土壤固化劑研究現(xiàn)狀與展望

1、第34卷第2期2006年2月西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).o-.o.a.(.S.E.)JourfNorthwestSciTechUnivfAgrindForNatcid.2006Feb土壤固化劑研究現(xiàn)狀與展望,2高建恩1吳普特1樊恒輝1,陜西楊凌7(1中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心,12100;陜西楊凌712100)2西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,摘要闡述了土壤固化劑國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀、種類、特點(diǎn)和應(yīng)用,分析了土壤固化劑的固化機(jī)理和固化性能,指出了土壤固化劑研究和應(yīng)用領(lǐng)域中存在的若干問(wèn)題及研究方向,最后對(duì)其應(yīng)用前景做了展望。關(guān)鍵詞土壤固化劑;固化機(jī)理;固化性能中圖分類號(hào)P

2、642.1;T41U4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1671-9387(2006)02-0141-06為了滿足生產(chǎn)生活的需求,人們很早就將植物1-2隨纖維和姜石應(yīng)用到改良土壤的工程性質(zhì)方面?；业葐我徊牧系娜秉c(diǎn),作用對(duì)象是各種土壤。現(xiàn)在土高速鐵路、高速公壤固化劑已大量應(yīng)用于水利工程、路、機(jī)場(chǎng)跑道等方面,效益非常明顯,被美國(guó)工程新聞稱為2日本稱之為0世紀(jì)的偉大發(fā)明創(chuàng)造之一,土壤固化劑作為一21世紀(jì)的新材料。在許多國(guó)家,種品牌商品被專門(mén)的企業(yè)生產(chǎn),如美國(guó)生產(chǎn)的帕爾瑪固化酶,澳大利亞,1等土壤固化劑;SoilrockEN-著石灰的發(fā)明,石灰便成為土壤的改良材料。自從水泥土以其優(yōu)良1824年Aspdin發(fā)明了水泥

3、以后,3的加固效果,逐漸得到了人們的重視。由于石灰土、水泥土具有良好的力學(xué)性能和水穩(wěn)性,并具有一定程度的抗凍性能,因此在修建道路、港口、機(jī)場(chǎng)等工程中,得到了普遍應(yīng)用。但在工程實(shí)踐中,人們逐漸認(rèn)識(shí)到石灰土、水泥土的早期強(qiáng)度低、干縮大、易開(kāi)裂,并且其性能受土質(zhì)影響較大,對(duì)塑性指數(shù)高的黏土、有機(jī)土和鹽漬土固化效果較差,甚至有時(shí)無(wú)固化作用。因此,開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的土壤固化新材料,并系統(tǒng)地研究土壤固化新材料的性能和固化機(jī)理,是目前各國(guó)工程師們致力研究的新課題。本研究闡述分析了土壤固化了國(guó)內(nèi)外土壤固化劑研究的現(xiàn)狀,劑的固化機(jī)理和固化性能,指出了土壤固化劑研究和應(yīng)用領(lǐng)域中存在的若干問(wèn)題及研究方向,以期為土壤固化

4、新材料的開(kāi)發(fā)研制提供科學(xué)依據(jù)。RR開(kāi)發(fā)的R日本的UKC公oadbond,Roadpacker;司,住友株式會(huì)社等也生產(chǎn)各種品牌的土壤固化劑。在企業(yè)生產(chǎn)土壤固化劑的同時(shí),許多學(xué)者也在從事土壤固化劑的研究工作。研究者針對(duì)不同土質(zhì)4研制開(kāi)發(fā)出了不同的土壤固化劑,如Me等用dina5磷酸加固紅土;Tomohisa等提出用混凝土粉末、紙漿渣、粉煤灰和火山灰土加固處理含水量高和有6機(jī)質(zhì)含量高的土壤;Bobrowski研究出一種離子類7固化劑來(lái)加固軟基土;Zalihe等用粉煤灰和石灰來(lái)固化含有石灰質(zhì)的膨脹性黏土。國(guó)外學(xué)者在研究土壤固化劑時(shí),研究的對(duì)象和思路較寬廣,不僅包括水泥和石灰的各種添加劑、廢棄物的再利

