固化剂在膨胀土改良中的应用

李 威，王协群，申雅卓，徐加俊

(武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉430070)

0 引 言

膨胀土在我国分布十分广泛。膨胀土吸水膨胀软化，失水收缩开裂，并且膨胀-收缩-再膨胀的往复变形特性非常显著。建造在膨胀土地基上的堤防、渠道底部与边坡、轻型房屋以及低路堤等，会随季节气候的变化，因膨胀土反复不断的胀缩，产生崩塌、滑坡和不均匀沉降等破坏，而且这种工程危害具有长期性。比如，在三峡库区，膨胀土是许多滑坡、滑塌和泥石流发生的重要原因[1]；在南水北调中线工程中，超过380km的渠段是建设于膨胀土之上的，渠坡稳定成为重点研究课题[2,3]。裂隙性是膨胀渠坡(土坡)失稳的根本原因，而超固结性和胀缩性对渠坡稳定的影响都是通过裂隙性来表现的[4]。

膨胀土作为一种典型的特殊土，其化学成分主要是Fe2O3、Al2O3和SiO2，其矿物成分主要由强亲水性的蒙脱石和伊利石组成。目前有关膨胀土的膨胀收缩机制的理论有很多种，并无统一定论。其中较普遍被接受的是双电层理论。该理论认为：黏土矿物晶格中高价的Si+4和Al3+发生同晶置换而被Mg2+或Ca2+所取代，负电荷聚集在黏土颗粒的表面，导致黏土颗粒表面产生静电场。表面带负电荷的黏土颗粒在电场力的作用下，会吸附土壤中的游离正电荷，在固液界面上产生两层等量反号的电荷层，即构成“双电层”。双电层中的极化水分子和特性吸附阳离子吸附在黏土颗粒表面，形成结合水膜。当含水率增加时，膨胀土颗粒周围的水化膜厚度变厚，黏土矿物颗粒之间的间距变大，宏观表现为膨胀土的体积变大；当含水率减小时则相反。

胶体溶液浓度的变化对双电层的厚度也会产生显著的影响。溶液浓度增加，双电层变薄，结合水膜厚度下降，膨胀土体积收缩[5]。胶体微粒受电解质影响使双电层变薄的理论称为双电层压缩理论。利用这一理论，可以通过改变黏土中电解质的成分或浓度，如使用各种固化剂，从而改变双电层的厚度，达到抑制膨胀土膨胀性的效果。

1 膨胀土固化剂分类

由于膨胀土具有不良的工程性质，因此在膨胀土地区修建渠道、挡墙、轻型建筑、路基等工程时，必须首先对膨胀土进行处理。常用的方法有：换填法、物理力学加固法、化学加固法和生物法等。在这些处理方法中，固化剂改良法具有很好的性价比[6]。比如在南水北调中线工程中，水泥改性成为处理膨胀土渠道的首选方案[7]。

