粉土固化技術(shù)及其機(jī)理研究進(jìn)展

樊亮，周圣杰，侯佳林，王林

(1.山東省交通科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250013；2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

粉土作為一種過渡土，其主體為粉粒，顆粒直徑在 0.005～0.075 mm 之間，其中＞0.075 mm 的顆粒所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜50%，而塑性指數(shù) IP＜10。 其整體結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低，具有顯著的毛細(xì)現(xiàn)象，浸水后土體顆粒之間幾乎沒有粘結(jié)力，摩阻力極小、水穩(wěn)定性極差。 這種工程不良性質(zhì)，限制了粉體在路基中的應(yīng)用；如何科學(xué)改良、利用粉土成為廣大土木工作者普遍關(guān)注的問題。 特別是近年來，我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施過程中，很多粉土地區(qū)砂石料資源緊張，相應(yīng)地區(qū)道路建設(shè)和升級工作面臨筑路成本攀升的問題。如何就地取材、充分利用粉土資源成了具有巨大社會(huì)意義的攻關(guān)方向。

粉土的特殊性源于其組成，不同地域的粉土顆粒組成存在差異。 張燕明等[1]對新疆、內(nèi)蒙、陜西、河南、山東等地的粉土調(diào)查表明:當(dāng)粉土區(qū)域由西向東變化時(shí)，砂粒(0.075 ～2 mm)含量逐步減少，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)由87.9%降低到0；粉粒(0.005 ～0.075 mm)的含量逐步增多，所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)由8.8%增加到96.8%；黏粒(≤0.005 mm)含量則較為穩(wěn)定，基本保持在＜10%。 其中，黃河沿岸砂粒含量偏高是由黃河沖淤積泥沙造就，內(nèi)蒙古西部則由于風(fēng)力攜帶作用帶來砂粒含量偏高。 顆粒組成的差別引起各地粉土的物理性質(zhì)變化，如液塑限、最大干密度、最佳含水率和強(qiáng)度等；在區(qū)域由西向東的整體趨勢上，粉土液限值和塑限值逐漸變大，液限由22.4%提高到31.6%，塑限由15.4%提高到21.6%，塑性指數(shù)則在10 附近浮動(dòng)；這些區(qū)域粉土的組成和性質(zhì)差異，也帶來了粉土固化技術(shù)上的差別。

除顆粒組成外，影響粉土固化的另外重要因素是土的物質(zhì)組成，且其影響更為復(fù)雜。 由于沉積相環(huán)境不同，土的礦物成分、可溶鹽和有機(jī)質(zhì)等含量不同，導(dǎo)致粉土的化學(xué)活性差異。 如黃河沖積平原粉土化學(xué)成分主要為石英、長石、碳酸鹽礦物、云母、角閃石等，非黏土礦物含量高達(dá)89%，相對于黃土高原和黃河中游的第四系沉積層相比，其碳酸鹽礦物含量豐富，平均含量為10%～15%。 廢黃河區(qū)粉土中SiO2和Al2O3的含量高；其次為Fe，并含有少量的K2O、Na2O 等，造成粉土承載比 (California Bearing Ratio， CBR)較低；加之水流作用，黃河粉土顆粒磨圓度高且均勻，但其表面強(qiáng)度低，造成黃河沖淤積粉土的CBR 偏低，97%壓實(shí)度條件下承載比CBR 也不能滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于上路床的基本要求[2-3]。 因此，不同地區(qū)的粉土應(yīng)該具有不同的粉土固化材料與技術(shù)，相應(yīng)壓實(shí)工藝也應(yīng)有所不同。

總體來看，粉土施工難以成型，且強(qiáng)度低和抵抗水損害的能力下降是其工程性質(zhì)不良的直接后果。粉土三軸剪切試驗(yàn)中的剪脹性明顯，低應(yīng)力水平下塑性差，傾向于脆性破壞，施工難以成型[4]；在承受車輛荷載作用時(shí)，純粉土路基不具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以及在外界因素作用下的穩(wěn)定性。 這與現(xiàn)行路基要求差距甚遠(yuǎn)。 為了保障服役期間道路的正常功能，粉土的穩(wěn)定性是路基工程關(guān)鍵所在。

1 粉土固化技術(shù)

近幾年，粉土固化除在沿用傳統(tǒng)固化穩(wěn)定材料外，出現(xiàn)了較多新型固化材料和技術(shù)。 一般地，土壤固化主要分為無機(jī)固化(穩(wěn)定)和高分子固化技術(shù)兩類，同時(shí)一些生物酶和微生物礦化技術(shù)等生物固化類也得以應(yīng)用。 文章結(jié)合既有文獻(xiàn)和實(shí)踐，綜述了3 類粉土技術(shù)中使用的穩(wěn)定/固化材料，闡述了不同固化材料的適用性和固化機(jī)理。