5、用研究,而且對(duì)菌類加固劑、昆蟲(chóng)加固技8術(shù)也進(jìn)行了深入研究。石灰和粉煤灰Shirazi認(rèn)為,1土壤固化劑研究現(xiàn)狀美、日等國(guó)家由于工程建設(shè)的20世紀(jì)70年代,需要,對(duì)土壤固化技術(shù)進(jìn)行了深層次研發(fā),加固土壤的材料由原來(lái)單一的水泥、石灰、粉煤灰發(fā)展到專門(mén)用來(lái)固結(jié)土壤的新材料-土壤固化劑(Soil土壤固化劑是指能改善和提高土壤工程)。Stabilizer技術(shù)性能的復(fù)合材料,其能夠克服石灰、水泥和粉煤收稿日期2*005-06-07的混合物可以消除由于水泥土干縮而容易引起的開(kāi)9裂;一種添加Bell在水泥和石灰中分別添加PFA(10劑)對(duì)其加固黏土的效果進(jìn)行了研究;等Miller對(duì)水泥窖粉塵(加固處理土壤的性

6、能進(jìn)行了CKD)11研究;Munjed等用一種沉積物燃燒后的物質(zhì)作12為一種土壤固化劑;Robert研究了一種高濃縮的13液體土壤固化劑();CLSSaboundjian對(duì)一種有機(jī)基金項(xiàng)目國(guó)家"節(jié)水重大專項(xiàng)"新型高效雨水集蓄與利用技術(shù)研究"西北農(nóng)林科技大學(xué)科研專項(xiàng)(863"(20024051-2);0542)AA2ZZR0作者簡(jiǎn)介樊恒輝男山西夏縣人在職博士主要從事巖土工程試驗(yàn)和新材料研究(1973-),。142西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第34卷土壤固化劑(在路基加固中的應(yīng)用做了報(bào)2)EMC14可道;Attom等曾報(bào)道用燃燒過(guò)的橄欖廢棄物,15以作

7、為一種新的土壤固化劑;Thecan研究了腐生其固化機(jī)理尚不明確。特點(diǎn)和應(yīng)用2土壤固化劑的種類、土壤固化劑種類繁多,一般可按照其外觀形態(tài)或成份大致進(jìn)行分類。從外觀形態(tài)可以分為液粉固有機(jī)類、生物酶類固化劑。一般為粉末狀,多采用工業(yè)廢料作為主固劑,添加各種激發(fā)劑配制而成。主固劑包括粉煤灰、各類礦認(rèn)為其在土壤固化過(guò)物分解木質(zhì)素中的擔(dān)子菌類,16程有著重要的作用;Nene等研究了自然界白蟻國(guó)內(nèi)有關(guān)單位開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外20世紀(jì)80年代,土壤固化劑技術(shù),在吸收國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)我化劑和粉狀固化劑;按照主要成份可以分為無(wú)機(jī)類、國(guó)土壤性質(zhì),開(kāi)始了土壤固化劑的研究工作。迄今為止,先后有多家科研院所和大專院校對(duì)土壤

8、固化劑進(jìn)行了研究,并先后取得了一系列研究成果,其中部分產(chǎn)品已經(jīng)在工程建設(shè)中得到了應(yīng)用。目前,我國(guó)土壤固化劑的研制主要集中在無(wú)機(jī)類方面,且已取得了較大進(jìn)展,主要以水泥熟料或特種水泥熟料、石灰及工業(yè)廢渣等為主要原料,添加少量的激發(fā)劑制備而成,其固化機(jī)理與水泥、石灰相同。黃曉明等17以石灰、礦渣、水泥等一種或幾種互配物作為主固化劑,選用馬來(lái)酸、胡馬酸、碳酸鈉、氟化鈉、氫氧化鈉、硫酸鋁鉀、三乙醇胺和胺基磺酸鹽等作為助固化劑,配制了一種TR型土壤固化劑,具有良好的路用性能。梁文泉等18研制了一種由特殊二氧化硅及活性鋁、鐵等組成的灰白色粉末狀無(wú)機(jī)膠結(jié)材料-GA新型土壤固化劑,其能固結(jié)黏土、淤泥、工業(yè)廢渣以

9、及粉砂、風(fēng)化砂等。劉順妮等19對(duì)石灰固化土的外加劑進(jìn)行了研究,認(rèn)為Na2SO4、石膏和Al2(SO4)3對(duì)穩(wěn)定石灰土有較明顯的增強(qiáng)效果。彭波等20以鋼廠工業(yè)廢渣(水淬渣)為原料,加入少量合成的固態(tài)催化劑,經(jīng)研磨加工制成了一種土壤穩(wěn)定劑,其穩(wěn)定的土壤在無(wú)側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、凍穩(wěn)定性、劈裂強(qiáng)度等路用性能方面優(yōu)于石灰固化土。周明凱等21研制了一種以礦渣、石灰為主劑,復(fù)合幾種固化素合成的HS干硬性土壤固化劑,該固化劑自身凝結(jié)硬化較慢,用于固化土壤時(shí),除延遲碾壓時(shí)間較長(zhǎng)外,還具有強(qiáng)度較高、微膨脹等特點(diǎn)。季節(jié)等22研制了一種水硬性膠結(jié)材料固化劑,主要包括SiO2,Al2O3,Fe2O3,CaO,M

