发现土的无侧限抗压强度CBR值大幅增加。在汤河水库库区道路中使用ASC土壤固化剂替代水泥体现出了其巨大的优越性,取得了良好的经济、环保效益国内在有机类固化剂的研发方面与国外差距较大,但也有发展。刘瑾等选取丙烯酸等乙烯基单体为主体经高分子聚合反应合成了一种新型土壤固化剂。固化土的力学性能显示出该土壤固化剂有很好的固化效果。通过傅立叶变换红外光谱(FTIR)等分析测试手段对合成土壤固化剂的固化结构、固化性能及固化机理进行了初步探索,但产品的性能尚不稳定。此外,许多无机和有机材料结合的土壤固化剂也不断出现。但总的来说,我国研究固化剂和固化技术尚处于起步阶段。2土壤固化剂的分类土壤固化剂作为一种新型的建筑材料,其不同的物理和化学组成成分决定了不同的类别、特点和固化方法。固化材料从形态上看,可分为固态和液态两大类。从化学构成上看,可分为主固化剂和助固化剂两大部分。按照材料的物质组成特点可分为无机类、离子类、有机聚合类三大类。2.1无机类固化剂一般为粉末状,多采用工业废料作为主固剂,添加各种激发剂配制而成。主固剂包括粉煤灰、各类矿渣、煤矸石或水泥、沸石、石灰等,激发剂主要包括各种硫酸盐类、各种酸类和其他无机盐,也包含少量的表面活性剂等其他有机材料。添加无机类土壤固化剂的固化土性能比较稳定,在正常条件下,其性能可保持30~50年基本不变。由于添加了一些工业废料和较易取得的建筑材料,而且施工简便,因而不仅可以降低工程造价,而且还具有环保和节能意义,更由于其历史遗传,被广泛使用于工程建设中。此类固化剂发展至今主要包括水玻璃类(水玻璃铝酸钠或氯化钙或氢氧化钠)、水泥类(高铝水泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,钢渣水泥等)、石灰类(生、熟石灰,电石渣,贝壳类,漂白粉渣)、硫酸盐类(石膏,硫酸铁,硫酸铝)、氯化物类(氯化钙,氯化钠,氯化镁)、磷酸盐类、苛性碱类。2.2离子类固化剂离子固化剂是一种由多个强离子组合而成的化学物质。离子类土壤固化剂一般是液状水溶性液体,是由若干强离子试剂制成的混合液溶液的pH值为1.25,呈酸性。此类固化剂对土壤有较强的选择性和针对性,不适用于pH值大于7.5的碱性土壤。目前,国内主要应用的离子固化剂主要有:美国的EN-1;澳大利亚的Roadband;加拿大的Roadpacker;南非ISS2500等品种,国产相关产品还相对较少引领业界，重RESIN点推荐2.3有机聚合类固化剂此类稳定剂一般呈液态,目前国际市场应用比较广泛和知名的产品多由石油磺化而得,其主要成分为磺化油,如南非约翰尼斯堡公司生产的康耐(CON-AID)和美国Soilrock公司的S型稳定剂等是国际市场上比较常见的品种。有机聚合物固化剂的作用机理通常被认为是物理的而非化学的,它并不改变粘土矿物的内层结构,而是通过裹覆土颗粒,在其表面产生强大的吸附作用,伸得土壤颗粒集聚固化。这种固化剂主要有沥青、焦油、聚合物(树脂,糖醛苯胺,丙稀酸钙,聚丙稀苯胺,羧甲基纤维素等)。沥青加固土有热拌与冷拌之分,热拌法由于常常需要加热土壤或(和)沥青而受到限制。冷拌法则是用液体沥青加固未加热的土壤。对于粗粒土,如碎石、砂砾,沥青主要发挥其界面粘聚作用。对于粘土,由于粘土颗粒具有强大的表面能,沥青与土颗粒之间发生物理吸附和化学吸附,在土颗粒周围形成坚强的沥青薄膜,从而形成稳定的凝聚结构。同时裹覆在土颗粒上的沥青因有憎水性,能够阻止水分侵入,提高加固土体的水稳性。研究表明,土壤的含水量对加固土的强度和水稳性有着重要的影响。