外加剂对固化土性能的影响研究

林顺官

（福建省建筑科学研究院有限责任公司；福建省绿色建筑技术重点实验室）

0 引言

工程的建设过程往往需要土体开挖、土体回填。土体开挖会产生大量渣土，渣土产生量往往会远超土体回填量，渣土最终成为弃土，弃土产生量伴随工程建设体量的增加而急速增长，对生态环境的压力也越来越大，因此，对弃土进行必要改性，将弃土制备成性能合格的建设材料，从而减少弃土的产生量，是意义重大的。

为促进弃土资源化，增加弃土的消纳量，国内外专家和学者开发了多种用于弃土改性用的土壤固化剂[1]，改善弃土的性能，使弃土通过免烧固化方式直接应用于道路修筑[2]、砖材制备[3]等领域。根据《土壤固化外加剂》CJ/T 486－2015 的定义，土壤固化剂是指加入土壤中，通过与无机结合料、土壤和水的物理和（或）化学反应，改善土壤工程性能的外加剂。从作用机理分析，土壤固化外加剂对土壤固化的主要贡献包括土壤颗粒表面改性及无机结合料（包括水泥）水化调节两方面。土颗粒表面改性，主要是通过表面活性剂的吸附，改善土壤颗粒表面带电性或水膜厚度，影响土颗粒和无机结合料颗粒在碾压成型时具有更高的密实度，多为阴离子型表面活性剂，此外部分阴离子型表活活性剂的增水端或外掺的具有憎水效果的外加剂，会使固化后的土体表面具有一定的憎水性，使土体的耐水性能得以提高，但从机理分析，此特性必然影响土体颗粒与无机结合料间的粘结性能，从而降低固化土强度；无机结合料水化调节作用类似于水泥混凝土中所使用的外加剂，如缓凝剂、早强剂等等，通过延长无机结合料的凝结时间，改善固化土可施工时间过短的不利影响，通过调节无机结合料的早硬早强，减少固化土砖等预制件的养护出厂时间。

本文所指的土壤固化剂为《土壤固化外加剂》CJ/T 486－2015 所定义的外加剂（不包括替代水泥使用的胶凝材料类土壤固化剂），选取了市场上常用的4 个品牌土壤固化剂，以及某品牌的水泥混凝土通用减水剂和两种阳离子表面活性剂作为辅助材料参与土壤固化实验，研究其对固化土密度和强度的影响。

1 实验方法

1.1 原材料

⑴外加剂。

表1 固化辅助材料

⑵土。选择常见的山土作为试验用土，山土为红色，液限57.8%，塑限32.7%，塑性指数为25.1，细粒组含量为83.2%。

⑶水泥。选择市售炼石牌P·O425 水泥作为无机结合料，参与土壤固化。

1.2 成型与测试方法

⑴试块成型

土壤与土壤固化剂及水泥按比例混合后，以压力机压制成型，试块直径为50mm；为量化不同的压实条件，试块按不同的压力压制成型。

⑵固化土密度

成型后马上使用游标卡尺测试固化土高度，及称量试块质量，根据密度公式计算试块湿密度，试块干密度通过湿密度及含水率求得。

⑶固化土最佳含水率

参考《JTG E40－2007 公路土工试验规程》土最佳含水率测试方法，以2%为阶梯改变土体含水率，再通过土体湿密度和含水率求取土体干密度，确定干密度最大值所对应的含水率为最佳含水率。

⑷无侧限抗压强度

参考《土壤固化外加剂》CJ/T486 无侧限抗压强度测试方法。

2 实验结果与讨论

2.1 土壤固化剂掺量对固化土性能的影响

固化土施工时要求根据其混合料的最佳干密度控制其含水率，但在实际施工中，由于基土天然含水率过高，固化土混合料只以天然含水率作为控制参数，因此，下列实验控制基土含水率为22%（土松散，手捏可成团），固定水泥掺量为湿土质量的2.2%，土壤固化剂等固化辅助材料按干土的质量万分比掺加，并根据厂家建议掺量增减。

2.1.1 湿密度

根据厂家所提供的土壤固化剂建议掺量范围确定不同的土壤固化剂掺量，经不同的压实条件压实，固化土的湿密度见图1～图7。2.5MPa 的压实条件下，固化土的整体性很差，表面会有较明显的颗粒掉落，因此湿密度离散型很大，与其他压实条件下的值相差较大，趋势一致性也较差，压实条件超过5MPa，不同压实条件的湿密度曲线趋势基本一致。

