软土固化材料研究现状与原理浅析

沈心媛，万云杰

（浙大宁波理工学院土木建筑工程学院，浙江 宁波315100）

0 引言

软土一般是指在静水或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物，包括淤泥、淤泥质土、泥炭质土、泥炭等。 杭州地区存在大面积含水率高且富含有机质的软土地基， 其具有压缩性高、 强度低、渗透性小等特性，给工程建设带来很大成本支出，成为制约工程发展的一个重要因素。

根据已有调查资料， 以杭州为代表的江浙沿海地区软土的天然含水量为26.31%～130.20%，有机质含量为0.45%～31.1%， 土体性质的区域差异非常大，若对不同软土采用相同的固化处理方案，处理效果完全可能呈现出较大差别。 因此，广泛开展软土固化技术的科研工作， 深入分析不同软土在固化机理上的区别， 进而提出有效且经济的固化处理方案显得尤为必要。

1 软土固化材料

软化固化材料种类庞杂。 其本质是通过物理化学反应增加土颗粒之间的胶结能力或改善颗粒之间的接触面以减小孔隙率。 软土固化材料主要分为：有机化合物、无机化合物、酶三类，再进行细分后可详见图1。 针对软土地基的固化也可采用多种试剂：水泥、硅酸类无机材料，丙烯酸、丙烯酸-环氧树脂、粒化高炉矿渣微粉、硅溶胶-PVA 等种类繁多的复合物。

图1 软土固化材料种类

1.1 无机化合物类固化材料

无机化合物类固化材料把土体充足的钙源作为基础，在土体中发生水解与水化反应，并随着时间推移，生成稳定的胶凝物质，将土颗粒连接在一起，使得固化土的强度增强，达到实际工程需要。对机理认识的深入大大扩展了无机胶凝材料的范围，从单一的氧-硅-铝-碱土金属系统扩展到了氧-硅-铝-碱金属和氧-硅-铝-碱金属-碱土金属系统，将胶凝材料的范围扩展到第一主族，从而产物也越来越复杂。这三类胶凝体系的反应机理和产物各不相同，分别为：第一类是传统的胶凝体系，如石灰、粉煤灰、水泥系等，产物主要为硅酸钙、铝硅酸盐、碳酸盐等；第二类为地聚合物，产物主要为碱沸石类化合物；第三类体系的最终产物主要为碱-碱土沸石及硅酸钙、铝硅酸盐、碳酸盐等。 此外，一些学者开发出了碱-碳酸钙（镁）胶凝材料。

（1）水泥类

水泥的固化作用可归纳为离子交换及团粒化作用、硬凝反应、碳酸化作用。 作用机理是水泥在固化过程中发生水化和水解反应， 如产物3CaO·SiO2水化生成Ca（OH）2和水化硅酸钙，其均能有效胶结土颗粒，增加其固化效果与强度；产物Ca-SO4与3CaO·Al2O3反应生成水泥杆菌， 固定软土中的自由水。 其化学反应方程式为：

掺水泥固化软土是传统做法， 国内外早有较多研究，鉴于其性能成熟稳定，依然有较多研究者在使用。Lin[1]等在普通波特兰水泥中掺钙基膨润土固化／稳定化污水污泥，试验结果表明：①钙基膨润土含量增加有助于降低渗透性。 ②低渗透性有助于保持有机物、锌、铜等较低的浸出水平。 ③在酸性条件下渗透性增加， 而微生物的活动对他们有轻微的影响。 Mohammed[2]等在水泥中掺无水石膏固化淤泥，表明：掺占水泥重量10%～15%的无水石膏能较好地提高固化土早期强度。 Rosario[3]等用热活化纸污泥和粉煤灰掺入硅酸盐水泥制得三元水泥，获得这类型水泥中废物的合理替代比例，从而减少浪费垃圾填埋。 夏威夷[4]等用水泥、砂石、坡缕石等材料固化挥发性有机物污染泥浆， 有效降低泥浆中有机污染物溶出量， 且掺入坡缕石对有机物稳定能力有提高作用。 水泥的种类很多，研究较成熟，材料来源广泛，国内外已经制订了相应的规范， 但水泥的烧制过程给环境带来了较大的污染，对水泥改性、部分或全部取代水泥成了人们研究的一个方向。

