土壤固化剂的作用机理及应用现状_李兵

2013
年
0引言
随着社会的不断发展，各行业的工程建设需求也越来越大，而传统的工程建设需要大量的自然资源，炸山碎石、挖河采砂，不仅破坏了自然环境，而且原有的砂石材料已经远远不能满足日益增长的工程建设的需求。

这造成了严重的自然环境破坏、资源大量投入且浪费严重、社会生存环境质量下降，工程建设的快速增长使整个社会付出了太多的代价。

节约资源、
保护环境成为世界各国共同关心的重大课题。

土壤固化剂是由多种无机材料或有机材料经过一定的生产工艺处理后，用以固化各类土壤的新型工程材料。

对于需加固的土壤，根据不同土壤的物理和化学性质，只需掺入一定量的固化剂，经拌匀、压实处理，即可达到需要的性能指标。

２０世纪７０年代，美国等发达国家对土壤固化技术进行了深入的研究开发，逐步替代了单一的石灰、水泥、粉煤灰的固化材料，成为一种覆盖胶体化学、表面化学、力学结构理论等学科的高新技术产品，现在在国外已大量应用于公路、水利工程、机场跑道等领域。

由于土壤固化剂固化土具有就地取材、施工工艺简单、工程造价低等方面优点，并且可以大幅度提高土壤的抗压强度，经济效益和环境效益显著，被美国《工程新闻》称为２０世纪的伟大发明创造之一。

本文介绍了土壤固化剂的种类、作用机理，土壤固化剂的制备研究现状以及对土壤固化剂未来的展望，并提出几点建议，为今后土壤固化剂的研究推广提供参考。

1土壤固化剂的种类
土壤固化剂依据不同的作用机理可以分为：生物酶类和化学类。

其中生物酶类土壤固化剂是一种由有机质发酵而成的高科技液态复合酶制品，可以通过生物酶素催化土壤固化、改变土壤结构，经压实后产生一定的强度。

化学类土壤固化剂是目前使用较多的一类土壤固化剂，其中包括无机化学类、有机化学类和离子类。

无机化学类固化剂是通过石灰、水泥、粉煤灰和矿渣等无机材料，加一些激发剂（各种酸碱类、硫酸盐类或其他无机盐）配制而成，固化土的性能比较稳定，由于使用了一些工业废料，还具有环保和节能意义。

有机化学类固化剂多为液体，一般通过离子交换原理或材料本身聚合来加固土壤，如改性水玻璃类、环氧树脂和高分子材料类。

离子
类固化剂是一种由多个强离子组合而成的化学物质，ｐＨ值为强酸性，此类固化剂对土壤有较强的选择性和针对性，不适用ｐＨ值大于７．５的碱性土壤。

2土壤固化剂的作用机理
2.1生物酶类土壤固化剂作用机理
通过生物霉素的催化作用，经外力挤压密实后，使土壤中有机和无机物质以较快的速度产生密实的、坚硬的结构层，土壤结构变得紧密从而产生屏蔽作用，防止水分的蒸发，降低土壤的膨胀系数，从而形成牢固的不渗透性结构。

2.2化学类土壤固化剂作用机理２．２．１无机类土壤固化剂作用机理
（１）胶凝材料的水解与水化反应。

固化剂中的凝胶材料在水作用下产生各种化学反应生成凝胶状的水化物，如水化硅酸钙、水化铝酸钙或氢氧化钙，包围土壤颗粒，在这些水化物中有的自行继续硬化形成骨架，有的与土颗粒作用生成络合物，最终相互连接形成稳定的空间网状结构，从而增强土粒间的粘结强度和稳定性。

（２）离子交换和中和反应。

土壤中矿物的粒子表面带有负电子，粒子之间处在互相排斥的状态下，固化剂与水作用后产生的Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋或Ａｌ３＋能与土胶粒吸附层中的Ｎａ＋、Ｋ＋离子进行交换，并且中和土壤中的负电荷，从而降低土胶粒ξ电势，减薄土胶粒双电层的厚度，使土颗粒相互靠近产生凝聚，如图１。