图1 土壤固化剂1# 对固化土湿密度的影响

图2 土壤固化剂2# 对固化土湿密度的影响

图3 土壤固化剂3# 对固化土湿密度的影响

图4 土壤固化剂4# 对固化土湿密度的影响

图5 通用减水剂对固化土湿密度的影响

图6 十二烷基三甲基氯化铵对固化土湿密度的影响

图7 十二烷基三甲基溴化铵对固化土湿密度的影响

1#、2#与3#皆为液体土壤固化剂，在一定掺量范围内，能提高固化土的湿密度，其中1#最佳土壤固化剂掺量约为2‰，2#土壤固化剂最佳掺量约为3‰，3#土壤固化剂的最佳掺量约为3‰，通用减水剂也有相似的性能，在测试范围内，伴随通用减水剂掺量的增加，固化土的湿密度也出现一定的提高，推测1#、2#、3#土壤固化剂含有与通用减水剂性质相似的表面活性剂，通过吸附作用置换土壤颗粒表面的吸附水，降低土壤颗粒间的摩擦力，从而提高固化土湿密度。由于土壤颗粒的表面积一定，因此土壤颗粒所能吸附的表面活性剂也必然存在最大值，超过最大值后，多余的表面活性剂不仅无法发挥提高固化土湿密度的作用，还会引入气相并作为缺陷存在于固化土中。

4#土壤固化剂为粉体，不完全溶于水，根据其使用方法推测其为无机结合料调节剂。从图4 可看出，4#土壤固化剂对固化土湿密度没有影响。十二烷基三甲基氯化铵和十二烷基三甲基溴化铵皆为阳离子型表面活性剂，在试验范围内，两种阳离子表面活性剂皆对固化土湿密度不产生影响。

2.1.2 无侧限抗压强度

土壤固化剂1#对固化土无侧限抗压强度的影响见图8，除2.5MPa 压力条件下的强度曲线外，所有曲线的起伏相对较小，只在掺量为2‰和5‰时固化土强度略有提高，但幅度较小，对照图1，2‰对应的是固化土湿密度最大值，即密实度最高，但5‰对应的湿密度较低，说明1#土壤固化剂可能是复合型外加剂，其一是可提高密实度的表面活性剂，但抑制水泥水化作用，因此会出现强度波峰；其二是可提高水泥水化或水泥与土界面粘结强度的物质，伴随掺量提高，强化作用因此加强，因此在5‰时出现极值。

土壤固化剂2#对固化土无侧限抗压强度的影响见图9，土壤固化剂的掺入，并不能提高固化土无侧限抗压强度，对照图2，土壤固化剂在提高固化土密实度的情况下，仍不能提高固化土强度，说明土壤固化剂对固化土的强度发展存在一定的抑制作用。

图8 土壤固化剂1# 对固化土无侧限抗压强度的影响

图9 土壤固化剂2# 对固化土无侧限抗压强度的影响

土壤固化剂3#对固化土无侧限抗压强度的影响见图10，在掺量为1‰时，固化土7d 无侧限抗压强度处于最大值，伴随固化剂掺量增加，固化土无侧限抗压强度缓慢下降，最终低于对比样无侧限抗压强度，对照图3，固化土强度的最大值并非出现在湿密度极值点上，说明土壤固化剂3#在提高密实度的基础上，对水泥水化或水泥与土界面粘结产生较强的抑制作用，推测3#固化剂是表面活性剂外加剂。

图10 土壤固化剂3# 对固化土无侧限抗压强度的影响

土壤固化剂4#对固化土无侧限抗压强度的影响见图11，其对固化土的无侧限抗压强度有促进作用，其中掺量为4‰时，固化土强度最大，换算成土壤固化剂占水泥的质量比约为1.8%，与厂家建议掺量1%～1.5%极为相近，对照图4，4#土壤固化剂并非通过提高密实度来提高固化土强度，很可能只是通过促进水泥水化反应提高固化土强度，此固化剂对固化土无侧限抗压强度强度的提高幅度相对最大，从固化土壤的角度看，促进无机结合料的水化进程是提高固化土强度较为有效的手段。