10、gO,SO3等化合物,對(duì)砂性土和黏性土試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)固化劑加固后的土體強(qiáng)度和耐久性均有所提高。國(guó)內(nèi)在有機(jī)類固化劑的研發(fā)方面與國(guó)外還有很大差距,目前還只是停留在實(shí)驗(yàn)室階段。劉瑾等23選取丙烯酸等乙烯基單體為主體,經(jīng)高分子聚合反應(yīng)合成了一種新型水溶性高分子土壤固化劑但對(duì)渣、煤矸石或水泥、沸石、石灰等,激發(fā)劑主要包括各種硫酸鹽類、各種酸類和其他無(wú)機(jī)鹽,也包含少量的表面活性劑等其他有機(jī)材料。添加無(wú)機(jī)類土壤固化劑的固化土性能比較穩(wěn)定,在正常條件下,其性能可保持3050年基本不變。由于添加了一些工業(yè)廢料和較易取得的建筑材料,而且施工簡(jiǎn)便,因而不僅可以降低工程造價(jià),而且還具有環(huán)保和節(jié)能意義。目前,無(wú)機(jī)類土

11、壤固化劑在市場(chǎng)上占據(jù)主流,包括Aught-set高性能土壤固化劑、"NCS"土壤固化劑、HEC高強(qiáng)高耐水土體固結(jié)劑、HAS高強(qiáng)耐水土壤固化劑等。現(xiàn)以Aught-set高性能土壤固化劑為例,來(lái)說(shuō)明無(wú)機(jī)類土壤固化劑的組成和特點(diǎn)。Aught-set高性能土壤固化劑是一種以水泥為基礎(chǔ),由多種無(wú)機(jī)和有機(jī)材料配制而成的水硬性膠凝材料。Aught-Set土壤固化劑一般包含有S,P1,P2,T1,T2,P36種主要成分。(1)S,能膠結(jié)土壤顆粒,在固化體中構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),形成早期強(qiáng)度;(2)P1,具有表面活性作用和緩凝作用,使得P2成分更易進(jìn)入土壤顆粒內(nèi)部,從而使離子交換反應(yīng)進(jìn)行得迅速、徹底

12、,同時(shí)還能調(diào)整固化劑的延遲時(shí)間;(3)P2,能與黏土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),彌補(bǔ)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的不足,形成后期強(qiáng)度,從而提高固結(jié)土體最終強(qiáng)度;(4)T1,當(dāng)固結(jié)土體長(zhǎng)期遭受水浸泡時(shí),T1與水可以形成一種平衡物質(zhì),從而避免水對(duì)固結(jié)土體的浸蝕,使固結(jié)土體不泥化,強(qiáng)度穩(wěn)定;(5)T2,起激發(fā)早期強(qiáng)度的作用;(6)P3,可與其他組分反應(yīng),使形成的生成物體積增加,并析出凝膠類物質(zhì),填充固結(jié)土體內(nèi)部的孔隙,導(dǎo)致固結(jié)土體體積發(fā)生一定程度膨脹,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,從而提高了固化土體的抗?jié)B、抗縮、抗凍性及耐疲勞性能。由于這6種組分在土壤固化過(guò)程中的作用不同,因此,針對(duì)不同的土壤,通過(guò)調(diào)整這幾種組分的比例,從而達(dá)到最優(yōu)的固化效果

13、。Aught-set土壤固化劑最重要的技術(shù)突破是激發(fā)素的發(fā)現(xiàn)。激發(fā)素是添加于土壤固化劑中的低含第2期樊恒輝等:土壤固化劑研究現(xiàn)狀與展望143量物質(zhì),能夠激活黏土中的礦物成分,使黏土礦物也從而使黏土發(fā)揮出其潛在的活成為一種反應(yīng)物質(zhì),性,使固化效果大幅度提高。添加Au于土體-ghtset在成型壓力作用下,土壤顆粒緊密接觸,在土壤后,顆粒附近,土壤固化劑水化生成水化碳酸鈣、沸石、方鈉石及硅酸等,使黏土顆粒表面形成凝結(jié)硬化殼。土壤固化劑的激活組分還會(huì)以不同方式滲入顆粒內(nèi)部,與黏土礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),形成水鋁酸鹽、含水硅酸鹽等膠凝物質(zhì),使黏土顆粒表面產(chǎn)生不可逆凝結(jié)硬化,使其具有水穩(wěn)性和強(qiáng)度穩(wěn)定性。同時(shí)

