改良黄土的强度特性研究

王浩然，杨卓，纪晓彬，刘霜，梁燕

（1.长安大学公路学院，陕西 西安 710064；2.特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

0 引言

我国黄土面积近64万m2，黄土结构疏松、遇水软化，工程性质差，因此需将黄土改良后应用于工程建设。土壤固化剂能有效稳定土壤，提升土体强度，可用于公路的路面结构层以及路基加固、边坡防护、荒漠化防治等工程领域，但是关于固化剂改良黄土强度的综述文献很少见，文章对改良黄土的强度特性研究进行浅述。

1 土壤固化剂发展情况

从20世纪50年代开始，基于对工程建设的需要和环境保护的要求，国际上开始研究土壤固化剂，而国内于20世纪80年代开始研究，学者们基于我国土壤特点做了研究工作，并取得了丰富的研究成果。土壤固化剂的应用主要包括改善黄土、膨胀土等力学性质；加固软土、改造滑坡土体、当作垃圾填埋场，以及堤防防渗材料，这些应用对人们的生产和生活都具有重要意义。

2 固化剂的分类及作用机理

土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土壤颗粒或与黏土矿物反应生成凝胶物质的新型材料，土壤固化剂技术发展至今，不断完善。它能够节约筑路成本，缩短工期，同时提升土壤抗压抗剪强度、增强水稳性和冻稳定性。土壤固化剂可分为传统材料、新型高分子材料、生物酶类等。

2.1 传统固化剂

传统的土壤固化剂主要有水泥、石灰、粉煤灰、矿渣等，且以硫酸盐等作为辅助成分进行激发。传统的土壤固化剂主要依靠其水解、水化以及其水化产物等一起稳定土壤，从而达到改良土壤的目的。

2.2 有机土壤固化剂

有机类土壤固化剂多为高分子材料，目前有水玻璃类、环氧树脂、高分子材料和离子类等。此类固化剂一般通过离子交换原理或材料本身聚合加固土壤。有机类土壤固化剂与适量水泥或石灰共同使用处理土壤时，其效果更佳。

2.3 生物酶类土壤固化剂

生物酶类土壤固化剂本质上是蛋白质多酶基产品，其大多为有机物反应而成的液体。该类土壤固化剂在接触土壤后，可与土壤中离子发生离子交换，减少土壤颗粒表面的扩散层厚度，使土壤粒子之间粘合性增强。经外力挤压密实后，可把生物酶固化土壤硬化成致密、坚固和不透水的整体结构，但生物酶催化作用受环境条件影响较大，对于一些寒冷地域的土壤固化难以实现。

3 固化剂改良黄土的强度分析

3.1 传统固化剂

以水泥和二灰土改良黄土为例。

3.1.1 水泥固化黄土

水泥固化黄土是传统的、常用的固化黄土的方法。不同水泥含量的改良黄土的饱水无侧限抗压强度见表1。水泥掺入能大幅提高黄土无侧限抗压强度，6%的水泥掺量能把黄土无侧限抗压强度从0.14 MPa提高至2.13 MPa，并且随水泥掺量的增加强度升高。28 d龄期内，龄期对水泥固化黄土的强度有较大影响。

表1 不同水泥含量的改良黄土饱水无侧限抗压强度

硅微粉具有无毒、无味、无污染的优点，与水泥同时作用于黄土加固时，进一步增强了土颗粒之间的粘结作用。杨秀武等[1]发现利用硅微粉和水泥混合掺入黄土后不仅提高黄土颗粒之间的粘结力，而且增强了黄土颗粒之间的摩擦力。瞿瑜等[2]得出当硅微粉掺量在10%、水泥掺量在4%时为固化黄土的最优掺量，素土的变形表现呈塑性，固化后的黄土变形呈脆性。李宏波等[3]研究表明冻融循环对素土和硅微粉-水泥固化土的摩擦角影响较小；冻融循环作用下，固化土黏聚力降低幅度远远小于素土黏聚力的降低幅度。可见水泥-硅微粉固化土能大幅度提高黄土抗冻能力。

3.1.2 二灰土改良黄土

二灰土是用石灰和粉煤灰按照一定比例与土混合后加水搅拌均匀碾压而成的一种无机材料。目前石灰、粉煤灰用作添加于天然细粒土或粘土中的稳定性材料越来越常见，而且价格低廉、施工简单、力学性能和水稳定性好，成为土质改良的重要方法。张志权等[4]研究表明二灰黄土的干密度对其强度有很大影响，二灰黄土强度随干密度的增加而增大、随龄期增大而增大，随粉煤灰含量的增加而增大。不同配比的二灰黄土无侧限抗压强度见表2。

表2 不同配比二灰黄土的无侧限抗压强度

张志权等[5]研究了二灰黄土的饱水强度、冻融强度等。研究表明：在1∶1∶8、1∶2∶7和1∶3∶6三种配比的二灰黄土中,以1∶2∶7二灰黄土的配比最接近最优配合比，应在施工、设计中提倡使用。

1∶2∶7配比的二灰黄土饱水后会降低其强度，且降低幅度随着龄期的增大而减小。长龄期（28 d龄期以上）二灰黄土的饱水强度平均降低2.40%，说明1∶2∶7二灰土具有良好的水稳定性。