（３）土壤固化剂的组分与土壤颗粒的火山灰反应。

固化剂与土壤混合后，反应生成含３２个结晶水的钙矾石针状结晶体（３ＣａＯ·Ａｌ２Ｏ３·３ＣａＳＯ４·３２Ｈ２Ｏ），将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来。

这种水化反应生成的结晶体使材料的体积增加，它有效地填充土团粒间的孔隙，使固化土变得致密起
土壤固化剂的作用机理及应用现状
李
兵
（福建省建筑科学研究院，福建福州３５０００２）
摘要本文介绍了土壤固化剂的种类，不同种类土壤固化剂的作用机理；概述了土壤固化剂的研究和应用现状；展望了土壤固化剂的未来发展趋势，并提出了几点建议，为今后国内土壤固化剂的研究和应用提供了依据。

关键词土壤固化剂；固化机理；制
备
图1土壤处理前(左)和土壤处理后(右)对比图
■综合论述14··
第１期（总第141期
）
来。

此外，钙矾石晶体为针状，它交错穿插于土团粒中，起“显微加筋”的作用，增加固化土的强度。

２．２．２有机类土壤固化剂作用机理
其原理是在常温、常压条件下通过催化剂催化和引发剂引发，使有机高分子在土中发生聚合或者缩聚反应，形成网状或空间结构，从而把土壤颗粒胶结在一起，并且填充土中孔隙，由于反应后的高分子的极性大大小于水的极性，从而把土壤中的水排出，通过外力辗压形成密实的整体，具有一定的强度和水稳性；或者通过高分子自身的空间网络结构的特点，充分利用高分子末端大量的活性羟基或羧基等官能团与土壤颗粒表面基团络合，并发生物理化学反应将土壤粘结成网络状的结构整体，提高其强度。

２．２．３离子类土壤固化剂作用机理
离子类固化剂是由多个强离子组合而成的化学物质，具有很好的化学稳定性和强大的离解能力。

其利用强离子来破坏土壤颗粒表面的双电层结构，减弱土壤表面与水的化学作用力，并且从根本上改变土壤颗粒的表面性质，将土体的亲水性永久地改变为疏水性。

离子类土壤固化剂溶于水后会迅速离子化，释放出大量氢离子，随着和土壤中水混合，氢离子浓度下降，氢离子浓度的减少能够有效地促进土壤中粘土矿物结构中其他离子的渗透，该反应在一定程度上受钠离子和钾离子亲和力驱动。