固化剂改良法的适用范围较广，不仅能提高渠坡的强度和稳定性，还能改善渠道的防渗性能，并且施工与维护方便，原材料来源广泛。此外，还能起到保护环境的作用。

按固化机理的不同，膨胀土固化剂可分为无机化合类固化剂、离子类固化剂和有机高聚合物类固化剂。

1.1 无机类固化剂

无机固化剂通常为固体粉末状，在工程中应用较多的有石灰、水泥以及粉煤灰等工业废渣类固化剂。

1.1.1 石灰类固化剂

石灰是使用最早和最为广泛的土壤固化剂[8,9]。Thompson于1966年使用石灰改良膨胀土的方法并对石灰改良膨胀土的机制进行了研究，认为石灰加固膨胀土可分为两个阶段：阳离子交换和凝聚结块改良了黏土矿物的电荷，导致膨胀土的可塑性增大；碳化作用与凝聚提高了土的承载能力。在膨胀土中掺入一定量的石灰，土中钙离子的浓度上升，导致蒙脱石等矿物质中的钠离子被置换，黏土颗粒表面的水膜厚度变薄，加强了黏土颗粒间的黏接。谭松林等[10]使用石灰对荆宜高速工程中的膨胀土改良进行了研究，得出改良膨胀土的自由膨胀率和膨胀量等参数降低，抗剪强度和CBR(California bearing ratio)提高，同时指出膨胀土存在最佳石灰掺量。郭爱国等[11]人通过试验得出石灰改良膨胀土的施工最优含水率应比室内击实试验得出的最优含水率大3%左右。旺明武等[12,13]对石灰改良膨胀土的非饱和强度进行了研究，指出等值围压下改良膨胀土的抗剪强度、残余强度等随基质吸力的增加而提高。

1.1.2 水泥类固化剂

近年来，水泥对膨胀土改良的研究得到了进一步的发展。吴新明[14]研究了不同水泥掺量对膨胀土自由膨胀率、液塑限、无侧限抗压强度的影响，得到了膨胀土试样的最佳水泥掺入比(8%)。唐云伟等[15]研究了水泥掺量、养护龄期对膨胀土无侧限抗压强度的影响，结果表明水泥掺量对提高膨胀土强度有较显著效果，强度随养护龄期增加而增大，但主要来源于前14d的养护，并建议该地区的水泥掺量控制在7%附近。刘兴[16]采用南水北调中线工程平顶山段的水泥改性膨胀土进行室内和室外试验，结果表明水泥改性后的膨胀土的膨胀率明显降低、土体稳定性显著提高，为平顶山段输水渠道水泥改性膨胀土的设计和施工提供了重要参考。相关研究均表明，水泥掺量增加到一定程度后，膨胀土强度的增加并不明显，且水化反应导致的体积收缩可能引起裂缝。基于经济性和改性效果等方面的综合考虑，建议改良膨胀土的水泥掺入量在4%～10%。

1.1.3 掺固体废弃物无机固化剂

目前已有很多工程采用粉煤灰、电石渣、矿渣等固体废弃物，配合石灰和水泥对膨胀土进行综合改良。张雁等[17]人研究了使用石灰和煤矸石共同改良膨胀土，结果表明：使用石灰和煤矸石综合改良膨胀土在塑性、抗剪性和击实性等方面都优于石灰单独作用的膨胀土。查甫生[18]的试验结果表明：随着膨胀土中电石渣掺量的增加，膨胀土的最优含水率也随之增加，最大干密度则随之下降；同时研究了养护龄期对电石渣改良膨胀土的线缩率、压缩模量、压实系数、自由膨胀率、抗剪强度等参数的影响；建议电石渣的最优掺量为10%左右。利用废渣改良膨胀土，不仅有利于膨胀土工程性质的提高，而且经济环保。但废渣改良膨胀土的早期强度不高，且需要配合石灰、水泥等材料才能较好地发挥作用。

石灰、水泥等无机固化剂虽然有诸多优点，但是水泥加固土往往收缩较大，开裂风险较高，石灰土则早期强度低，发展慢，且水泥和石灰对塑性指数高的黏土、有机土和盐渍土固化效果较差，甚至有时无固化作用。

1.2 离子固化剂

离子固化剂(Ionic Soil Stabilizer)简称ISS。将离子固化剂与土均匀压实后，能够改变黏性土颗粒表面双电层结构，永久性的把土的亲水性变成憎水性，使土颗粒更加紧凑，结构更加稳定。国际上知名的离子固化剂有EN-1、ISS2000、CBR PLUS和ROAD BOND等。ISS加固土具有以下特点：①与传统的无机类固化剂相比，它属于柔性材料，抗裂性能较好，易形成板状结构；②使用ISS时，经稀释后均匀喷洒到土中，应用于路基工程时，施工完24h后即可开放交通；③对土的固化作用永久有效。

zheng[19]利用力学试验和微观观测，对离子固化剂Conaid进行了研究，研究结果表明:该离子固化剂能够有效地减少土颗粒与自由水的结合，使土体体积减小，显著降低在干湿循环作用下膨胀土胀缩对路面的破坏作用。

