贺鑫HE Xin；张玉苹ZHANG Yu-ping

（绵阳城市学院建筑工程学院，绵阳 621000）

0 引言

淤泥质土壤的处理，无论是在水利、交通，还是城市建设项目上都是一个棘手的难题。在该类土质上进行作业施工，首要环节就是对其进行固化处理，降低含水率，提高密实度和承载能力。随着时代的发展，填埋砂、石等传统处理方法对于淤泥质土壤而言已不切可行，资源合理利用、自然环境保护和经济成本无不成为我们考虑的因素。对此，研究淤泥质土壤固化剂显得尤为重要。

本文通过阐述传统无机胶凝材料的优缺点，指出单一固化材料的固化缺陷，分析固化剂研究现状及固化机理，在研究人员的基础上，对淤泥质土壤固化剂的研究进行综述，对其未来的研究方向进行展望，为淤泥质土壤固化剂的应用提供参考。

1 淤泥质土壤固化的主要特点

淤泥质土壤属于软土的一种，具有自身矿物成分复杂、天然高含水率、天然大孔隙比、渗透系数小、低强度、高压缩性、形态多为流体状等特点，其固化处理相较于砂质软粘土、岩土更为复杂，对于水利工程、交通道路工程、土建地基工程而言淤泥质土壤的固化处理是对工程技术人员的巨大考验和难题[1]。我国绝大多数地区都处于季风气候区，常年多雨天气，气候湿润，降水丰沛，多易形成泥地积水和河湖沼泽地，这无疑不增加了工程地基处理施工的难度。

常见的淤泥固化处理方式为脱水处理和固结处理，通过采取抽吸、过滤脱水等方式对淤泥进行初步脱水，先降低淤泥质土壤本身的含水率，再添加主固化材料（传统无机胶凝材料—水泥）以及其他不同类型的固化剂对淤泥进行固结处理，使淤泥的土质达到设计承载能力强度。此外，淤泥质土壤中富含微生物有机质、腐殖质，常呈灰黑色黏糊状，在空气和日照的作用下有刺鼻性气味的恶臭，影响城市的绿色生态建设，对于淤泥质土壤进行固化处理、固化剂研究符合国家城市的环境友好型生态建设，对淤泥质土壤进行改良处理，再生利用，亦可缓解城市土地资源紧缺不足的问题。为此，众多研究学者针对淤泥质土壤的固化处理和固化剂研究展开了众多分析，在传统无机胶凝材料固化方法的基础上，对外加固化剂进一步研究配制。

2 淤泥质土壤固化剂国内外研究现状

2.1 淤泥质土壤固化剂的分类

近20 年以来，随着科技研究和经济的进步，社会时代的发展，对于淤泥质土壤固化剂的研究得到了创新性、实质性的发展进步，许多新型材料被国内外学者研制开发出来，涌现了许多不同类型的固化剂材料，按外观形貌可大致分为液体类固化剂和粉末状类固化剂；按主要成分来划分，则可分为无机化合物类固化剂、有机化合物类固化剂、生物酶类固化剂、复合型固化剂等[2]。下面对这四种固化剂展开进一步分析：

2.1.1 无机化合物类固化剂

无机化合物类固化剂作为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，工业生产的附加废料，如矿渣和钢渣Ca、Mg、Fe、Si 及其氧化物、废石膏CaSO4、磷石膏CaSO4·2H2O 等，此类固化材料多具有良好的强度、水稳定性和抗冻性能，且材料易获取，固化速度快，已经在很多工程中得到了广泛的运用[3]。此类无机化合物固化剂的优点毋庸置疑，作为最早的胶凝固化材料，在过去的数百年里得到了人们长时间信赖，成为了材料固化的必需品，但也随着时代科技的进步，绿色环保理念的流行，其潜在的缺点也日益暴露。此类无机胶凝材料由于含大量碱性物质，直接用于固化土壤会大幅提升土壤的碱性值，固化后的土质无法满足植物生长所需的酸碱平衡值，大多植物无法正常存活，基本丧失了其生长能力；此类无机胶凝材料由于自身材料性能的缺陷，在使用后期出现干缩、温缩等现象，会造成开裂，加之固化材料本身成本较高，硬化机理不完善，虽然有较好的胶结固化功效，但对于松散土颗粒的孔隙填充存在很大缺陷，为此，研究更多新型淤泥质土壤固化剂是很有必要的。