冻融循环对二灰黄土强度的影响见表3。从表3中可看出：冻融循环对长龄期、1∶2∶7二灰黄土的不饱水强度几乎没有影响，但对低龄期的二灰黄土受冻融循环影响较大，1∶2∶7二灰黄土可以在冻土地区作为公路的底基层。米海珍[6]对二灰土进行渗透性试验研究后表明，二灰黄土防渗性不好。在粘土缺乏区工程中需隔水土料时，可以3∶7配比的水泥土作为防渗土料。在其他需防排水地基中大多采用石灰土作为短期或临时防水土料。

表3 冻融循环对二灰黄土强度的影响

3.2 新型高分子材料黄土固化剂

以新型高分子材料SH型固化剂和TX型固化剂固化黄土为例。

3.2.1 SH型固化剂

SH高分子固化材料是一种以聚丙烯酸基体系为主体的新型高分子材料。当SH高分子与黄土颗粒混合在一起时，黄土颗粒中黏粒发生离子交换、键合、絮凝、吸附等作用后，利用胶体间的电性吸引力成为有粘弹性长链状的连续性丝状膜层，丝状膜与黄土体中的矿物颗粒牢固粘结，形成空间立体网络结构。王银梅[7-8]试验研究发现用SH高分子固化黄土不仅能提高黄土的抗压强度、抗剪强度、耐低温强度，而且能降低黄土的孔隙率，改善了对水分的抗渗性和耐蚀性。表4和表5为SH型固化剂固化黄土的抗压强度和抗剪强度指标。

表4 水泥和SH固化黄土的抗压强度指标

表5 水泥和SH固化黄土的抗剪强度指标

从SH型固化剂和水泥对黄土的改良试验结果看，两者均可改善黄土的工程特性，SH固化黄土的强度增加较大，且SH型固化剂在固化黄土强度提高的同时，有利于防渗、不崩解，效果比较好。

王银梅等[9]的SH固化剂冻融实验中得出SH固化黄土随冻融循环次数的增加，抗压强度减小；随SH或水泥掺量的增加，固化黄土的强度损失和质量损失率递减。SH掺量为14%及以上时，固化黄土的抗冻融性能较好。SH固化黄土抗冻性能优于水泥，表6为SH固化剂固化黄土与水泥固化黄土的抗冻性能对比。

表6 SH固化剂固化黄土的抗冻性能

3.2.2 TX型固化剂

TX型固化剂是一种用于改良土壤的高性能固化剂，它具有固化速度快、相对强度高、收缩量小，经固化的土壤不会出现二次流化等优点。与传统的处理技术相比，能节省大量水泥、沙石料等材料费用；与混凝土材料相比，可降低造价30%左右。

TX型固化剂可将大的土壤团粒散解成细小的团粒结构，然后TX土壤固化剂中带有正电的离子与带有负电荷的土壤离子作用，使其带电性降低，团粒间斥力大幅度减少。当土壤中加入钙镁离子（石灰，水泥，炉渣等）时，固化剂的低价离子与钙镁离子发生交换，产生化学反应，生成化学键，在土壤中形成坚固的网状结构，使土壤的干密度增加，从而提高压实度，达到提高固化土抗压强度的目的。

刘霜等[10]研究表明：TX-水泥改良黄土的无侧限抗压强度均随养护龄期和水泥含量的增加而增大。在试验范围内，改良黄土的无侧限抗压强度受龄期影响最大，其次为水泥含量。表7为TX-水泥改良黄土的28 d无侧限抗压强度。

表7 TX-水泥改良黄土的28 d强度

3.3 生物酶类固化剂

生物酶类土壤固化剂的固化土，具有良好的整体性和连续性，密实度高，承载力强。但是其土体经水浸泡后强度会降低。

帕尔玛固化酶是上世纪40年代由美国帕尔玛公司生产出的由多种“酶”组成的高效生物土壤固化材料，主要适用于细粒黏土。

泰然酶也是一种生物酶类土壤固化剂，泰然酶用量主要由土壤的塑性指数决定，其用量随塑性指数的增大而增大。罗斌[11]研究表明：在一定范围内，随着泰然酶剂量的增加无侧限抗压强度将迅速增加，但生物酶类土壤固化剂固化土的强度增长普遍偏低，其稳定性增长也不明显，需要适量水泥等其它固化剂的参与。

4 结论

（1）传统的材料水泥、二灰改良黄土具有干缩大、易开裂、水稳性差的缺点。水泥改良黄土后强度明显增加。TX高分子土壤固化剂、生物酶土壤固化剂改良黄土时，适量添加水泥可明显提高改良黄土的强度和稳定性。

二灰黄土（石灰、粉煤灰、黄土的体积比为1∶2∶7）28 d龄期的无侧限抗压强度为2.104 MPa，6次冻融循环后的不饱水强度损失率为2.40%、饱水强度损失率为15.6%。冻融循环对长龄期（28 d龄期以上）二灰黄土强度几乎没有影响，而低龄期的二灰土受冻融循环影响较大，工程应用中要注意。

（2）有机高分子材料SH为14%时，风干28 d强度为4.653 MPa，比相同含量水泥28 d龄期的强度小，但15次冻融循环后，SH固化黄土的强度损失率为11.78%，其比水泥固化黄土的损失率（28.11%）小很多。

TX-水泥固化黄土（TX固化剂含量0.03 %，水泥4 %，黄土约96 %）28 d龄期的无侧限抗压强度为8.47 MPa，是文中所述固化黄土中强度最大的，但TX-水泥固化剂改良黄土的抗冻融性能需进一步研究。

（3）生物酶类土壤固化剂主要适用于细粒黏土。经生物酶类土壤固化剂固化的土体经水浸泡后强度会降低，且该固化剂不适合在寒冷地区改良加固黄土。