刘清秉等[20]以ISS对安阳地区膨胀土开展改良试验研究，发现改良膨胀土线缩率减少，抗剪强度提高，与膨胀有关的参数下降，水稳定性增强，膨胀土土体性质由亲水性变成憎水性，从根本上减少了膨胀土的吸水和膨胀性能。

时红莲等[21]人研究了初始含水率对ISS改良膨胀土效果的影响，认为初始含水率在11%～30%区间内效果显著。这是因为当膨胀土初始含水率过低时，靠毛细吸力吸附的固化剂不能与所有黏土颗粒进行反应；当初始含水率过高时，溶液渗透到膨胀土表面的固化剂也不能够与所有黏土颗粒反应。该研究对于工程现场应用ISS改性膨胀土有一定的参考价值。

离子固化剂也存在着一些的缺点，如抗水性能较差、受环境影响较大、前期固结较低和需要掺加水泥等添加剂以改良膨胀土，处理碱性较强的膨胀土的效果较差。

1.3 有机聚合物固化剂

常用的有机聚合物固化剂主要有丙烯酸盐类、聚丁二烯类、环氧树脂类、脲醛树脂类等。聚合物与黏土矿物很少发生化学反应，其固化膨胀土主要依靠包裹、机械咬合等方式来加强土颗粒间的黏接程度。与石灰等无机类固化剂相比，具有渗透性好且凝结时间可调等优点，同时也解决了无机类固化剂在施工中拌和难的难题。

地网膜(一种有机聚合物固化剂)可用于改良膨胀土。该固化剂主要由液体聚丁二烯、湿化剂、催化剂与泡沫抑制剂结合而成。研究得出，聚丁二烯对膨胀土的可塑性有较大的影响，特别是在聚合物含量较高时，膨胀土的可塑性显著下降，聚丁二烯能够明显增加膨胀土的无侧限抗压强度且随龄期有增大的趋势。张伟利[22]利用阳离子聚丙烯酰胺CPAM(水溶性高分子聚合物)改良膨胀土。试验表明。当CPAM掺量增加时，改性膨胀土的自由膨胀率先减少后增大。因为过量的聚丙烯酰胺水解后形成絮状物会导致土的膨胀土体积增大；掺量在0.1%～0.5%之间，改良效果较好。采用2.5%的 +0.5%的CPAM复配方案，对土体强度、抗渗性、水稳定性等都有明显改善。由于聚合反应过程中不吸收水，吸附在土颗粒的水膜会影响聚合物网对土颗粒的作用，有机高聚合物类固化剂在降低膨胀土的膨胀性和增加土体强度作用相对较小。所以往往通过增大掺量的方法到达到土中聚合物网络分布均匀的目标。由于经济成本较高、加固效果差等原因限制了有机高聚合物类固化剂的应用。

1.4 组合固化剂

使用单一的土壤固化剂改良膨胀土，往往存在一些不足。所以越来越多的研究者开始使用两种或两种以上的固化剂以组合的形式来改善土的性质。孟永盛[23]使用磺化油DAH固化剂与石灰混合液改良广西膨胀土，研究表明：改良后的膨胀土胀缩性显著降低，力学性能明显得到改善；与石灰单独改良膨胀土相比，DAH和石灰混合液综合了石灰和DAH固化剂优点 ，改良效果更好。此外，研究者也开始采用化学改良法和物理改良法来共同改善膨胀土的性能。陈雷等[24]使用纤维加筋和石灰共同改良膨胀土，结果表明，使用纤维加筋和石灰结合改良膨胀土的方法，对抑制膨胀土的膨胀性与增加膨胀土的强度效果显著。这种联合作用改善膨胀土的方法在未来会越来越多。

2 固化机理分析

通常采用化学分析、SEM扫描、X射线衍射、BET测试等系列物化及微观试验对膨胀土加固机理进行研究。土体固化的本质是由于物理和化学过程改变界面接触形式，使土结构密实或生成新的物质作为骨架和填充孔隙，从而改良土体性能。