2.1.2 有机化合物类固化剂

有机化合物类固化剂主要包括水玻璃类材料、环氧树脂和有机高分子等材料[4]。王琳[5]在对淤泥固化剂的研究中提到，通过离子交换作用将淤泥土水分中的电荷与淤泥颗粒电荷充分交换，使之减少土壤孔隙及表面张力所引起的吸水作用，使淤泥由“亲水”变成“憎水”。韦猛[6]通过实验研究，发现吸水树脂含有酰胺基、羧基和磺酸基等强亲水性基因，添加少量吸水树脂到淤泥质土壤中可以产生较好的絮凝作用。有机化合物类固化剂加入淤泥质土壤中，迅速与土中水发生物理化学反应，在土粒表面和土壤空隙之间生成大量絮凝胶结物，土颗粒间的黏聚力c 不断增大，内摩擦角φ 不断减小，土体无侧限抗压强度和胶结性能得到显著提升，达到淤泥质土壤固化目的。

2.1.3 生物酶类固化剂

生物酶类固化剂在广义上属于蛋白质多酶基产品，是一种从植物中提取的，经过一系列发酵处理而产生的有机质蛋白质，多为液体，无毒且不会造成环境的污染[7]。此类固化剂材料通过与淤泥质土壤中的有机物发生反应形成胶结物来减小渗透性，使土颗粒内部的离子得到交换，斥力降低，再经过外力的压缩作用，促进淤泥质土壤中水分的排出，提高土体强度[8]。王昌衡[9]通过实验得到了TerraZyme 生物固化酶能使土质渗透性下降，强度密实度提高，通过经济性分析得出生物酶类固化剂在造价上有绝对优势。吴宜桉[10]以泰然酶为研究对象，对其固化效果进行了现场实验检测，使用泰然酶加固土的CBR（承载能力）值较原土质增加了2～5 倍左右，用泰然酶加固石灰和水泥土时，其CBR 值再增大2～3 倍。米吉福[11]对生物酶类固化剂固化土壤的无侧限抗压强度和CBR 值进行了试验总结，表明随着固化剂掺量的增加，土壤液限ωL、塑限ωP、最佳含水量均降低，无侧限抗压强度和CBR 值随掺量的增大和养护时间的延长而不断增大，如图1 所示。

图1 无侧限抗压强度和CBR 值随掺量、养护时间的变化趋势

2.1.4 复合型固化剂

复合型类固化剂是指两种或两种以上的化学物质，按照一定比例配合而成，通过将其添加到土壤当中，使之改变土体的物理力学性质。其组成成分一般以传统固化材料为主，辅之以其他各种催化性材料。20 世纪90 年代，随着国外土壤固化剂先进技术被引入中国后，国内学者结合中国土质类特点加以实验研究，对于淤泥质土壤固化剂进行不断探索。董博闻[12]运用极差和方差分析法对生石灰、纳米SiO2硅、矿渣进行了实验总结，得出复合土壤固化剂最优配比为32:3:65，固化土强度随龄期的增长而增长，对淤泥质土壤具有较好的固化效果。史燕南[13]对生石灰、苟性钠、石膏、二氧化硅、三乙醇胺和水玻璃进行了单渗实验和正交实验，发现：掺2%水玻璃、3%生石灰和0.5%苛性钠效果最佳，但缺点是成本稍高。鲁惠中[14]采用Box-Behnken试验对GGBS、CaO 和硫酸钠进行了固化强度分析，试验表明：三者的最优配合比为11.97%、4.21%和4.65%，在7d龄期后的预期强度可达1228.48kPa。

