土壤固化剂的研究现状和前景展望引言土壤稳定(固化)技术从20世纪40年代开始蓬勃发展，至今已经形成一门综合性的交叉学科。

它涉及建筑基础、公路建设、堤坝工事、井下作业、石油开采、垃圾填埋、防尘固沙等多种领域，包括机械方法、物理作用、土工织物、化学胶结等多种手段，综合了力学、结构理论、胶体化学、表面化学等众多理论，它的处理对象也扩充到砂土、淤泥、工业污水、生活垃圾等多种固体、半固体，处理的目的也不仅仅是单一的加固，还包括增加渗透性、提高抗冻能力、防止污染物质泄漏等诸多方面。

在这里仅以化学加固为重点，对土壤固化剂的现状做一个阐述。

土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土体中土壤颗粒表面或能够与粘土矿物反应生成胶凝物质的土壤硬化剂。

国际上，欧洲建筑业最先提出土力学理论：日本由于地理因素限制，对土壤固化剂的研究投入很大，成果较多；美国和加拿大在利用土壤固化技术建设道路上有很多成功的例子；还有像德国、澳大利亚、南非等国也处在研究的前列。

国内以国家“七五”项目为牵头，虽然起步较晚，但是掀起了一阵研究高潮，研制了多种固化剂，并且部分成果已经从实验室走到了应用第一线，对国家建设做出了贡献。

但是土壤本身的反应活性很低，再加上道路施工对土壤固化剂的要求较高(不仅要在成本上有较大幅度降低，而且希望强度要高、防水抗冻性能要好、施工方式简单、道路保养费用降低等)．到目前为止，国际国内的各种固化剂都有各自的缺点．在实际应用上国内还处在起步阶段，而研究工作现在也处于低潮。

正是由于上述因素，有必要对国际国内的土壤固化剂做一个小结，希望可以从中找出发展的方向。

1四类土壤固化剂从固化剂发展的过程以及固结机理来看，现有的固化剂大体可以分成四大类。

1．1石灰水泥类固化剂石灰和水泥在建筑施工上的广泛应用使得它们自然成为固化土壤的首选。

利用石灰改良土壤可以追溯到很久以前，以石灰、粉煤灰为固化原料的二灰土经常作为道路施工的基层材料。

石灰、粉煤灰和水泥固化土壤的机理类似．包括结合土壤中的水分、形成胶凝成分来胶结土壤．堵塞土壤的毛细结构，从而形成强度和稳定性。

缺点是固化土壤的早期强度不高；由于固化剂加入量较大，形成胶凝的过程会产生较大的形变，固化土容易干缩，形成裂缝，破坏结构，影响水稳定性；而且这类固化剂的固化效果依赖于土壤的颗粒度和含水量．在施工上存在着限制。

一直以来，许多研究者致力于通过添加辅助成分来提高这类固化剂的性能。

例如，在此类固化剂中添加无机盐类，促进钙钒石的生成．可以有效减少形变量，并且增加早强性，从而给这一类固化剂带来新的活力。

1．2矿渣硅酸盐类固化剂这一类固化剂的元素组成与土壤较为接近．主要是活性硅氧化物、铝氧化物等，与水泥相区别。

它利用活性激发成分促进固化剂水化和产生胶结土壤颗粒的胶凝物质，并且在一定程度上激发土壤颗粒本身的活性，在固化剂和土壤颗粒之间进一步形成有效的作用力，并且保留部分活性成分．在较长的时间内稳定地增加强度。

由于这类固化剂采用的是水硬性成分，所以防水抗冻性能较好。

这是目前较为成功的土壤固化剂，而且国内矿渣等资源比较丰富，成本也比较低，所以市场前景比较好。

缺点是这类固化剂适用的土壤类型有限，而且固化剂掺入量仍然较大，施工量没有降低，对于本地缺乏资源的地区，进行施工需要较高的运输成本，这也是限制其应用的一大因素。

1．3高聚物类固化剂这类固化剂种类很多，包括多种树脂、纤维、表面活化剂等。

传统的高聚物改良土壤包括水土保持、土壤保湿、疏松土质等，在此基础上，研究发现利用聚合物交联形成立体结构包裹和胶结土粒，或者利用表面活性剂改变土粒表面亲水性质，形成有效的抗水能力．在土壤压实的基础上，可以得到较好的抗压强度．从而发展成为一类新的土壤固化剂。