14、,整個(gè)土壤層結(jié)構(gòu)變得松散,就容易被壓實(shí),這個(gè)過(guò)程可以與自由態(tài)的氫氧根離子再?gòu)?fù)合而形成水,或復(fù)合成氫氣。釋放出來(lái)的水可以滲透出去或者被羊腳壓路機(jī)擠出,隨后被蒸發(fā)。這樣,通過(guò)改變淤泥或黏土顆粒的Z動(dòng)電電勢(shì))土體將達(dá)到理想的,eta電勢(shì)(壓縮狀況。自2路基實(shí)"在世界范圍0世紀(jì)60年代以來(lái),"內(nèi),特別是西方一些發(fā)達(dá)的國(guó)家得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。目前,在我國(guó)也逐步開(kāi)始應(yīng)用,在流溪河整在水分子的裂解過(guò)程中排出的氫離子,是不可逆的。土壤固化劑的某種成分可代換土體中凝聚能力低的離子,降低動(dòng)電電位,促使黏土顆粒凝聚,同時(shí)使電解質(zhì)濃度增加,膠粒雙電層減薄,均有利于顆粒凝聚。土壤固化劑的主要水化

15、產(chǎn)物及其與黏土礦物反應(yīng)的生成物,均能牢固地膠結(jié)分散的土壤顆粒,建立空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使之成為一個(gè)具有較高強(qiáng)度的整體。Aught-set土壤固化劑因其優(yōu)良的性能現(xiàn)已被廣泛用于市政、環(huán)保、交通、水利等工程中,如北京中南海湖底的固化、昆玉河水系的治理24和朔黃鐵路路基的處理25。有機(jī)類土壤固化劑多為液體狀,目前有磺化油、改性水玻璃類、環(huán)氧樹(shù)脂和高分子材料類。一般通過(guò)離子交換原理或材料本身聚合加固土壤。此類土壤固化劑在使用時(shí)要嚴(yán)格控制土壤的含水量,有些有機(jī)類土壤固化劑在使用時(shí)要與水泥配合使用,才能達(dá)到固化效果。有機(jī)類土壤固化劑的使用壽命約為30年,但是其隨使用的環(huán)境的不同而變化較大。在有機(jī)類土壤固化劑中,

16、具有代表性的產(chǎn)品是"路基實(shí)"。"路基實(shí)"是澳洲國(guó)際離子土壤穩(wěn)固劑實(shí)業(yè)有限公司(IISS公司)的主要產(chǎn)品。其實(shí)質(zhì)上是一種催化劑,可以減少土壤中除化合水外其他水分子的二極力矩,如吸附水、表面張力水、毛細(xì)管水,這樣將導(dǎo)致水分子的裂解,產(chǎn)生氫離子(H+)和氫氧根離子(OH-)。此過(guò)程將一直持續(xù)下去,并伴隨著不同的帶電(正電及負(fù)電)離子產(chǎn)生。土壤中黏土礦物表面離子通常都是負(fù)離子,因此,它們能吸引正電離子,如氫、鈉、鈣、鉀、鎂離子等。負(fù)電荷的氫氧根離子總是會(huì)與正電荷的金屬離子結(jié)合。隨著水中來(lái)自"路基實(shí)"的正電荷減小,足夠多的負(fù)電荷聚集起來(lái),對(duì)吸附

17、水層中的正電荷金屬離子產(chǎn)生了足夠大的引力,從而打破了靜電勢(shì)壘。當(dāng)這種反應(yīng)產(chǎn)生時(shí),金屬離子向自由水中運(yùn)移并伴隨著水的排出而排出。吸附水層被減少,土壤顆粒失去了其膨脹特性,從而使治第二期工程沙壩A段(長(zhǎng)2km)中,采用了"路基實(shí)"生物酶類土壤固化劑是由有機(jī)質(zhì)發(fā)酵而成的多酶基產(chǎn)品。通過(guò)酶的催化作用,促進(jìn)了土壤顆粒間的凝聚力。多數(shù)生物酶類土壤固化劑為棕色濃縮液,有輕微的發(fā)酵味,無(wú)毒,不燃燒。由于生物酶類土壤固化劑有生物降解的特點(diǎn),因此其固化的土體經(jīng)水浸泡后,強(qiáng)度會(huì)降低。盡管此類固化土的設(shè)計(jì)壽命約為8年,但對(duì)其長(zhǎng)期的強(qiáng)度和穩(wěn)定性仍有待實(shí)踐檢驗(yàn)。"派酶大力漿"是由美