1.1 無機(jī)固化技術(shù)

(1) 常規(guī)穩(wěn)定材料

常見的石灰、水泥、粉煤灰等無機(jī)結(jié)合料屬于鈣基類穩(wěn)定材料，主要利用鈣離子交換和火山灰反應(yīng)，以及Ca(OH)2的結(jié)晶、碳化來增強(qiáng)土的穩(wěn)定效果。這類穩(wěn)定材料在非特殊土的固化機(jī)理上具有良好的應(yīng)用效果。

對水泥穩(wěn)定土而言，其穩(wěn)定的顆粒尺寸越大，溫縮效應(yīng)越小；一般適用于塑性指數(shù)＜17 的土，對于塑性指數(shù)高的黏土、高分子土和鹽漬土的固化效果很不理想。 粉土的塑性指數(shù)較小，原生礦物含量多，常常需要較大的水泥劑量進(jìn)行穩(wěn)定。 陳貝等[5]對粉土水泥穩(wěn)定時(shí)，需添加＞13%的水泥才能滿足二級路路基抗壓強(qiáng)度的要求。 大摻量的水泥不可避免地帶來土體干縮大、易開裂的問題。 研究表明，高含水率時(shí)，水泥穩(wěn)定粉土表現(xiàn)為塑性剪切破壞；低含水率時(shí)則為脆性剪切破壞，隨水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期地增加，水泥穩(wěn)定粉土的彈塑性變形減小，脆性破壞顯著加強(qiáng)[6]。 因此，很多國家限制了水泥摻量，美國、日本的上限為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、法國為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，我國有關(guān)資料則表明水泥用量需控制在4%～7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))內(nèi)。 同時(shí)，水泥的初凝、終凝時(shí)間無法調(diào)整，也帶來穩(wěn)定土施工和質(zhì)量控制上的不利影響。

石灰一般用于穩(wěn)定黏土、腐殖土和酸性土，要比水泥優(yōu)越，并不適合粉土[7]。 商慶森等[8-9]對黃河沖(淤)積粉土進(jìn)行土質(zhì)分析和生石灰粉穩(wěn)定土強(qiáng)度試驗(yàn)，認(rèn)為生石灰粉穩(wěn)定土的強(qiáng)度較消石灰穩(wěn)定土無明顯提高，石灰穩(wěn)定28 d 齡期的抗凍性很差，且生石灰粉穩(wěn)定土造價(jià)較高，故工程中不宜采用。為此，姚占勇等[10-11]提出了二灰土外摻活性激發(fā)材料的穩(wěn)定方法。

粉煤灰通常必須與石灰或水泥混合料使用，利用石灰、水泥激發(fā)出粉煤灰的火山灰反應(yīng)，并結(jié)合原材料自身的膠凝特性復(fù)合穩(wěn)定土壤。 但采用這些復(fù)合穩(wěn)定粉土方案時(shí)，不同地域的粉土有著不同的性能表現(xiàn)。 王選倉等[12]針對于子洲至靖邊高速公路沿線的低液限粉土，利用“石灰∶粉煤灰∶粉土＝8∶16∶76”“石灰∶粉煤灰∶粉土＝10∶20∶70”的配合比處治低液限粉土，7 d無側(cè)限強(qiáng)度可以＞0.6 MPa，90 d 后強(qiáng)度可以＞1 MPa，趙瑞祥等[13]也有同樣的結(jié)論。 而對于黃河沖積粉土用二灰穩(wěn)定時(shí)，7 d 養(yǎng)護(hù)土體基本沒有強(qiáng)度[8-9]。 李振霞等[14]研究表明二灰穩(wěn)定低液限粉土的效果比較好，但粉土中的黏粒含量、塑性指數(shù)對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定效果有顯著影響，二灰穩(wěn)定更適于黏粒含量高、塑性指數(shù)小的低液限粉土。 可以說，粉煤灰、石灰二灰穩(wěn)定粉土在不同地區(qū)的適用性是不同的，這與不同地區(qū)粉土的組成緊密相關(guān)。

另外，采用石灰和粉煤灰穩(wěn)定粉土?xí)r普遍存在早期強(qiáng)度低、水穩(wěn)定性差的問題[15]，不如一些專門的固化劑產(chǎn)品帶來的性能好[16]。 往往要使用大摻量才能達(dá)到穩(wěn)定土的基本性能。

