无机固化剂与离子型固化外加剂在道路工程中的应用

胡 浪，陈 建

(贵州省公路工程集团有限公司，贵州 550000)

随着我国基础设施建设规模的扩大，道路建设进入一个全新的时期，天然砂、石资源是建设路基工程、高等级公路路面基层底基层的主要原材料。国家每年扩建的公路里程逐年增加，随着这些道路工程以及其他混凝土工程等大型建设工程的启动，天然砂、石等资源短缺的问题日益凸显。仅“十三五”期间，我国天然砂石资源消耗量超200亿t[1,2]。资源短缺，造成天然砂、石价格高涨[2]。此外，大量的采用天然砂石会导致水文条件和土地资源的破坏，不符合绿色环保的发展理念；同时，长距离的原材料运输不仅会使工程成本大大增大，也导致部分地区供给困难。所以，怎样最大限度的利用工程当地的原材料，使之达到技术要求，成为摆在当前公路建设中面前亟待解决的问题。

土壤稳定和固化，就是通过某种措施将碎散状的土壤固结为具有一定强度和整体性的固体物质，经固化处理的土可以成为固化土[3]。无侧限抗压强度为固化土的重要性能指标，许多国家都是采用此指标作为检测指标。根据标准JTG E51—2009[4]，我国对于无侧限抗压强度也作出了明确的要求。研究发现稳定和固化的过程通常会增加处理后土壤的强度，降低其收缩性和吸水性，大大提高稳定固化后土壤的无侧限抗压强度[5]。土壤加固是一个古老的话题，从古代的机械力和热处理加固以及化学加固——三合土，到现代的岩土固化剂固化，土壤加固技术发展已有几千年历史[3]。岩土固化剂，总的来说可以将其分为两种体系：无机胶凝材料类和有机类外加剂。无机胶凝材料类比如：水泥、石灰、粉煤灰等胶凝材料；有机类外加剂比如：离子型固化外加剂、酶类、有机类高分子等等。

1 无机胶凝材料

1.1 国外研究状况

在国外，无机胶凝材料尤其以水泥、石灰作为固化剂的研究由来已久。1915年，美国一位工程人员无意间将贝壳、砂子、水泥混合后进行压实，获得了良好的固化效果，自此，水泥才真正作为岩土固化剂用在道路工程。随着科学及工程技术的不断发展，各地工程人员将水泥、石灰、粉煤灰、工业废渣等无机胶凝材料作为固化剂对土体进行加固，并对其加固效果进行了研究分析。Kamon M等[6]研究发现将含有铝的工业废渣和石灰混合后可以制成新的岩土固化剂，使用该新型固化剂后的土体早期强度大幅度提升。Karatai T R等[7]将稻壳灰(RHA)作为稳定剂和石灰混合后对膨胀土进行固化，可以大幅度提高膨胀土的CBR值，同时降低土壤的塑性和膨胀率。Rajakumaran K[8]发现使用钢渣-粉煤灰对膨胀土进行加固效果非常好，且得出最佳配合比，按照4%钢渣+6%粉煤灰配合比混合后膨胀土的固化效果最为明显。Chonggen Pan等[9]将水泥、氧化钙、混凝剂硫酸钙、氧化剂高锰酸钾混合固化淤泥质土，试验结果表明，最佳固化配方为水泥35%、氧化钙31%、混凝剂硫酸钙30%、氧化剂高锰酸钾5%，且随着固化剂掺量和养护龄期的增加，提高了固化土的强度，黏土中的部分有机物被氧化剂分解成小分子，有利于固化土的早期强度，同时，固化土中的水化产物增加，氧化剂促进水化稳定反应，使孔隙结构致密。