2.1 无机类固化剂

关于无机类固化剂改良膨胀土作用机理的研究较多。以石灰为例：石灰的主要成分是CaO和MgO。随着两种矿物含量增大，活性增强，胶结能力也越强。石灰改良膨胀土大致是通过下列四个作用：

离子交换：当生石灰掺入膨胀土后，在膨胀土中水的作用下，首先发生消解反应，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，与此同时离解出的二价Ca2+和Mg2+。随着膨胀土孔隙溶液中Ca2+和Mg2+浓度的增加，可以很简单地置换出土颗粒所吸附的K+、Na+等低价阳离子，二价Ca2+和Mg2+的结合水膜厚度远小于K+和Na+的结合水膜厚度，Ca2+和Mg2+置换K+和Na+的过程就是黏性土表面水膜厚度不断变薄的过程，宏观表现为膨胀土的膨胀性和收缩性降低，吸水量下降。离子交换的过程有利于膨胀土土体稳定成型，提高改良土的早期强度。

碳酸化作用：在pH较高的环境中，矿物中Mg2+生成Mg(OH)2和生石灰消解产生的Ca(OH)2继续与土体中的CO2气体反应，生成具有较高强度和水稳定性较好的MgCO3和CaCO3，CaCO3和MgCO3固体颗粒的形成进一步加强了土体的胶结作用，有利于石灰土变得稳定。长期的碳酸化作用，石灰土的强度进一步提高。

凝胶反应：石灰掺入膨胀土中发生离子交换的后期，膨胀土中的氧化硅和氧化铝与石灰进一步反应形成水化硅酸盐和水化铝酸盐。随着这两种水硬性凝胶的强度逐渐提高，在膨胀土颗粒表面形成一层有较强黏接力的稳定保护膜，最终成为网状结构将土颗粒团聚起来。随着龄期的增长，凝胶结构层缓慢变厚，石灰改良膨胀土的强度也得到逐渐提高，有利于膨胀土长期的稳定。

结晶作用：将生石灰掺入膨胀土中，生成的Ca(OH)2在水中的溶解度很小，经消解后，少部分发生离子交换作用和碳酸化作用，大多数以Ca(OH)2·nH2O的形式结晶，形成的晶体在碳酸化作用下，膨胀土的强度和水稳定性都有所提高。

水泥等无机材料固化膨胀土的机理和石灰类似。水泥对膨胀土的固化主要体现在水泥水解水化反应过程中，生成氢氧化钙和硅酸盐、铝酸盐等。氢氧化钙可以进一步与黏土中的矿物成分发生化学反应，生成凝胶物质，一定程度上降低了亲水矿物的含量，同时提高土颗粒间的黏接强度，离解出Ca2+与吸附在黏土颗粒表面的低价离子发生离子交换反应，膨胀土颗粒表面的结合水膜变薄，土颗粒吸水性能得到改善并团粒化，膨胀土的水稳性增强。粉煤灰与水泥或石灰复合改良膨胀土时，粉煤灰中所含的大量酸性氧化物Al2O3和SiO2，能与水泥和石灰中在膨胀土中形成的Ca(OH)2发生二次反应，生成水化铝酸钙和水化硅酸钙等较稳定的低钙水化物，随着胶凝性物质不断团粒化，强度较高的空间网架结构缓慢形成，增强了土体的抗溶蚀能力。