（2）石灰类

石灰作为固化材料，常见的种类有生石灰、白云石生石灰、水化富钙石灰等。石灰类固化材料加入软土中后，发生一系列反应，主要有离子交换作用、结晶作用、 碳化反应和火山灰反应等。 石灰加入土中后，Ca （OH）2水解成Ca2+和OH-离子，Ca2+与Na+、K+发生离子交换，使得土颗粒表面吸附水膜厚度减小。同时多余的Ca （OH）2与水和空气中的CO2反应分别生成结晶水合物和CaCO3， 进一步增强了固化能力，该方法也广泛应用于工程实践中。

张铁军等通过比较生石灰固化松散土的含水率，得出含水率降低率随着掺灰比的增加而线性增加的变化规律。 陈庆等采用石灰固化海砂海泥混合料，得出随着石灰掺量的增加，混合料的无侧限抗压强度得到明显提升，但直剪强度增加不明显。 杨莉研究发现，石灰固化材料具有一定的处理炼油废渣污染土能力。综上所述，石灰能有效固化软土，但是在固化过程中会改变土体原有性质，因此无法应用于土遗址原位保护等对土质要求高的工程中。

（3）无机盐类

无机盐类软土固化剂多为液态，常见的包括：硅酸钾、硅酸锂、硅酸铝、氢氧化钙等。 其作用机理与水泥、石灰等相近，无机盐固化剂主要在土壤中发生水化与水解反应，并以凝胶的形式填充进软土孔隙。 化学反应式以水玻璃为例可表示为：

无机盐类材料的内部元素含量可控，能有效保持土体原有性状，具有较高的工程应用前景。

1.2 有机化合物类固化材料

有机化合物型土壤固化材料在聚合通过催化剂和在常温、常压下形成网络结构的引发剂的土壤的聚合物单体， 在土壤中的填充孔和包封土壤颗粒，通过在土粒和聚合物之间形成有效联结而提高土体强度。

（1）离子类

离子土壤固化材料是一种可以改良和提高土壤强度工程技术特性的复合型高分子材料，常用于含水量较高的粘性土和淤泥质土。 其在常温下，能够直接胶凝在土体的土壤颗粒表面,或可以和土壤颗粒发生化学反应生成胶凝物质的阴离子型表面活性剂，它与含有一定水分的土壤混合后，打开了水分子与土颗粒之间的“电化键”，改变了土壤颗粒表面的电性，削弱了土壤颗粒的水膜厚度，使土壤颗粒之间由亲水性变为憎水性，提高土壤颗粒间相互吸引的能力。

离子固化材料也有一定的适用条件，沈飞等人研究发现， 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，且随着固化剂的添加，有机质含量越高，pH 值越低。

罗小花[5]对添加不同掺量离子固化剂的土体进行10 000 倍电镜扫描（图2），可以观察到原样土表面有一定的胶结物胶结特征，其局部有粘土矿物颗粒；在加入不同掺量离子固化剂后，进一步增加了胶结物的胶结特征和颗粒间的紧密度。

图2 放大倍数为10000 倍土体的SEM 图

吴丹丹[6]采用离子固化剂固化武汉汉口基坑内土样后，观察到加入固化剂后，土样压缩系数可降低约23%。 压缩系数和压缩指数均减小，压缩模量增大，土的孔隙变小，土体变得更密实，这些结论进一步拓宽了土遗址的工程实践能力（图3）。

图3 淤泥固化前后的压缩曲线

（2）地聚合物类

土壤聚合物是一类新型的碱激活胶凝材料。 其主要原料为人工硅铝化合物、矿物等，并在碱激发剂的作用下，通过解聚、缩聚等反应，制备得到三维网络状聚合凝胶体[7]，其具有良好的早强性能，能够把土颗粒粘聚在一起，达到良好的固化效果（图4）。