固化处理研究要考虑的是一个复杂的多项体系，使用单一的固化材料往往不能起到最优的效果，而复合型固化剂在这方面起到了很大程度上的作用。

2.2 淤泥质土壤固化机理

土壤固化剂一般组成为无机材料、有机材料，将所有固化材料与淤泥质土壤进行混合调拌，已经经过初步降低含水率的淤泥质土，在多种固化材料的催化下与之产生多种物理和化学反应，使淤泥质土壤内部结构进行重组变化。主固化材料（水泥）率先实现土壤的胶凝固结，使固化土壤初步成为一个整体，但由于淤泥质土壤内部结构不同于一般砂、粘土，其内部的空隙仍较大，依靠水泥自身的水解水化反应并不能经济、有效地实现土壤的固化，进而进行外加固化剂的配套使用，由于外加固化剂多为有机类、金属类的复合型材料，能较好地与原土质进行更活跃的化学聚合反应、离子交换，生成大量的絮状有机分子链和聚结颗粒，在最大程度上填充水泥固化后的土粒孔隙，在一定程度上也起到了骨架支撑作用，从而提高土壤密实度。

3 不足与展望

①我国对于土壤固化剂的研发和应用起步偏晚，美国等发达国家较早意识到对于土壤固化剂研究的重要性。土壤固化剂作为地基固化处理的新型类材料，在现如今许多土壤固化工程建设项目当中都是不可或缺的，但其研究开发历史较晚，早期的土壤固化技术大多是从美国等发达国家引进，而技术又因地制宜，直接用于我们本土的土壤固化是不切现实的，因此，在技术运用领域尚存在许多的问题与瓶颈。早期国内对于土壤固化剂的实验研究重视程度不够，土壤固化剂没有得到创新性的进步和突破，虽然国内自主研发的土壤固化剂均取得了可圈的科研成果，但在深入研究与应用推广领域仍存在诸多需要处理的难题[15]。后续继续对土壤固化剂做更深入的研究，在国家研究政策的大力支持下，创新研制更新型、更绿色环保类固化材料。

②无机化合物类固化剂的材料种类多为固定。作为最传统的固化材料，无机化合物类固化剂种类形式过于单一，未来可以针对工业排放的废料、废渣进行元素成分研究，提取出能用于固化的新型无机类材料，这既能丰富无机类固化剂的种类，又能在最大程度上利用工业废料，使原本废弃的资源得以资源化的利用，实现经济与环保双效益。

③有机化合物类、生物酶类固化剂在作用于淤泥质土壤固化上，强度和水稳定性方面还有一定的不足。由于淤泥质土壤本身含水率较高，有机类和生物酶类固化剂在固化性能上较无机胶凝材料而言还存在较明显的差距，固化效率慢满，固结强度低，使用寿命短。未来的有机化合物类、生物酶类固化剂应加强其固化性能的实验研究。

④淤泥质土壤含量复杂，市面上的固化剂特定性使用的局限性较大。不同类型的土壤固化需运用不同的土壤固化剂材料，而针对于淤泥质土壤而言，由于土壤其本身的有机物含量丰富，高含水率，大孔隙比，单一、通用的固化剂材料是不适用的，而一种类型的土壤固化剂配比也很少能直接运用到另一种类型的土壤上。就此而言，未来可以对淤泥质土壤固化剂的通用性、兼容性进行完善，研发出更多适合我国国内环境的土壤固化剂，更多地推广应用到相关的工程项目领域。

⑤此外，目前广泛投入使用的固化剂材料还是多以碱性物质为主骨料，直接用于土壤固化会大幅提升土壤的碱性值，对后续土壤上植物的生长产生严重的影响。为此，如何协调碱性大掺量固化剂与植物生长所需pH 值的矛盾将成为未来研究的重点内容。

4 结语

综上所述，目前市面上已投入使用的淤泥质土壤固化剂有很多种类，固化剂已被广泛运用到淤泥质土壤固化处理中。淤泥质土壤固化剂的研究、使用及推广，使原本废弃的淤泥得到了资源化的利用[16]，降低了工程成本，在推动经济建设的同时，推动了绿色生态建设，最大权衡社会经济效益与绿色循环效益，是一次具有环保意义的工程建设领域革命。