陈 建，胡 浪

(贵州省公路工程集团有限公司，贵州 550000)

近年来砂石资源的紧缺，对路基工程使用级配碎石、水泥稳定碎石作为道路基层、底基层的原材料是一个严峻的挑战。将松散的土壤采用一定的手段将其固化，或夯实或使用固化剂使其具有一定的整体性，在力学性能上表现出一定的强度，则可以将废弃的土壤有效再利用，既能缓解砂石资源短缺，又能节约成本降低工程造价。固化土作为新型的土木工程材料，越来越被研究者看重。但我国土壤种类繁多，不同土壤，采取的固化手段也不一样。土壤本身的性质研究，对采用何种固化剂，使其固化速度快、强度高、工程适用性强，至关重要，同时在工程应用过程中，控制施工压实工艺，确保固化土不仅在实验室中有良好力学性能，在工程实际中也表现出优良的可用性能。

1 土壤性质

1.1 有机质

土壤中有机质的成分主要为腐殖物质，一种特殊类型的高分子化合物，占土壤有机质总量的50%～90%左右，大部分以金属盐的形态存在[1]。腐殖质包括腐殖酸和胡敏素，而胡敏素是腐殖酸中的胡敏酸与黏土矿物结合后形成的惰性物质，因此有机质中对固化土起作用的主要是腐殖酸。腐殖酸对Ca2+具有很强的化学亲和力和选择性，并会与Ca(OH)2发生化学反应，产生不溶性的钙基腐殖酸，这种不溶物质会吸附在水泥和黏土颗粒表面，从而会干扰水泥的水化和火山灰反应，有机质含量的增多会导致较低的pH致使固化体系受到阻碍以及黏土矿物的充分溶解[2]，同时，有机质会分解部分水化产物，导致水化产物的减少，降低固化土的强度。因此研究者发现，随着有机质含量的增加，对土壤的工程性质带来了一定的影响。范昭平等[3]发现，有机质含量每增加1%，就会使淤泥固化强度有25%～30%的降低，但有机质含量对强度的影响有一个极限值，当超过极限值时，对固化强度的影响不再明显。郭宏峰等[4,5]的研究表明，水泥稳定软土的强度随着有机质含量的增大而减小，有机质含量的增大，土体中的酸性也随之增强，提前与水泥水化产生的Ca(OH)2发生反应，抑制了水化产物的生成。有文献表明，随着有机质含量的增加，固化土的最佳含水率增加，而最大干密度变化不大，孔隙率和土的压缩指数都会随之增大，液限塑限都有一定程度的增加。为了缓解有机质含量对土壤pH降低的影响，研究者通过掺加具有一定碱性的材料，比如玻璃纤维，不仅可以与土壤中的腐殖酸发生化学反应，而且使玻璃纤维与土壤有机的结合在一起，对固化土的抗压、抗剪强度起到了良好的效果。

1.2 含盐量

易溶盐含量大于0.3%，并且有一定的溶陷性、盐胀性和腐蚀性的土就是盐渍土。常见的盐渍土类型有氯盐泽土、硫酸盐渍土和碳酸盐渍土。含盐量的增加使固化土的不均匀系数增大，并且随着龄期的增大而增大；同时含盐量使溶液的电解质变多，土颗粒表面的双电层受到抑制，厚度减薄，土粒间的斥力减弱相互吸引的能力相应增大，使土的液限塑限下降，塑性指数降低。含盐量对击实效果几乎没有影响，这就意味着含盐量对于土样的最大干密度影响很小，现场施工时可以忽略含盐量对石灰固化碾压效果的影响。对于力学性能，氯盐渍土随着含盐量的增大，其无侧限抗压强度和抗剪强度均会降低；硫酸盐渍土则表现出较为复杂的现象，其峰值强度对应着一个含盐量，在含盐量小于2.8%时，固化土随石灰掺入呈先增大后减小趋势，大于2.8%时，随石灰掺入强度呈非线性增大。塑液限在不同含盐量区间内也变现出不同的变化形式[7]。宫经伟等[8]用全固废材料固化盐渍土，含盐量和抗压强度的关系表现出相同的结果，并且指出强度下降的主要原因是膨胀性Aft将试件内部孔隙完全填充并产生膨胀破坏。