它有如下优点：固化剂的掺入量较少，运输方便，成本可以有较大幅度的降低；一般采用水溶液的形态与土壤混合，施工方便；加入催化聚合成分或者直接利用土壤成分来实现交联，土壤早期强度和后期稳定强度均可以满足要求；适用的土壤类型比较丰富，所以适应性也比较好。

缺点是这类固化剂普遍的抗水性能比较差，遇水强度急剧降低，一些成型的产品同样存在这类问题。

并且土壤的强度建立在聚合物本身的胶结能力上．土壤的结构成分复杂，对聚合物本身的稳定性也是一种考验，有待进一步发展和实践检验。

1．4电离子溶液IISS)类固化剂这一类固化剂作用的机理是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，使其趋于憎水性，在压力作用下使得土壤形成强度和良好的抗水性能．其中还包括一定的离子交换促使土壤具备一些活性，从而促进土壤的稳定和强度。

这一类固化剂与高聚物类固化剂有相同的优点，施工方便．成本较低。

但是也有较大的缺点．由于施工需要的用水量比较大．所以在北方和西部一些缺水的地方施工存在困难；另外这种固化剂对土壤成分有一定的要求．这也在很大程度上限制了其应用。

这样的一种分类也只能大体上给出一个框架，在实际使用上，经常是多种类型的固化剂混合使用。

此外在采用化学固化剂的过程中也常辅助以物理手段，例如国外曾采用施加电场的方式来排除土壤水分，引导离子电泳在土壤中形成固化盐类。

此外，有很多种类土工织物也常用来增加土块的稳定性；还有公司开发出生物酶技术来加固土壤。

2土壤固化机理从土壤固化剂的开发角度，有必要总结出土壤固化的基本机理来明确研究方向。

2．1水的处理从土壤固化过程来看，土壤中水分的存在对土壤固化具有很大的负面影响。

土壤中的水分包括游离水和结合水，其中游离水以及通过物理吸附或表面剩余作用力吸附的水影响土壤固化。

由于水的存在．溶解了土壤中的盐类和土壤本身部分带正电的活性成分，反过来促使水产生电离，形成的氢氧根离子在土壤颗粒表面通过弱的化学作用吸附聚集，使得土粒成为带负电的胶粒，进一步和土粒周围的阳离子形成双电层结构，使得土壤变成溶胶体。

这样的胶体具有一定的稳定性，胶粒与胶粒之间维持一定距离，主要是范德华力在起维系土体的作用，所以土壤的强度比较差；即使在某种条件下破坏了这种胶体结构，在饱水的环境里产生的也是松散的絮凝，对土壤的强度并没有多少提高。

所以为了固化土壤．必须将土壤中的水除去，并且还要保证这种形成双电层和土壤溶胶的过程不再发生。

处理水的方式有两种。

一种是将游离水转化为结晶水．利用生成高结晶水的物质消耗土壤中的游离水分。

结晶水不参与上述破坏土壤强度的过程，并且生成的结晶水合物具有胶凝的性质，可以堵塞土块中的各种毛细管道．避免渗入水分再一次破坏固化土的结构。

上述第一、第二类固化剂均采用这一种方式。

但实验事实表明，这种方式处理后的土壤往往抗水性能并不佳。

进一步实验表明．对于含亲水性阳离子较多的土壤，在形成结晶水的过程中伴随着溶液浓缩和盐类结晶过程，往往导致部分游离水残余，另外这些盐类也阻碍胶凝物质对土粒的胶结作用．在土粒与胶凝物质之间形成亲水间层．遇水容易崩坏。

所以如何处理这部分阳离子．对土壤固化影响很大。

第二种常用的处理水的方式是破坏土粒表面的亲水性质，削弱土粒与水之间的作用力，利用施压和引流等措施除去土壤中的水分。

第三、第四类固化剂基本上是采用这种方式，但各具特点。

利用高聚物来固化土．一般是利用高聚物包裹层本身具有的憎水性质；而电离子溶液是利用离子交换将土粒表面亲水性较强的阳离子变成亲水能力较差的铝离子等，再辅助以离子配位，使得土粒表面趋于电中性，从而释放土粒表面的吸附水。