2.2 离子类固化剂

刘秉清、杨青等[25,26]人通过化学分析、XRD、SEM、BET、阳离子交换量等试验手段，基于渗透液性质、微观结构形态、固化前后矿物成分和土颗粒孔隙结构特征等对离子固化剂的加固膨胀土的机理展开研究，揭示了离子固化剂的固化机理。离子固化剂是一种电解质，当它溶于水时，电解出的阳离子与膨胀土颗粒表面吸附的低价阳离子如K+、Na+等发生离子交换反应，导致以前吸附在膨胀土颗粒表面亲水性极高的阳离子被赶走，其结果是减少了膨胀土颗粒表面双电层的厚度，结合水膜变薄，从而引起膨胀土颗粒间作用力发生改变，膨胀土的胀缩性明显降低。由于膨胀土颗粒表面双电层厚度减少，土颗粒间相互的吸引力增强，使得土颗粒间的间距减少，不断地聚集、凝结并逐步形成更大的颗粒，土体不断密实，强度进一步提高。同时，由于固化后的膨胀土颗粒表面由亲水性变为憎水性，以及土颗粒更加密实，土中的水分子较难进入土颗粒间，膨胀土遇水膨胀，失水收缩的性质得以改善，膨胀土的水稳定性、强度等参数有所提高。

2.3 高聚合物固化剂

高聚合物固化剂基本上是通过有机聚合物的聚合反应形成立体结构网络来改善膨胀土的性能。

常采用聚合物单体、引发剂和少量石灰等无机材料一起加入土中，在土中发生聚合反应，经历链的引发和不断增长等过程，最终形成不溶于水的立体网状高分子凝胶体。土颗粒被强度高、塑性好的高分子有机链包围，形成一个立体网结构。正是由于这一结构的存在，提高了土颗粒间的黏接强度，宏观表现为土的强度提高。此外，有机网状高聚物凝胶体是一种憎水材料，可有效降低土中水的渗入和渗出，促进膨胀土的固化。但是由于高聚物本身基本不与土颗粒中的矿物发生化学反应，高聚物固化剂对土颗粒表面的吸附水膜影响小，仅靠包裹、机械咬合等物理作用为提高土颗粒间的黏接作用。所以有机高聚物类固化剂在减少土的膨胀性、增加土体强度和改善土的水稳定性等方面作用不是很显著。

3 待进一步研究的问题

土壤固化剂兴起于20世纪50年代，历经半个多世纪的发展，已经取得了重要进展。国内自20世纪80年代引入土壤固化剂以来，关于它的研究和应用方面也取得了一系列的成果。但与此同时，也还有许多问题有待进一步研究。

(1)现阶段对固化剂改良膨胀土的研究，大多数学者只是针对某一地区特定的膨胀土开展的。然而自然界中的膨胀土因为矿物成分、颗粒组成或成因等不同，不同地区的膨胀土性质存在较大的差异。使用相同配比的固化剂处理不同地区的膨胀土，固化效果有可能存在很大差异。因此，应进一步研究应用范围广、改性效果好的膨胀土固化剂。

(2)土壤固化剂涉及了岩土力学、化学、环境工程、材料科学等学科，其基础理论非常复杂，因此进一步加强土壤固化剂基础理论的研究很有必要。同时，我国现阶段采用《土工试验规程》SL237-1999和《土工试验方法标准》GBT50123-1999研究固化膨胀土，缺乏针对性。因此需要尽快编制对土壤固化剂适用性更好的国家标准和试验规范。

(3)土壤固化剂的固化机理的研究还处在一个定性阶段，对于固化剂的作用机理大多数只能定性的描述，无法做到定量的分析。土壤固化剂固化机理的研究有待于进一步加强。

(4)使用单一的土壤固化剂改良膨胀土，往往存在一些不足。因此越来越多的研究者开始采用两种或两种以上的组合固化剂改善膨胀土的工程性质，可以预见，复合固化剂改善膨胀土的方法在未来会越来越多。

(5)膨胀土作为一种典型的非饱和土，而现阶段关于膨胀土改性的研究绝大多数以饱和土的理论和试验方法进行的。因此应采用非饱和土力学理论研究固化膨胀土。

4 结 语

(1)本文在对膨胀土固化剂进行分类的基础上，进一步总结和分析了不同类型固化剂固化膨胀土的作用机理；

(2)介绍了水泥固化剂在改性南水北调中线工程膨胀土渠道填筑中的应用；

(3)建议研究适用性广的固化剂、编制针对固化剂的标准和规范等；建议研究复合固化剂处理膨胀土机理、采用非饱和土力学的理论研究固化膨胀土等等。

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