(2) 固廢基固化材料

一般工業(yè)廢物包括煤矸石、礦山尾礦、高爐渣、鋼渣、赤泥、有色金屬渣、粉煤灰、煤渣、硫酸渣、廢石膏、鹽泥等[17]，其種類繁多，礦物成分和化學(xué)成分復(fù)雜多變，物理性質(zhì)也千差萬別。 但對于各類天然鋁硅酸鹽礦物和各種硅酸鹽工業(yè)副產(chǎn)品或廢棄物來說，其組成中往往含有具有火山灰活性和潛在水硬性的原料，與適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)劑反應(yīng)而形成膠凝材料，可利用這個(gè)特點(diǎn)開發(fā)土壤固化劑。 如鋁硅酸鹽原料中的 Si—O—Si、Si—O—Al、Al—O—Al 等化學(xué)鍵受到激發(fā)劑的作用，生成聚合度較小的離子團(tuán)或單離子團(tuán)，在一定的pH 環(huán)境下，可以重新聚合成與原料不同的鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)，具有膠凝性和固化性，并可以與石灰?guī)r質(zhì)材料存在化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)石英砂和花崗巖中的鋁硅成分參與聚合反應(yīng)[18]。 這種聚合膠凝效應(yīng)可以獲得更好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，早期快凝，在土壤固化上具有技術(shù)優(yōu)勢。

理論上，粉煤灰與石灰復(fù)合穩(wěn)定土的本質(zhì)也是利用堿激發(fā)原理，姚占勇[19]較早地關(guān)注了堿激發(fā)帶來的粉土穩(wěn)定效果。 國外研究者利用赤鐵礦廢渣和熟石灰穩(wěn)定土、磷石膏＋水泥＋粉煤灰固化土壤[20-22]；國內(nèi)則多采用電石渣、煤矸石、磷石膏等工業(yè)廢渣[23-24]。 盧青[23]的研究表明，利用水泥、礦渣、粉煤灰、脫硫石膏等制備固化劑，其固化低液限粉土要比純水泥固化土的強(qiáng)度高0.1 MPa；4%的自制固化劑帶來的粉土強(qiáng)度相當(dāng)于12%的石灰土。目前，這類固廢基固化劑固化土性能一般都較為穩(wěn)定，正常條件下其穩(wěn)定性可保持＞30 年；這就為固廢材料提供了一個(gè)增加附加值的利用途徑。

截至目前，無機(jī)材料類土壤固化劑已經(jīng)多樣化，如水玻璃類、水泥類(普硅酸鹽水泥、礦渣水泥、鋼渣水泥等)、硫酸鹽類(石膏CaSO4·2H2O、硫酸鐵Fe2(SO4)3、硫酸鋁 Al2(SO4)3)、氯化物類(氯化鈣CaCl2、氯化鈉NaCl、氯化鎂MgCl2等)和磷酸鹽類等。如研究者利用無機(jī)鹽溶液也能起到不錯(cuò)的固化效果，郝建新[25]在處治南通地區(qū)的粉土?xí)r，采用氯化亞鐵和消石灰固化粉體，具有很好的早強(qiáng)特點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)加固粉土，其水穩(wěn)定性得到很好的提高，但在線性收縮實(shí)驗(yàn)中，仍具有前期膨脹、后期收縮的現(xiàn)象。 亦有采用納米硅溶膠進(jìn)行粉砂土固化的，可以獲得較好的強(qiáng)度，5%摻量納米硅溶膠可適用于質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞20%的細(xì)粒粉土穩(wěn)定[26]，但目前停留在試驗(yàn)室階段。

因此，無機(jī)固化材料或固化劑仍面臨土壤的多樣性和差異性問題，普適性仍值得商榷，不同地區(qū)粉土的固化劑需要針對性的研制。

1.2 高分子固化技術(shù)

由于粉土透水性小，不易排水固結(jié)，抗剪強(qiáng)度低，防水性能差，黏聚力低，大部分粉土地區(qū)路基變形多是由于濕度變化導(dǎo)致路基強(qiáng)度不足、繼而在荷載作用下形成的破壞[27]。 因此，粉土路基的水穩(wěn)定性和強(qiáng)度特征是路面安全運(yùn)營的重要保證。 此種保障需求下，高分子、非鈣基型土壤固化劑具有先天優(yōu)勢。