1.3 酸碱性

无机类固化土主要是以水泥作为主固化剂，水泥通过其水化产物的胶结作用以及Ca(OH)2与黏土颗粒中矿物成分发生的硬凝反应使原状土获得一定的抗压强度[9-11]。在碱性环境中，这些反应可以顺利进行，在pH较低的酸性环境，部分水泥并没有起到胶结固化的作用，反而去中和酸性环境，水化产物含量降低，胶结不充分，固化土的强度较低。一般来说，土壤中pH的高低关键在于固化土孔隙溶液中Ca(OH)2是否达到饱和。在pH较低的固化土中，H+离子含量较多，在固化土形成过程中，会消耗体系中的OH-离子，而过多OH-离子的消耗对于Ca(OH)2的生成处于不饱和状态，同时，如果pH过低，水泥水化生成的OH-不能满足对H+的中和，那么势必会进一步消耗CSH凝胶生成所必须的OH-，固化土的抗压强度必然不会高。pH较高时，水泥水化产生的OH-就足以中和H+，固化土孔隙溶液中Ca(OH)2处于饱和状态，那么水化产物CSH凝胶就可以较为充分的生成，固化土的抗压强度也会来到最大值。但由于土的种类繁多，不同的土差异较大，酸碱性环境对于固化土的影响并不绝对。黄凤凤等[12]在利用强碱性赤泥和水泥共同固化黄土时，发现酸性环境和碱性环境都会提高赤泥固化土的无侧限抗压强度，反而在pH接近7.0时最小。黄新等[10]发现土壤pH对于其固化土的抗压强度有着显著的差异，pH值较高时，固化土的抗压强度也随之增大。蒲凡等[2,11]在使用NaOH作为辅助固化剂固化淤泥时，在不同NaOH浓度下，固化土的强度有明显不同，在掺加量大于1.6%时，强度提高20%以上。通过对不同土壤调整利于固化的环境，在固化过程中掺加一些辅助剂比如NaOH、水玻璃、CaSO4等，使固化土孔隙溶液Ca(OH)2始终处于一个饱和的状态，可以有效提高无机类固化土的抗压强度。

土样的性质如何影响固化土抗压、抗剪等力学性能的增长非常重要，同时明确土样性质对指导高效针对性的固化剂具有重要意义。

2 固化剂组分及其掺量

无机类固化剂通常为粉末状，主要是由具有一定胶凝能力的主固化剂包括石灰、水泥、粉煤灰和各种固体废弃物，以及一些外加激发剂包括无机盐、碱和表面活性剂组成。无机类固化剂发展比较早，工程应用也较为广泛，大量研究者对无机类固化剂的种类、掺量以及其固化机理做了充分的研究。在土壤中加入无机类固化剂后，固化剂与土壤中的水分发生水化反应生成Ca(OH)2和CSH凝胶，同时土壤内部潜在活性的SiO2和Al2O3在碱性环境中与Ca(OH)2进一步生成CSH和CAH凝胶，此外在某些盐类的激发作用下生成钙矾石[13]。这些产物不仅填充土壤颗粒之间的孔隙，增加密实度，而且加强了土壤颗粒之间的联结能力，使其成为一个紧密的整体，最终起到对土壤的固化作用。

石灰稳定技术，因其高效经济的特点，是水泥稳定土发明之前最为常用的一种稳定方法。在土壤中加入石灰后，石灰会发生阳离子交换、絮凝反应以及火山灰反应，其中火山灰反应非常缓慢，石灰稳定土的工程性质主要是由絮凝作用引起的。石灰的加入改变了土壤的性质，增大了最佳含水率和抗压强度，同时液限、塑性指数和最大干密度有一定程度的下降。Bell[14]认为，稳定土壤所需的最佳石灰掺量在1%～3%之间，而其他研究者也有建议石灰的掺量在土的2%～8%之间。掺入低剂量的石灰比掺入高剂量的石灰更容易使固化土获得较高的早期强度，并且强度并不会随着石灰含量的增加而成线性增加，过量的石灰反而会使固化土的强度有所降低，石灰稳定土强度的影响因素更多的在于养护龄期而非石灰掺量。因此，也有研究建议，最佳石灰含量一般为4.5%～8%之间[15]。

水泥稳定土类似于石灰稳定土，固化土过程中产生相似的效果。水泥的加入降低了膨胀率、塑性指数和液限以及最佳含水率，但混合料由于水泥水化产物的胶结作用逐渐形成较致密的整体，使最大干密度有一定程度增大。水泥作为固化剂的优势在于，几乎任何土壤都可以制成水泥稳定土，其结果相当于低标号的混凝土，价格便宜很多。为了获得较高强度的水泥稳定土，水泥的掺量一般在土的8%～12%之间[15]。黄新等[16]根据固化土的实际固化过程，提出了固化土结构形成模型，用水泥固化土试验和理论计算出的胶结土颗粒与填充孔隙所对应的固化剂用量吻合，模型固化剂用量提供一定的参考。在路基工程中，水泥稳定碎石用作基层底基层，水泥用量一般不超过6%[17]，而当水泥固化高含水率的淤泥质土时，为获得高强度固化淤泥，需要增加水泥的用量，此时造价较高。为了改善淤泥固化成本高的问题，粉煤灰、磷石膏、矿渣等工业废渣常作为固化淤泥的辅助固化剂。也有研究表明，固化剂的掺量越大，固化土的强度越高且水稳性越好。