在粘土晶格中，环状阴离子和铝离子反应导致晶格结构的解体，成为带氢离子粘土，氢离子和土壤晶格中的铝离子进一步交换形成铝离子粘土，强度进而得到提高。

由于氢离子不和较弱的钠离子和钾离子交换，粘土就不能够在恢复到其初始状态，从而促进土壤固化的稳定。

3土壤固化剂的制备研究以及工程中的应用
3.1国外土壤固化剂的制备研究以及工程应用
２０世纪７０年代，国外由于工程建设的需要，开始对土壤固化剂进行深入的研究。

Ｎｅｎｅ等［１］科学家，通过研究自然界白蚁用粘土的固化筑巢技术，提出了岩土昆虫类土壤固化剂概念。

Ｚａｌｉｈｅ等［２］用粉煤灰和石灰来加固含有石灰质的膨胀性粘土。

Ｔｏｍｏｈｉｓａ等［３］提出用混凝土粉末、纸渣灰、粉煤灰和具有活性的粘土，可以提高淤泥的固化强度，其中掺粉煤灰的固化强度提高最大。

Ｋａｍｏｎ等［４］的研究表明用Ｆｅ２Ｏ３工业废渣和熟石灰加固土壤时，掺入适量的含铝煤泥可以提高固化土的早期强度。

Ｍｅｒｒｉｔｔ公开了一种由硫酸和柑橘植物油通过化学反应合成的液体固化剂的专利［５］，其掺量为干土重的０．０１％时，２８ｄ抗压强度达３．６５ＭＰａ。

Ａｔｔｏｍ等［６］报道用５５０℃燃烧过的橄榄废弃物，可以作为一种新的土壤固化剂。

Ｓｉｖａｐｕｌｌａｉａｈ等［７］认为在粉煤灰中加入活性硅粉可以提高固化土的无侧限抗压强度。

ＳｉｖａｐｕｌｌａｉａｈＰ．Ｖ．等［８］研究表明，用２０％的膨润土和１％水泥或者石灰，可以提高印度红壤的抗压强度，掺水泥固化土的早期强度增长显著，掺粉煤灰固化土的后期强度增长显著。

目前工程已应用的产品有：美国开发研制的ＩＳＳ２５００电离子稳定剂（俗称固路宝），是一种水溶剂，呈棕黑色，具粘滞性，密度为２．２ｇ／ｃｍ３，ｐＨ值约为１．２５；美国国际酶制品有限公司研制的＂帕尔玛土壤固化酶＂是一种棕色、无菌的液态复合生物酶浓浆，用来催化土体固化反应，改变粘土原有的结构，是一种高效的生物酶类固化剂；美国Ｃ．Ｓ．Ｓ公司生产的ＥＮ－１道路固化剂，由强氧化剂、强溶解剂和分散剂组成。

具有不挥发、不可燃，稀释后安全、环保的特点。

通过激发土粒活性、胶结、离子交换作用，增强土粒间的吸附力，减少孔隙，固化土体强度可提高４０％～６０％；ＣＢＲＰＬＵＳＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａＩｎｃ．生产的ＣＢＲＰＬＵＳ固化剂，是深褐色粘稠状浓缩液体，具有无腐蚀、无毒、环保的特点。

它在粘土表面生成油状层，与土粒表面形成化学键，固定具有高移动性的离子，通过离子交换，使土粒中的吸附水慢慢排出，能永久改变粘土的亲水性，碾压后形成致密土体。

另外，由加拿大开发研制的ＲｏａｄＰａｃｋｅｒＰｌｕｓ通过离子交换作用加固粘土，使土体密实，含水量降低，永久改变粘土的亲水性。

3.2国内土壤固化剂的制备研究以及工程应用
２０世纪９０年代起，我国也开始研制土壤固化剂，徐渊博等［９］采用高分子表面活性材料进行土壤固化的研究，研制出的ＰＡＭＣＡＴＳ土壤固化剂能大幅增加土的无侧限抗压强度和路基填料强度（ＣＢＲ值），具备良好的水稳定性，具有推广价值。

ＷｕＣｈａｏ［１０］对水玻璃和ＣａＣｌ２现场加固软基土体进行了研究。

罗逸等［１１］研制出了一种以含Ｎ有机阳离子化合物为主要成分的膨胀土稳定剂（简称：Ｈ２４），对膨胀土的膨胀性具有较强的抑制作用，并可能具备工程应用价值。

郭印［１２］通过单掺试验，研究了水泥、苛性钠、三乙醇胺、高效减水剂ＦＤＮ、水玻璃、生石膏、高锰酸钾和生石灰等添加剂，对淤泥质土固化效果的影响。

唐明等［１３］研究了新型ＡＳＣ土壤固化剂在道路底基层的应用，其以水泥、高钙粉煤灰、石灰和活性激发剂作为原料，复合出新型ＡＳＣ土壤固化剂，有利于公路底基层抗压强度、抗冻融性、承载能力等性能的提高。

梁文泉等［１４］研制了一种由特殊二氧化硅及活性铝、铁等组成的灰白色粉末状无机胶结材料－ＧＡ新型土壤固化剂，其能固结粘土、淤泥、工业废渣以及粉砂、风化砂等。

刘顺妮等［１５］对石灰固化土的外加剂进行了研究，认为Ｎａ２ＳＯ４、石膏和Ａｌ２（ＳＯ４）３对稳定石灰土有较明显的增强效果。

黄晓明等［１６］以石灰、矿渣、水泥等一种或几种互配物作主固化剂，选用马来酸、胡马酸、碳酸钠、氟化钠、氢氧化钠、硫酸铝钾、三乙醇胺和胺基磺酸盐等为助固化剂，配制了一种ＴＲ型土壤固化剂，具有良好的路用性能。