18、國(guó)國(guó)際酶制品有限公司研制的一種棕色、無(wú)菌的液態(tài)復(fù)合生物酶濃漿,其既能催化土壤的固結(jié)反應(yīng),又能改變土壤結(jié)構(gòu),是一種高效的生物酶類固化劑。"派酶大力漿"能增加土壤密度,降低土壤膨脹系數(shù),增強(qiáng)土壤抗?jié)B、防水和防凍性能,從而極大地提高土壤工程性能。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,用"派酶大力漿"筑路已是一種成熟的筑路技術(shù),在美國(guó)、加拿大、墨西哥、澳大利亞、前蘇聯(lián)等國(guó)家已修建了幾萬(wàn)公里的道路。在我國(guó)浙江省新昌縣的茶壺皎至五四公路五四大橋段、陳家塢至下朱部公路方口段和小將鎮(zhèn)至上海村公路,km,經(jīng)過(guò)2年的雨季檢驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行,整體狀況良好,能夠經(jīng)受住惡劣氣候與環(huán)境的考驗(yàn)。近年來(lái),國(guó)外土

19、壤固化劑的應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到拓寬,不僅應(yīng)用在道路、港口、機(jī)場(chǎng)、水利等工程,而且還應(yīng)用到固化有毒害的污染廢棄物等方面26-28。在國(guó)內(nèi),土壤固化劑主要應(yīng)用于道路路基、地基加固等方面。盡管?chē)?guó)內(nèi)土壤固化劑的應(yīng)用還處于起步階段,利用土壤固化劑的工程還很少,但已有的工程實(shí)踐證明,土壤固化劑除了在交通道路、地基加固等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用外,還可大量用于水利工程中的護(hù)坡、防滲、簡(jiǎn)易公路、環(huán)保工程和水土保持等領(lǐng)域。144西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第34卷3土壤固化劑的固化機(jī)理目前,對(duì)于一些常用的土壤固化劑作用機(jī)理研如水泥、石灰和二灰土等。水泥土在究的較為充分,固化穩(wěn)定土壤過(guò)程中的主要作用包括,水泥的水解和水

20、化反應(yīng)、離子交換和團(tuán)?；饔?、火山灰反應(yīng)和碳酸化作用等。石灰土在固化過(guò)程中,存在離子交換和絮凝團(tuán)聚作用、火山灰反應(yīng)、自身結(jié)晶和碳酸化作用。二灰土強(qiáng)度形成過(guò)程發(fā)生的基本作用除了石灰土的各種作用外,還包括有石灰和粉煤灰之間的火化學(xué)吸附指土壤固化劑中的某些離子與土體基本單元表面的離子發(fā)生了離子交換吸附。在土壤固化劑與土體的物理化學(xué)作用過(guò)程中,無(wú)機(jī)類土壤固化劑如無(wú)機(jī)類土壤固化劑中的鈣主要是物理化學(xué)吸附,鹽、鎂鹽溶解后,鈣離子和鎂離子與土體基本單元所吸附的鈉離子發(fā)生交換反應(yīng),可以增加土壤顆粒的團(tuán)聚作用;有機(jī)類土壤固化劑主要是物理吸附和化如高分子材料的某些基團(tuán)與土壤顆粒學(xué)吸附過(guò)程,之間的物理吸附,高分子材

21、料與土壤顆粒吸附的離子之間可以發(fā)生化學(xué)吸附山灰反應(yīng)。新型土壤固化劑在加固土壤時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的各種作用非常復(fù)雜和多種多樣,因土壤的性質(zhì)和土壤固化劑的不同而異,所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新型土壤固化劑的固化機(jī)理研究的比較分散,大部分是針對(duì)某種或某一類土壤固化材料進(jìn)行研究。研究土壤固化劑固化機(jī)理的試驗(yàn)方法,多是借助掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射儀,從微觀角度來(lái)研究土壤結(jié)構(gòu)的變化和新物質(zhì)的生成。土壤固化劑的固化機(jī)理歸納總結(jié)起來(lái),可以概括為物理力學(xué)過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和物理化學(xué)過(guò)程3大過(guò)程。物理力學(xué)過(guò)程是指土壤固化劑在固化土壤時(shí),土料經(jīng)過(guò)粉碎、拌合和壓實(shí),土體的基本單元在外力的作用下彼此靠近,從而減少土體的空隙率,