理論上，高分子固化材料可以避免鈣基類固化材料因?yàn)槭郈aSO4·2H2O 和(或)鈣礬石生成而引起的土壤膨脹，這是一項(xiàng)重要的技術(shù)優(yōu)勢[7]；另外，利用高分子材料固化粉土，一般可以賦予粉土更好的水穩(wěn)定性(離子類除外)。 兩方面優(yōu)勢造成高分子固化材料的研發(fā)和應(yīng)用擁躉眾多。 常見的有瀝青基材料、聚合物樹脂和離子類(磺化油)等。 其作用機(jī)理更多認(rèn)為是物理作用，利用高分子材料的長鏈結(jié)構(gòu)和黏性、通過包裹土顆粒實(shí)現(xiàn)固化作用；或利用表面活性劑的親水、親油基團(tuán)實(shí)現(xiàn)粉土致密和疏水。

(1) 瀝青類材料

國內(nèi)外很早就利用瀝青進(jìn)行土壤的固化[28-30]。固體瀝青常采用熱拌方法進(jìn)行，土壤需要加熱、拌合加工，從而帶來施工上的困難導(dǎo)致應(yīng)用受限；ELRAWI 等[31]利用13.5%的硫加入高標(biāo)號瀝青中，繼而制備稀釋瀝青用來固化河沙、沙丘和粉土。 但是，瀝青不能用來固化高pH 值、富含可溶性鹽的細(xì)粒土，又因拌合困難也不能固化塑性黏土。

實(shí)際上，瀝青的冷拌技術(shù)更為有效，施工也更為方便。 乳化瀝青、稀釋瀝青可進(jìn)行常溫拌合施工，瀝青的分散性好、在土顆粒表面裹覆成膜，形成穩(wěn)定的凝聚結(jié)構(gòu)；并在其它膠凝材料(水泥、石灰等)共同作用下得到很好的土體強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。VENKATESH 等[32]證明了采用陽離子中裂型的乳化瀝青固化粉土?xí)r，路基承載能力可得到良好改善。國內(nèi)研究表明，乳化瀝青應(yīng)用后對濕土大顆粒形成和土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚作用影響較強(qiáng)，尤其對雨季護(hù)坡護(hù)土抗風(fēng)蝕水蝕具有重要意義[33]。 還有“乳化瀝青＋水泥”的穩(wěn)定方式可使粉土容易成型，取芯順利，可獲得顯著的水穩(wěn)定性和抗凍融能力[4]；山東工程實(shí)踐中采用“泡沫瀝青＋水泥”的穩(wěn)定方式亦能獲得較好的壓實(shí)效果；并且采用發(fā)泡技術(shù)穩(wěn)定粉土可以降低瀝青的使用量，經(jīng)過機(jī)械齒輪打散、分布后，可以獲得蓬松的瀝青纖維交織結(jié)構(gòu)，大大增加瀝青在土體中的分散程度。 一般地，乳化瀝青應(yīng)用方式中折算純?yōu)r青用量在4%～8%之間，泡沫瀝青則可以降低為3%～5%。 通過優(yōu)化瀝青和水泥、石灰的用量，可以得到較好的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，在低等級農(nóng)村道路中可以充當(dāng)簡單罩面的下承層。 利用淀粉質(zhì)和秸稈為原料制備的植物瀝青沒有這方面的效果，研究表明，其對水泥穩(wěn)定細(xì)粒土的抗壓強(qiáng)度有不利影響，對強(qiáng)度發(fā)展有阻礙作用[34]。 其原因與植物瀝青的物質(zhì)組成、相對分子質(zhì)量小及水中溶解性有著很大關(guān)系。

(2) 聚合物材料

聚合物材料源于20 世紀(jì)50、60 年代，是化學(xué)材料，如水玻璃液態(tài)高效復(fù)合材料、聚乙烯醇、醋酸乙烯酯、聚苯乙烯、丁苯膠乳、聚氨酯類等，因其可改變土體結(jié)構(gòu)和性能而得到了廣泛關(guān)注[35-38]，這一類材料主要利用化學(xué)分子鏈的長結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提供土體顆粒間的加固[39]；并在農(nóng)業(yè)土壤中得到應(yīng)用。 但不同高分子材料固化粉土具有不同的強(qiáng)度變化規(guī)律。 針對江蘇宿遷的粉土，董金梅等[27，38]利用高分子材料混合無機(jī)膠凝材料固化粉土取得了較好的改性效果，提高了固化土的黏聚力和摩擦角，且固土破壞多是鼓脹式破壞，沒有明顯的破裂面；利用自制的SH 高分子固化劑處治黃土，自然條件下養(yǎng)護(hù)較長時(shí)期后固化黃土的強(qiáng)度大大提高，壓縮系數(shù)減小，濕陷性消失[38]。 這些聚合物固化方法解決了粉土穩(wěn)定中的崩解或不成型、難以脫模的問題，也能提高土體的耐水穩(wěn)定性[4]。