图11 土壤固化剂4# 对固化土无侧限抗压强度的影响

通用减水剂对固化土无侧限抗压强度的影响见图12，固化土无侧限抗压强度伴随通用减水剂掺量增加而先减后增，在最大掺量时固化土的无侧限抗压强度也出现最大值，对照图5，固化土无侧限抗压强度最大值和湿密度最大值重合，趋势一致，使用减水剂提高固化土湿密度和无侧限抗压强度应该是可行的，但其掺量可能需要提高。

图12 通用减水剂对固化土无侧限抗压强度的影响

两种阳离子表面活性剂对固化土无侧限抗压强度的影响见图13 和图14，对照图6 和图7，阳离子表面活性剂无法提高固化土湿密度，也无法提高固化土无侧限抗压强度。通过大体积的有机阳离子置换土壤颗粒表面的金属阳离子，改变土壤颗粒表面水膜结构，从而影响固化土的性能，目前看效果几乎没有，可能是有机阳离子的置换率太小，也可能是有机阳离子在碱体系中不稳定，此方面需要更深入系统的研究才能得到更准确有效的结论。

综上所述，在22%的红土固化实验中，1#～3#土壤固化剂和通用减水剂皆能提高固化土湿密度，但只有3#和4#制在一定条件下能较为明显地提高固化土强度，即固化土湿密度提高并不能保证固化土强度的提高。

图13 十二烷基三甲基氯化铵对固化土无侧限抗压强度的影响

图14 十二烷基三甲基溴化铵对固化土无侧限抗压强度的影响

2.2 土壤固化剂对固化土最佳含水率的影响

根据2.1.1 土壤固化剂对固化土湿密度影响的实验数据，对能提高固化土湿密度的土壤固化剂进行进一步测试，检验土壤固化剂对固化土最佳含水率的影响。

2.2.1 干密度

固化土干密度数据见图15～图19，从图中可以看出，在不同的压实条件下，固化土的最大干密度不同，所对应的最佳含水率也不一样，压力越小，对应的最佳含水率越高。但总的来说，各种土壤固化剂的加入，并不能降低固化土的最低含水率，相反，大部分土壤固化剂更倾向于提高固化土的最佳含水率。固化土最佳含水率提高，但干密度相对于无土壤固化剂试样有所提高。此外，不同的压实条件对固化土的干密度影响很大，但伴随固化土含水率的升高，不同压实条件对固化土干密度的影响越来越小。

图15 不同压实条件下水泥固化土干密度曲线

图16 不同压实条件下土壤固化剂1#（掺量2‰）固化土干密度曲线

图17 不同压实条件下土壤固化剂2#（掺量2‰）固化土干密度曲线

图18 不同压实条件下土壤固化剂3#（掺量2‰）固化土干密度曲线

图19 不同压实条件下通用减水剂（掺量2‰）固化土干密度曲线

《JTG E40－2007 公路土工试验规程》规定土最佳含水率的测试方法，对应的压实条件与静压12.5MPa 相当（相同配方下两者密度相当），则按上述标准定义，水泥土的最佳含水率约为14%，干密度为1.75g/cm3；掺入2‰土壤固化剂1#后，固化土最佳含水率提高到16%，干密度提升到1.77g/cm3；掺入2‰土壤固化剂2#后，固化土最佳含水率不变，干密度提升到1.79g/cm3；掺入2‰土壤固化剂3#后，固化土最佳含水率提高到18%，干密度提升到1.77g/cm3；掺入2‰通用减水剂后，固化土最佳含水率提高到18%，干密度提升到1.76g/cm3。

2.2.2 无侧限抗压强度

固化土无侧限抗压强度曲线见图20～图24，强度曲线的波动较大，与干密度曲线不能完全吻合，但存在一定的规律性趋势：固化土含水率越高，其无侧限抗压强度受压实条件的影响越小；固化土含水率约低，要求压实条件越苛刻，否则固化土强度容易出现明显下降。这是因为，在大致相同的干密度下，湿密度越高（即固化土含水率越高），固化土中气相越少，气相是代表完全不能受力的孔隙，是缺陷，而气相替换为水相，水相由于其尺寸很薄，可通过水本身的张力分担一定量的应力，从而在宏观上表现出更高的强度，此外，在相同的压实条件下，在水不过量的情况下（在一定的压力条件下，刚好可把土体压实到饱和状态时的含水率，或低于此含水率），水可作为土壤颗粒的润滑剂来提高固化土的密实度，从而提高固化土干密度，因此，若施工时压实条件较差时，不应简单地把回填土含水率控制在《JTG E40－2007 公路土工试验规程》规定土最佳含水率，而是根据现实压实条件提高回填土含水率，才能达到在现实压实条件下的最大干密度和最大强度。