1.2 国内研究状况

我国固化土的发展和应用起步较晚，但是在近几十年来发展十分迅速。比如，2003年建设三峡工程中，水泥稳定土作为围堰防渗材料被大量应用到工程中。此外，国内学者对无机胶凝材料固化土壤做了大量的试验研究，并取得了突破性进展。黄新等[10-12]认为水泥加固的强度主要由水泥水化反应生成的水化硅酸钙等物质的胶结作用所提供，并且随着水泥掺量的增加，水泥固化土的无侧限抗压强度随之增大。李海龙等[13]通过改变水泥和生石灰的掺入比例，以最佳含水率、最大干密度、无侧限抗压强度和CBR值为评价指标，研究了水泥和生石灰同时掺入吹填土后的性能，并提出以模糊评价法来选取固化材料最优配比的思路。邓晓轩等[11]认为，水泥与软土拌和后反应生成的氢氧化钙可能会被土样吸收，导致固化土中氢氧化钙浓度欠饱和，进而使得生成C-S-H不足，因此掺加理论上可以提高氢氧化钙含量的化学试剂，比如NaOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Na2CO3、K2CO3。研究发现，当固化土中氢氧化钙不饱和时，这些外掺剂可以显著提高固化土的强度，且氢氧化钙饱和度越低，所需外掺剂的剂量越大，反之，固化土中氢氧化钙饱和时，则这些外掺剂对固化土强度没有影响。李敏等[14]以滨海地区石油污染盐渍土为研究对象,采用石灰粉煤灰进行固化处置,借助无侧限抗压强度试验,量化固化效果及各个因素的影响程度。结果表明:石灰粉煤灰联合固化可使石油污染土的抗压强度大幅提高,12%石灰+20%粉煤灰固化石油污染土的强度满足《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)中关于二级公路上下路堤及地基土置换的抗压强度要求。李晨等[15]通过X射线衍射试验(XRD)和扫描电子显微镜检查法(SEM)鉴定固化材料中针状结晶的钙矾石形成，同时通过对pH、含水率、温度、粘粒含量和硫酸盐化水平对钙矾石的生成的影响进行总结，结果表明钙矾石的高膨胀性对水泥或石灰固化土的影响有利有弊。周永祥等[16]为了解决在固化盐渍土过程中可能发生的体积膨胀变形危害，采用矿渣-粉煤灰-水泥复合固化剂，结果表明膨胀性产物Ca2+减少，可以降低固化盐渍土的膨胀率，且含水率会影响固化土的疏密程度以及膨胀性产物的生长位置。

2 有机类外加剂

2.1 国外研究状况

2.2 国内研究状况

我国从20世纪90年代开始，由国家牵头从国外引进性能优良的离子固化外加剂，并对此进行了大量的研究探索。卢雪松[22]用ISS固化武汉红色粘土，研究发现ISS“亲水头”能和土颗粒表面吸附的阳离子形成化学键，“疏水尾”对红色粘土颗粒表面有一定的排挤作用，并阻止水分进入体系，ISS使双电层厚度减小，结合水膜变薄，从而降低土颗粒之间的排斥性使引力增加，使土颗粒之间相互靠近，土体变得更加密实，土的强度提高。黄优平等[23]用CHF离子固化外加剂对页岩土、砂土进行固化，发现经固化的两种土体经5次冻融循环后的强度残留值明显增大，掺加离子型外加剂的实验组抗冻融循环能力更强。李建东等[24]用F1离子型固化外加剂固化黄土，经F1固化的黄土浸水后CBR值随击实次数明显增大，浸水与未浸水的CBR强度较基准组分别增大3.97倍和2.25倍，表明F1固化外加剂可以明显改善固化土的水稳性，提高固化土的CBR强度。张丽萍等用两种离子外加剂固化素土，研究发现，CONAID和LUKANG两种离子型外加剂均可以有效降低固化土的渗透系数，且随着龄期的增长，效果发挥越充分，固化土的抗渗性越强。在研究国外固化剂固化效果以及机理的同时，我国研究者针对不同地区土壤特性也积极自主研发岩土固化剂。黄晓明等[25]从研制TR型岩土固化剂入手，通过对比分析石灰、水泥和TR型固化剂对亚粘土的固化情况，TR型固化剂固化粘土具有更高的强度，TR型固化剂具有良好的实用性和应用前景。

3 结 论

3.1 目前存在的问题

无机胶凝材料和有机类外加剂对岩土进行固化，国内外学者已经进行了大量的研究，并取得了很多优异的成果。但是无论是无机胶凝材料还是有机类外加剂(离子型)，都存在或多或少的问题。无机胶凝材料方面，比如水泥：碳排放量高，对黏质土、粉土、酸性土固化不理想；石灰：固化强度不高，水稳性差，价格近年来增长较快，价格甚至已超过硅酸盐水泥；工业废渣类无机胶凝材料：生产规模小，质量控制难，通用性差。离子型外加剂也存在后期强度增长缓慢等问题。

3.2 应对措施和研究发展趋势

基层、底基层在路面结构中起到十分重要的作用，固化土基层、底基层在满足工程性能的同时，经济效益和环境效益也是关键一环。因此，针对不同地区不同土质选择针对性的岩土固化剂必将是一项长期而具有重要意义的研究课题。当前常用固化剂水泥对路面基层的抗压有较好的提升，对水稳定性抗渗透性能等的改善却没有明显的效果，影响其耐久性能；复合使用合适的离子型固化外加剂则可以很好的改善固化土基层的耐久性能，起到“1+1>2”的理想效果。在离子型外加剂研发方面，我国起步比较晚，大多还是源自欧美日等发达国家，因此与国外有一定差距。近年来在迎头赶上，在开展我国离子型固化外加剂的自主研发以及对国外产品的优化。