蔡晓凌等［１７］在汤河水库库区道路中用ＡＳＣ土壤固化剂替代水泥体现出了其巨大的优越性，取得了良好的经济、环保效益。

黄雨等［１８］以广州某软土地基处理工程为基础，研究了水泥和石膏对软土的固化效果，结果表明适量加入石膏可以大幅度提高软土的固化强度。

此外，北京亿路特通新材料有限责任公司公开了一种由浓硫酸或浓盐酸、硫酸钠、磺酸盐、早强剂、硫酸铁或氯化铁、ＹＷ型氟类表面活性剂混合制备而成的土质固化剂专利，其便于路基路面施工，各项技术指标均达到国家规定的标准［１９］。

综合论述■
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目前工程已应用的产品有：交通部公路科学研究所开发的ＮＣＳ系列固化剂，由石灰、水泥和含硫、铝、钙的无机添加剂组成，其固化后具有较强的吸水性，较好的水稳性；沈阳毓泰环保应用技术有限公司开发的ＳＣ系列固化剂，
由水泥、石灰、粉煤灰和无机添加剂组成，其固化后早期强度高，水稳定性好；辽宁北四达无机复合材料有限公司开发的ＰＳＳ系列固化剂，由水泥、石灰、粉煤灰、石膏和激发剂组成，其固化后早期强度高，后期强度大，水稳性良好；四川省青神县天马公路公司开发的ＱＪ型固化剂，由水泥、石灰、羧基化合物和氨基碘酸类高聚物组成，其固化后有较好的物理力学性能和抗冻融能力；大连麦克文化学有限责任公司开发的１６８麦道固化剂，由碱金属和碱土金属等各族元素组成的无机系统化合物，其对各类土壤均能固化，性能可靠；武汉理工大学硅酸盐工程研究中心开发的ＳＧＬ无机结合料，由矿渣、氟石膏、石灰和少量碱性激发剂组成，其固化后早期强度高，后期强度增长快，对各种土料适应性强；湖南路捷能源科技有限公司开发的土固精（Ｔｏｏｇｏｏｄ），是一种离子类土壤固化剂，性能优异，经济效益和环境效益显著。

4建议与展望
如果能在工程建设中直接取用地球上最经济、来源最广泛的工程材料“土壤”，就可以大大节省砂石的用量，保证了国家工程建设的发展需要的同时，由于减少了砂石用料，也就减少了对自然资源的破坏开采，对自然生态环境起到了保护作用，同时减少对良田土地资源的严重破坏。

土壤固化剂可以快速而显著地改变土壤的物理力学性能，使之具有工程特性的相对强度高、收缩量小、颗粒间空隙减小、压实度高、不会出现“再次泥化现象”。

由于固化剂加固土是利用就地取材的工程材料“土”，作为主要建筑材料，然而土的开采和加工都比较容易，且就地取材不需要长途运输，因而采用土壤固化剂加固土在技术上和经济上都具有重要的意义。

以下是几点建议：
（１）加强对土壤固化剂基础理论和固化机理的研究。

为制备高性能土壤固化剂打下坚实的理论基础。

（２）土壤固化剂的研制应具有针对性或兼容性，应针对于不同地区、不同气候条件制备特种高强耐久型土壤固化剂，或者制备可以应用于各种土壤的万能型土壤固化剂。

（３）加强对固化土的性能和固化剂施工工艺的研究，促进多学科联合，进一步拓展土壤固化剂的应用领域。

随着对土壤固化剂的兼容性或专一性、固化机理、性能和施工工艺等进行深入的研究，土壤固化剂作为一种新型的土木工程材料，相信在未来的工程领域中将会发挥更大的作用，有着美好的应用前景。

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