图4 未完全反应的硅铝酸盐地聚合物的空间结构模型示意

地聚合物类固化材料研究较晚。 1978 年，Joseph Davidovits 在对古建筑的研究过程中， 发现古建筑物中存在与沸石类物质结构相似的网络状硅氧铝化合物，在人工合成沸石分子筛和聚合反应的基础上成功合成第一例土壤地聚合物类固化材料。

相比于其他固化材料， 经地聚合物类固化后的土体具有更好的固化重金属和耐硫酸盐侵蚀功能。Zhang J 等研究了用Na2SO4溶液碱性活化的飞灰制得地质聚合物粘合剂铬（Cr3+）、镉（Cd2+）和铅（Pb2+）的固化效果。 Bankowskia 等研究了地聚合物对数十种重金属离子的固化，结果表明，地聚合物能有效降低重金属离子的浸出率。 金漫彤等用偏高岭土、碱激活剂等合成土聚物，使Zn2+、Pb2+、Cu2+和Cd2+等重金属离子的捕集效率达到96.86%～99.86%。

1.3 酶类固化剂

酶类固化剂是由有机物质发酵而成的液态固化材料，其成分多为蛋白质。 酶类固化剂的作用机理是加快原状土样的固结沉积，促进颗粒之间的挤压， 排出土颗粒间的毛细水达到降低孔隙率的效果。 同时酶类固化剂对环境无污染且成本低廉，契合当今绿色建材的大环境。

国内外学者对酶类固化技术已进行了深入研究，Thecan Scholen 等针对不同的土质环境研究了生物酶固化土的工程特性，认为生物酶固化土作为基层具有一定可行性。李威采用泰然酶固化剂对原状土样进行固化，研究发现，经过固化的土体无侧限抗压强度和CBR 均有明显提高（图5），能够有效投入筑路工程。

1.4 复合固化剂

复合类土固化剂是由两种或两种以上的不同固化材料按一定配比复合的固态或液态的固化剂，根据成分作用的主次顺序分为主剂与助剂。 主剂和助剂的协同作用能更好地发挥两者优势： 以沥青和石灰复合固化黏性土为例，在适当含水量下，将掺入适量石灰的土体自然堆放一昼夜， 土体颗粒的矿物结晶网表面的钙离子显著增加，当再加入沥青后，沥青与土体间的化学吸附作用明显增强。实践表明，经沥青石灰复合处理的土体强度与稳定性均优于纯沥青土，而初性与耐磨性则优于纯石灰土。

图5 泰然酶固化剂固化土壤的试验研究结果

谭锋等选用普通硅酸盐水泥、粉煤灰、水玻璃以及木质素磺酸钠组成的水泥基复合固化剂,以青弋江芜湖段典型淤泥质土样作为试验土样,进行了室内固化试验研究，结果表明，复合固化剂效果明显，能有效提高无侧限抗压强度。

浩婷等提出选用复合及纳米固化剂,改性EPS颗粒,制备疏浚淤泥混合轻质土新方法，得出复合固化剂配比对轻质土压缩强度的影响，复合固化剂A∶B 配比为8∶1 和7∶1 时, 所得轻质土强度特性最好。

2 结语

我国总体上对软土固化材料的研究较晚，土体固化材料的种类较少。 现阶段，应用于居民住房的土体固化材料仍集中在水泥、 石灰等传统材料，使用过程中会较大程度改变土体的性质且对周边生物造成影响。 后续应加快软土固化材料的研发进程，或推广使用类似生物酶等对环境影响小的土体固化材料。再者，土壤固化材料种类繁多，针对不同的土壤情况应当有所区分，例如针对土遗址中软弱土层，应优先考虑离子固化材料或与土遗址成分接近的无机胶凝材料；潮湿软弱土层固化则应使用渗透性较好的固化材料。应结合多学科知识探索材料的可行性。