22、增大密實(shí)度,降低滲水性,這種過(guò)程是可逆的,土體的強(qiáng)度隨著外界條件的改變會(huì)發(fā)生變化。物理力學(xué)過(guò)程是一種最簡(jiǎn)單、最基本的加固手段,但該過(guò)程是任何類型的土壤固化劑在固化土壤時(shí)都必需的,因?yàn)楣袒寥赖拿芏群屯寥拦袒瘎┰谕馏w中的均勻性,對(duì)強(qiáng)度的形成具有非常重要的作用?；瘜W(xué)過(guò)程是指土壤固化劑在固化土壤的過(guò)程中,其本身組分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、土體與土壤固化劑中的某些組分發(fā)生的反應(yīng)等。前者包括無(wú)機(jī)類土壤固化劑材料本身的水解與水化反應(yīng)、與空氣中二氧化碳的碳酸化反應(yīng),有機(jī)類土壤固化劑的聚合與縮聚反應(yīng)等;后者如土壤固化劑中的組分與土壤顆粒之間的火山灰反應(yīng)、有機(jī)高分子與土壤顆粒表面間的絡(luò)合反應(yīng)等。物理化學(xué)過(guò)程主要指土壤顆

23、粒與土壤固化劑中各組分的吸附過(guò)程,包括物理吸附、化學(xué)吸附和物理化學(xué)吸附。物理吸附指在分子力的作用下,土體的基本單元將土壤固化劑中的某些組分吸附在其表面,使其表面自由能得以降低?；瘜W(xué)吸附指吸附劑與被吸附物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成新的不溶性物質(zhì),并在吸附劑與被吸附物質(zhì)之間形成化學(xué)鍵。物理。以上這3種過(guò)程因土壤固化劑的成分不同而不同,但是這3種過(guò)程并不是相互孤立的,而是相互聯(lián)系和相互促進(jìn)的。在這3種過(guò)程中,只有化學(xué)過(guò)程和物理化學(xué)過(guò)程能使土體的力學(xué)性能、抗?jié)B性能、耐久性能等工程性能得以改善,而物理力學(xué)過(guò)程則是保證化學(xué)過(guò)程和物理化學(xué)過(guò)程更好地發(fā)揮作用。國(guó)產(chǎn)土壤固化劑一般為粉狀,其研究大多從水泥的加固機(jī)理

24、出發(fā),通過(guò)在各種基質(zhì)材料中添加不同激發(fā)劑來(lái)提高土壤的工程性能。雖然土壤加固劑配方不同,但加固機(jī)理卻相同。其作用機(jī)理一般為:當(dāng)土壤固化劑與含有一定水分的土壤混合后,即發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)。首先,在土壤中大量形成富含結(jié)晶水的針狀結(jié)晶體,穿插在土壤顆?？障堕g形成強(qiáng)度骨架;其次,硅酸鹽類水化物填充在強(qiáng)度骨架之中,使固化體系進(jìn)一步密實(shí);最后,在激發(fā)劑的劇烈作用下,土壤固化劑和部分土壤顆粒參加化學(xué)反應(yīng),使加固土具有不可逆的、良好的耐久性17-19。液粉加固劑的加固機(jī)理是基于電化學(xué)機(jī)理,將其溶于水后形成的溶液,噴灑于土壤中,溶液中的高價(jià)離子可以改變土壤顆粒表面電荷的特性,降低土壤顆粒間的排斥力,破壞土壤顆

25、粒的吸附水膜,提高土壤顆粒間的吸附力,同時(shí)形成結(jié)晶鹽,在壓實(shí)的條件下綜合提高土壤的承載性能和抗?jié)B性能。4土壤固化劑的固化性能土壤固化劑的應(yīng)用領(lǐng)域很廣,而不同領(lǐng)域?qū)袒恋男阅芤蟛煌?所以其固化性能的研究也就因工程要求不同而異。土壤固化劑的固化性能可以通過(guò)力學(xué)性能、耐久性能和變形性能來(lái)反映。由于土壤固化劑目前還沒(méi)有統(tǒng)一的、專門(mén)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),一般還是參考水泥土材料試驗(yàn)方法或土工試驗(yàn)規(guī)程、水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程和公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程中的方法來(lái)進(jìn)行。第2期樊恒輝等:土壤固化劑研究現(xiàn)狀與展望145抗拉、抗折和固化土的力學(xué)性能試驗(yàn)包括抗壓、抗剪等。由于抗壓強(qiáng)度是固化土材料最基本的、最具其不僅是工