单纯的石灰、水泥有时并不能发挥良好的固化效果，因此往往会掺加一些酸、碱、盐类激发剂，如氯盐、硫酸盐、氢氧化钠等，与各单一固化剂发挥协同作用，提高土体强度。Li等[18]用钢渣、水泥和偏高岭土复合稳定土，发现此复合固化剂可以有效提高土的强度，并且表现出与水泥土相似的性质。有学者指出[19]，在无机固化剂与氯盐复和使用时，氯离子会与水泥的一部分或者水泥水化产物之间发生化学反应，生成Friedel盐(一种晶体盐)，这种晶体盐可以联合水化产物产生固化作用。若体系中有硫酸根存在时，还会生成膨胀性钙矾石，填充孔隙，加固固化土的结构。

3 压实度

从古代开始，即使筑路工人还没有意识到土壤力学时，人们就知道土壤压实可以筑出质量更好的道路，到了今天，土壤压实仍然是土木工程中最常见的建筑活动之一。虽然土壤压实看起来是一个非常简单实用的过程，但是由于大气与水分的相互作用，压实土壤在外部荷载和环境荷载下的行为非常复杂。在20世纪20年代，加州公路部门发现造成道路故障的主要原因之一就是道路压实度不均匀，导致路基土壤容量不足。为了解决这个关键问题，在20世纪30年代初发生了两项重大发展，即用于压实规范的普罗克托压实曲线和加州承载比(CBR)，至今仍为公路土工试验的重要指标，通过将有一定含水量的土壤层层击实成圆柱形试块，以建立起土壤在一定能量下的干密度和含水率之间的关系[20]。因此，影响压实度的重要因素之一就是土壤的含水率。在击实过程中，含水率较低时，土粒表面的结合水膜较薄，土颗粒间的引力成为优势，在击实功作用下，颗粒之间错动排列，干密度就比较低，随着含水率增大，水膜变厚，引力随之减小，水膜有起到一定的润滑作用，击实功可以使土粒轻松移动，土颗粒定向排列，压实效果最优，此时干密度也最大。土中含水率过大时，孔隙中出现了自由水，击实功被一部分自由水抵消，颗粒间的有效应力减小，压实效果反而降低。因此只有在最佳含水率的情况下压实效果最好，此时对应的最大干密度最大，最大干密度则是现场压实功的标准。其次，土壤的颗粒级配也是影响因素。级配良好的土易于压实，此时有足够的细颗粒去填充粗颗粒之间的孔隙，可以获得更高的干密度，而级配不良的土则刚好相反，缺少细颗粒填充孔隙，干密度也较小，可能会致使在工程中压实度达不到要求。那么土体的压实度必然会影响到固化土的力学性能。研究表明[21-23]随着压实度的提高，固化土的无侧限抗压强度、抗冲刷性能、弹性模量都有所提升，固化土的整体性能更为优良，在工程实践中有更好的路用性能。也有研究者想通过压实时间来表征固化土的强度规律，但发现压实时间与固化土的强度关系较为复杂，并不能以明显的规律性说明两者之间的关联性。因此，压实度作为公路质量检测的重要指标，在压实过程中实时检测压实状况、控制压实质量，从而保证路基路面在最恰当碾压次数下得到成分压实，避免压实不足或过分压实的现象。

4 结 语

我国在土壤固化方面发展较晚，应用起步晚于美国、日本等发达国家，在固化剂方面自主研发的种类也较少，总的来说和发达国家还有一定差距。近些年不少科研工作者投身土壤固化的研究中，并对其在不同领域的应用进行工程实践。但是，我国地大物博，土壤种类繁多，不同的土壤性质差别较大，目前还没有一种固化剂可以完全通用各类土壤，因此各个地区应结合本地实际情况，通过对待固化土壤性质的详细研究分析之后，采用针对性固化剂，必要时掺加适宜辅助剂，以获得固化效果优良的固化土。在工程实际应用时，在实验室研究基础上，严格把控现场施工工艺，根据最佳含水率和最大干密度与压实度的理论基础，在可控范围内使固化土达到最大压实度，使其在用作道路基层底基层时效果较好，避免出现沉降渗水等问题。尽管固化土仍然存在一系列的问题有待解决，但是作为一种新型环保绿色的土木工程材料，固化土在工程领域中会发挥越来越重要的作用。