图20 水泥固化土无侧限抗压强度曲线

图21 土壤固化剂1#（掺量2‰）固化土无侧限抗压强度曲线

图22 土壤固化剂2#（掺量2‰）固化土无侧限抗压强度曲线

图23 土壤固化剂3#（掺量2‰）固化土无侧限抗压强度曲线

图24 通用减水剂（掺量2‰）固化土无侧限抗压强度曲线

对比最佳含水率下的无侧限抗压强度，水泥固化土无侧限抗压强度为4.96MPa，土壤固化剂1#固化土无侧限抗压强度为4.47MPa，土壤固化剂2#固化土无侧限抗压强度约为4MPa，土壤固化剂3#固化土无侧限抗压强度为5.91MPa，通用减水剂固化土无侧限抗压强度为3.44MPa，即在保证最大干密度大于水泥土对比样的情况下，4 种材料中只有一种材料强度高于水泥对比样。

综合2.1 和2.2 实验结果的分析，土壤固化剂或外加剂可以使固化土湿密度提高0.06g/cm3、干密度提高0.04g/cm3，但并不能保证固化土强度也会带来相应的提高，即使固化土强度提高了（如从4.96MPa 提高到5.91MPa），其提高的幅度甚至还达不到固化土实验本身的实验误差（图8～图14 中0 掺量下的无侧限抗压强度即为相同配方下不同时间成型的水泥固化土强度，强度偏差最大超过1MPa），即土壤固化剂的固化效果并不明显，这也是工程中经常被诟病的地方。

3 结论与展望

3.1 结论

本文通过研究不同外加剂对红土固化土性能的影响，得出以下几个结论：

⑴待固化红土含水率为22%时，1#、2#、3#土壤固化剂及通用减水剂可提高固化土的湿密度，但只有3#土壤固化剂掺量为1‰时固化土强度有较提升；4#土壤固化剂不会提升固化土湿密度，但固化土强度有提升；有机阳离子对固化土的湿密度和强度影响较小。

⑵在掺量2‰的掺量下，1#、2#、3#土壤固化剂和通用减水剂不能降低红土固化土的最佳含水率，但会提高固化土的最大干密度，只有3#土壤固化剂对应的最佳含水率下的固化土强度比水泥土对比样高。

⑶固化土施工时的含水率应根据现场压实条件调整固化土含水率，压实条件越好，对应最佳含水率越低，压实条件越差，对应的最佳含水率越高。

3.2 展望

土壤固化剂产品已出现了数十年，仍处于王婆卖瓜的阶段，缺乏成熟的理论基础，缺乏令人信服的机理研究。作为土壤固化剂的研发人员，首先必须要确定，我们所开发的土壤固化剂在固化土体系中究竟起什么作用，是作为胶凝材料粘接土壤颗粒？是通过化学催化促进土壤颗粒参与反应？还是通过物理化学方式提高固化土的施工性能？如果是作为胶凝材料粘结土壤颗粒，那需要多少土壤固化剂的量，参考水泥，有什么优缺点？如果是作为催化剂[4]促进土壤颗粒参与反应，那么反应材料是什么？反应如何进行？土壤颗粒的硅氧键和铝氧键如何打开？如果是要提高固化土的施工性能，那么应该如何评价？如何让土壤颗粒和无机结合料的混合更快速、更均匀，如何使固化土更容易碾压密实，如何让混合料从开始混合到碾压完成的可施工时间更长？

土壤固化剂不应该只是一个噱头，土壤固化剂不需要促进土壤颗粒反应这样的噱头，土壤固化剂需要的是真真正正来改善土壤固化施工的实实在在的外加剂，土壤固化的科研需要真正的开展起来，因为工程建设的弃土真的堆积如山，无处可去了。