26、程設(shè)計(jì)的主要依據(jù),而有代表性的指標(biāo),且與固化土的其他性能密切相關(guān)。因此,目前對(duì)于抗壓強(qiáng)度的研究較多,且研究主要集中在抗壓強(qiáng)度的影響因素方面。一般而言,影響固化土力學(xué)性能的主要因素有土質(zhì)、土壤固化劑摻量、齡期、密度和含水率及養(yǎng)護(hù)條件等。其中土質(zhì)、土壤固化劑摻量和密度是影響固化土力學(xué)性能的3大要素。土壤固化劑的得了一批重要的科研成果。但是,在土壤固化劑的研究應(yīng)用領(lǐng)域仍然存在若干亟待解決的問(wèn)題。土壤固化劑的研制應(yīng)同時(shí)考慮針對(duì)性和兼(1)土壤顆粒組成、容性。由于自然界的土質(zhì)復(fù)雜多變,礦物成分和化學(xué)成分往往因成土條件的不同而不由于自然界中各種土壤分布的不均勻性,造成施工過(guò)程中土質(zhì)的不確定性。因此,在研制

27、土壤固化劑時(shí),應(yīng)當(dāng)兼顧土壤固化劑的針對(duì)性和兼容性,從而使土壤固化劑具有較大的應(yīng)用范圍。同,導(dǎo)致土壤固化劑的固化性能有很大差異。但是,摻量越高,密度越大,則固化土的抗壓強(qiáng)度越高。即使同種土壤固化劑也會(huì)由于土質(zhì)的不同,而導(dǎo)致其固化性能不同。因此,研究適合不同土質(zhì)的土壤固化劑,或研究兼容性較強(qiáng)的土壤固化劑,是目前土壤固化劑的研究方向之一。土壤固化劑的耐久性能研究主要包括固化土的抗?jié)B性能、抗凍性能、耐干濕循壞能力等,在特殊的領(lǐng)域還包括耐腐蝕性能、耐沖刷性能等。土壤固化劑雖然具有較高的力學(xué)性能,但是由于土壤中親水性黏土礦物含量高,所以對(duì)固化土的耐久性能具有較大的影響。試驗(yàn)29-30證明,影響固化土力學(xué)性

28、能的因素,對(duì)固化土的耐久性能也有顯著影響。在固化土耐久性能試驗(yàn)中,研究較多的是固化土的抗?jié)B性能和抗凍性能。有研究31表明,固化土具有較高的抗?jié)B性能,土壤固化劑的變形性能研究主要包括固化土的受力變形、體積變形等。受力變形指固化土構(gòu)件在承受拉伸力或壓縮力時(shí)產(chǎn)生的變形。體積變形指固化土構(gòu)件在成型后,由于環(huán)境變化而引起的變形,如溫度、濕度等,一般包括干縮變形、濕脹變形和凍脹變形。固化土的變形性能研究,主要集中在受力變形和干縮變形方面,其他方面的變形研究相對(duì)較少。5存在的若干問(wèn)題與研究方向國(guó)內(nèi)土壤固化劑研發(fā)、應(yīng)用起步比較晚,很多土壤固化劑研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù),來(lái)源于美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)企業(yè)和研究單位在引

29、進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí),自主開(kāi)發(fā)了適合我國(guó)國(guó)情的土壤固化劑,均取(2)深入研究土壤固化劑的基礎(chǔ)理論。土壤固化學(xué)是一門(mén)邊緣學(xué)科,其涉及到土壤化學(xué)、巖土力學(xué)、有機(jī)高分子化學(xué)、材料工程、環(huán)境工程等眾多學(xué)科的知識(shí)。因此,土壤固化劑的基礎(chǔ)理論研究非常復(fù)雜。由于土壤固化劑的基礎(chǔ)理論,對(duì)于生產(chǎn)、施工等具有不可替代的理論指導(dǎo)作用,所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)交叉學(xué)科的合作研究,深入研究土壤固化劑的基礎(chǔ)理論。(3)加強(qiáng)固化土的性能研究,制定土壤固化劑的試驗(yàn)規(guī)程。由于土壤固化劑的應(yīng)用領(lǐng)域不同,不同工程要求的固化性能指標(biāo)也就有所不同。應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程的需求,有針對(duì)性的進(jìn)行固化土的性能研究。目前,土壤固化劑還沒(méi)有統(tǒng)一的、專門(mén)的試驗(yàn)規(guī)程,對(duì)