从效果上看，采用高聚物固化剂抗水性能普遍很差，而采用电离子溶液，从现有资料来看，是比较有效的。

从最近的一些实验事实可以分析，用高聚物固化土壤形成的憎水层往往含有水分子可以自由进出的通道。

这是由于一般的聚合物为链状结构，而且由于聚合度的限制没有办法在土粒上形成完整的包裹层。

另外，聚合物分子与土粒之间的化学键合强度往往不够，土粒优先与水分子形成化学键，当水分经由通道靠近土粒表面时，很快就会破坏聚合物的包裹作用，从而使得固化土块迅速崩解。

所以，如何有效的形成包裹结构和增强与土粒的键合，是聚合物类土壤固化剂发展的方向。

2．2土壤颗粒的胶结之所以土壤需要外加固化剂，是因为土粒本身结构饱和，是反应惰性的，难于相互之间反应键合形成整体。

研究表明，土体的力学性质并不取决于粘土中基本结构单元的强度，而是取决于它们之间的结构粘结力。

所以采用何种方式粘结土粒，是影响固化土强度的主要因素。

从另一个角度看，促进土壤颗粒在固化剂中的分散，增加粘结效率，也可以增强土壤固化效果。

在后一点上，液体固化剂较之固体固化剂有着明显的优势，可以节省大量的施工费用。

现有的固化剂在土粒的胶结上一般也是两种方式。

一种是利用自身形成粘结土粒的结构，不管是凝胶或者是高聚物链，将土粒包裹镶嵌在已经形成的结构中。

一般情况下硅酸盐的凝胶对土粒具有较强的粘结作用，利用第一、第二类固化剂得到的固化土无限侧压一般要高于第三、第四类固化剂。

但是采用这种方式，土粒和粘结物之间的作用并不是化学键，而是物理固定和静电作用，所以，正如上文已经分析的那样，要做好防水的准备，提高粘结物质本身的强度。

对于那些亲水阳离子，可以通过离子交换或者结合沉淀的方式除去。

如果采用高聚物固化剂，聚合物链的长度和支化程度都正比于固化土的强度；增加交联度不仅有助于防水，也有助于提高抗压强度。

第二种胶结土粒的方式就是激发土粒本身的活性，利用土粒与土粒之间的反应使得土壤成为整体，这也是土壤固化剂最终的目标。

根据现有资料，第二类固化剂涉及到激发土壤的反应活性；电离子溶液固化剂处理的土壤颗粒含有部分具有活性的铝，在压力和配位离子作用下，土粒相互靠近以及通过化学键连接在一起。

这些只是具有建设意义的机理推测，深入的研究需要建立在认真分析土壤颗粒化学组成和空间结构的基础之上，需要对具有活性的硅酸盐类物质和土壤进行对比分析。

就目前所知，在一定条件下，土壤颗粒自己会聚合。

在形成离子晶体时，遵循Pauling法则。

根据这一法则．利用低价离子取代土壤中的铝离子，有利于土壤中矿物晶体的再形成。

另外，钙离子有利于硅酸盐的聚集，铁离子化合物会在土壤结晶中处于中心晶核的地位。

实际上，这两种胶结的方式经常出现在同一种固化土中，相互促进。

3土壤固化剂的研究展望在固化剂的研究上，要综合考虑诸多因素，包括固化效果、适用性、耐用性、施工方式、成本、环境友好程度等等，而且还要考虑建设施工本身的要求。

上述四类固化剂各有优缺点，有各自适用的特定场合。

例如液体固化剂的施工比较方便，固化速度比较快，而且一般维护也比较方便，所以适合一些等级比较低的公路，这些公路在承载上要求不高，液体固化剂的固化效果就能够满足要求。

而像属于固体固化剂的粉煤灰、矿渣。

利用它们加固土壤有利于保护环境，废物利用，成本很低廉，在一些矿区公路和电站设施的建设中具有无可比拟的优越性。