适宜的水分,不仅可以削弱那些未被沥青膜裹覆的土颗粒的表面能,从而减小它们进一步吸收水分的能力,而且是沥青充分分散到土壤中并获得良好压实性的必要条件为改善和提高沥青加固粘性土壤的效果,常常预先用石灰作为活化剂进行处理,目的是活化土颗粒的表面,降低土的亲水性,提高土的吸附能力等。液体沥青加固砂土类土壤效果不理想,而较适宜加固粘性土;乳化沥青则更适宜砂土的加固,用于粘土时,会因粘土颗粒巨大的表面能作用使得乳化沥青在某种程度上失水而变得粘稠,从而难以均匀地分散在土壤中。对传统的高聚物而言,它可以改良土壤其中包括水土保持、土壤保湿、疏松土质等,在此基础上,研究发现利用聚合物交联形成立体结构包裹和胶结土粒,或者利用表面活性剂改变土粒表面亲水性质,形成有效的抗水能力。在土壤压实的基础上,可以得到较好的抗压强度。从而发展成为一类新的土壤固化剂。它有如下优点:固化剂的掺入量较少,运输方便,成本可以有较大幅度的降低;一般采用水溶液的形态与土壤混合,施工方便;加入催化聚合成分或者直接利用土壤成分来实现交联,土壤早期强度和后期稳定强度均可以满足要求;适用的土壤类型比较丰富,所以适应性也比较好。缺点是这类固化剂普遍的抗水性能比较差,遇水强度急剧降低,一些成型的产品同样存在这类问题。并且土壤的强度建立在聚合物本身的胶结能力上.土壤的结构成分复杂,对聚合物本身的稳定性也是一种考验,有待进一步发展和实践检验。这样的一种分类只是大体上给出一个框架,在实际工程中,经常是多种类型的固化剂混合使用,互相弥补不足。此外在采用化学固化剂的过程中也常辅助以物理手段,例如国外曾采用施加电场的方式来排除土壤水分,引导离子电泳在土壤中形成固化盐类。此外,有很多种类土工织物也常用来增加土块的稳定性;还有公司开发出生物酶技术来加固土壤。3土壤固化剂的加固机理天然的土体是由固、液、气三相组成。土的固体颗粒大小和形状、矿物成分及其组成三相体系在空间的排列与联结特性,是决定土的物理力学性质的重要因素。在研究土体的增强改性时,必须研究土中矿物的基本颗粒与其微集聚体之间相互作用的性质与本质,即土在自然沉积或人工固化过程中,经过一系列物理、化学和物理化学综合作用,以促使在颗粒接触带从结构上产生不同性质和能量的相互连结作用。通过对土体的组成、结构分析,结合多种土壤固化剂的实验、应用的结果来看,可以总结出土壤固化过程中的基本机理。3.1水的处理从土壤固化过程来看,土壤中水分的存在对土壤固化具有很大的负面影响。土壤中的粘粒由于其颗粒极为细小,表面能很大,在粘粒与水溶液界面上易发生吸附、离解或离子交换作用而带电,具有吸引极性水分子和水化离子的能力,即具有胶体性质和强的亲水性。粘土矿物颗粒与水相互作用时,根据作用力的大小可分为强结合水、弱结合水、毛细管水和自由水,土中结合水量是控制形成粘性土的稠度、塑性、膨胀、收缩等水理性质及强度、变形等力学性质的重要因素之一。由于水的存在,通过一系列的溶解、电离作用使土粒周围的阳离子形成双电层结构,使得土壤变成溶胶体。这样的胶体具有一定的稳定性,但相互间的作用力较弱,所以土壤的强度比较差。所以为了固化土壤,必须将土壤中的水除去,阻止这一系列的溶解、电离作用发生。处理水的方式有两种:第一种是将游离水转化为结晶水。生成的结晶水合物具有胶凝的性质,可以堵塞土块中的各种毛细管道.避免渗入水分再一次破坏固化土的结构。第二种处理水的方式是破坏土粒表面的亲水性质,削弱土粒与水之间的作用力,利用施压和引流等措施除去土壤中的水分。3.2土壤颗粒的胶结研究表明,土体的力学性质并不取决于粘土中矿物晶体的强度,而是取决于土粒之间的结构连结力。结构连结是在一系列物理、物理化学和化学作用下形成的,这些作用促使在颗粒接触带上产生不同性质和能量的相互作用,在土体中作用在颗粒之间的粘结力本质上是一种表面力。从这一角度出发,土的固化和稳