30、各種土壤固化劑的研究與比較造成了困難。因此,應(yīng)制定土壤固化劑的試驗(yàn)規(guī)程。(4)在進(jìn)行土壤固化施工工藝研究的同時(shí),研制專用的施工設(shè)備。土壤固化劑適用范圍廣,可以應(yīng)用在水利工程、地基加固、路基處理等領(lǐng)域,但是由于各個(gè)領(lǐng)域的要求不同,使得施工工藝也不同,使用的設(shè)備也有差異。應(yīng)進(jìn)行土壤固化劑施工工藝的研究,并研制專用的施工機(jī)具和設(shè)備,提高施工效率。6結(jié)語(yǔ)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)土壤固化劑的研究起步較早,主要從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā),綜合土力學(xué)、土壤化學(xué)、有機(jī)高分子化學(xué)、化學(xué)工程、材料工程、環(huán)境工程等多學(xué)科知識(shí),形成跨領(lǐng)域的交叉科學(xué)-土壤固化學(xué)。美國(guó)、日本等國(guó)從各領(lǐng)域的基本要求出發(fā),研制出適合不同要求的土壤固化劑,并

31、且已經(jīng)取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái),國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員開(kāi)始自主研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的土壤固化劑,國(guó)產(chǎn)土壤固化劑逐漸形成了一定的規(guī)模,許多品牌的土壤固化劑開(kāi)始在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用,并取得了良好的效果。但是,應(yīng)當(dāng)對(duì)土壤固化劑的兼容性或特殊性、固化機(jī)理、性能和工藝等繼續(xù)進(jìn)行深入的研究。146西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第34卷土壤固化劑作為一種新型的土木工程材料,其發(fā)展都需要一個(gè)過(guò)程。已有的工程實(shí)踐證明,產(chǎn)生、土壤固化劑在工程領(lǐng)域有著良好的性能和巨大的發(fā)相信在未來(lái)的工程領(lǐng)域中,土壤固化劑將會(huì)展?jié)摿?。有著美好的?yīng)用前景。發(fā)揮更大的作用,參考文獻(xiàn)魏金照,孫麗玲.膠凝材料上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2劉巽伯,.1

32、990.M3肖林,王春義,郭漢生.建筑材料水泥土北京:水利電力出版社,.1987.M216.453-463.1714:25-32.11Mu.:njedMA,MousaFA.TheuseofburnedsludgeasanewsoilstabilizingagentCMissouriASCENationalConferenceon13S.2s-1997-2001.:aboundjianSSubbasetreatmentusingEMCoilstabilizerFinalreptRJuneauAlaskaDeptofTransportationandPublic15T.,2002,hecanCCS

33、oilbindingpropertiesofmucilageproducedbyabasidiomycetefungusinamodelsystemJMycologicalResearch106(8):930-937.張書(shū)生.公路交通科技,17黃曉明,.2002,19(3):23-27.TR型土壤固化劑路用性能試驗(yàn)研究J何18梁文泉,20彭22季27Z,.-.hiaoSLarryEEricksonmathematicalmodeldevelopmentandsimulationofinsitustabilizationinleadcontaminatedsoilsJJournal28Wa,.n

34、gYM,ChenTCYehKJetalShuestabilizationofanelevatedheavymetalcontaminatedsiteJJournalofHazardous斌.凍融循環(huán)對(duì)水泥土力學(xué)性質(zhì)影響的研究低溫建筑技術(shù),.2004(5):10-12.J陳四利,劉30寧寶亮,下轉(zhuǎn)第1(52頁(yè))152西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第34卷辛鴻博,高艷平,等.預(yù)測(cè)巖土邊坡地震崩滑的綜合指標(biāo)法研究巖土工程學(xué)報(bào),.2001,23(3):311-314.38王余慶,J王思敬.邊坡模型振動(dòng)試驗(yàn)研究王思敬.巖體工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題(七)北京:科學(xué)出版社,39王存玉,/.1987.MTheev

35、aluationofseismicdynamicstabilityofrockslope,-,SHIDanCHENYunshengHANXinCHENGang710048,)(-,ShaanxiChinaInstituteofWaterResourcesandHydroelectricEngineeringXi'anUniversityofTechnologyXi'an:.AbstractLandslidesaretheusualdisastersinducedfromearthquakeThemechanicalpropertiesof.rockandtheresponseandstabilityofrockslopeunderseismicloadsareveryimportantinstudyThe,.developmentapplicationandcharacteristicsofthecontentsaresummarizedinthispaperThecurrentresearchesforthestabilityanalysisofrockslopesunderseismicload