木質(zhì)素固化粉土亦能獲得良好的試驗(yàn)效果[40-44]。 木質(zhì)素源于造紙工業(yè)副產(chǎn)品，其相對分子量在2 800～17 800 之間，存在芳香基、酚羥基、醇羥基、羧基等活性基團(tuán)，可以進(jìn)行氧化、還原、水解、磺化、接枝共聚等許多化學(xué)反應(yīng)，其在混凝土、土壤改良方面廣泛應(yīng)用。 在路基土處理方面，木質(zhì)素加固土費(fèi)用相對經(jīng)濟(jì)，加固效果高，對一些低塑性黏土和粉砂土有較好的處治作用；TINGLE 等[45]利用木質(zhì)素加固黏土，在干濕養(yǎng)護(hù)兩種條件下，土的無側(cè)限強(qiáng)度顯著提高，摻量5%可達(dá)到最高強(qiáng)度狀態(tài)。 張濤等[42-43]研究認(rèn)為木質(zhì)素產(chǎn)生的膠結(jié)作用是土體工程性質(zhì)改善的主要原因之一，12%摻量木質(zhì)素固化土屈服應(yīng)力和不排水抗剪強(qiáng)度較素土分別提高約90%和40%。 木質(zhì)素改良粉土的耐久性優(yōu)于石灰，12%摻量下的改良土28 d 水穩(wěn)系數(shù)為0.52，而4 次干濕循環(huán)后的土體質(zhì)量損失率＜20%[46]。

(3) 離子型固化劑

離子型固化劑是一種液體水溶性產(chǎn)品，一般呈酸性，包括路邦(Roadbond)、路派克(Roadpacker)、路特固(Roadgood)、路基實(shí)(ISS)等。 活性成分是磺化油類，利用離子交換左右實(shí)現(xiàn)土體固化，但這種固化機(jī)理值得懷疑[7]，且不適合pH 值＞7.5 的堿性土壤，適用于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%黏粒的土體，對土壤具有較強(qiáng)的選擇性和針對性[4，47]。 對于黃泛區(qū)Ip＜11 的粉土固化效果較差，各齡期強(qiáng)度都偏低，不滿足相關(guān)技術(shù)要求。

總體上，聚合物固化技術(shù)已受到廣泛關(guān)注，在水土保持、保濕、改良土壤等方面具有較好的發(fā)展前景。 這類材料有液體類、顆粒類之分，應(yīng)用方法亦不同，對不同類型的土也有不同的適應(yīng)性。 通常需要配合無機(jī)膠凝材料共同賦予土體的強(qiáng)度特性；一些親水性強(qiáng)的聚合物材料仍會(huì)帶來抗水性能較差的表現(xiàn)，耐凍融循環(huán)破壞能力較差，這是需要注意的地方。 同時(shí)，聚合物自身的耐候性和穩(wěn)定性也待實(shí)踐驗(yàn)證，價(jià)格也普遍較高，但不能否認(rèn)其在一些應(yīng)急工程中的有效性和及時(shí)性。

1.3 生物固化技術(shù)

生物固化技術(shù)主要包括生物酶和微生物礦物加固技術(shù)等，在粉土處治上有所應(yīng)用，但效果有差別。

生物酶類固化劑呈液態(tài)，由有機(jī)物質(zhì)發(fā)酵形成的蛋白質(zhì)多酶基產(chǎn)品；通過生物酶的催化作用，改變黏土的原有結(jié)構(gòu)，提高土體的密實(shí)度。 但黏土顆粒是水與生物酶發(fā)生固土作用的基本要求[48]；派酶產(chǎn)品要求土的塑性指數(shù)在5 ～18 之間，適用于黏土和亞黏土，泰然酶產(chǎn)品則要求至少含有6%的黏土[49]。因此，這類產(chǎn)品不太適用于粉土加固和改良。 陳貝等[5]利用帕爾瑪固化劑對含礫低液限黏土、含砂低液限黏土、低液限黏土和低液限粉土分別固化，表明單獨(dú)使用帕爾瑪固化劑與水泥穩(wěn)定對比并沒有優(yōu)勢，即使對于低液限黏土，帕爾瑪固化劑摻量＞24%時(shí)，才能滿足二級路以上的穩(wěn)定土技術(shù)要求。 因此，這種酶材料需要和水泥混合使用，才能達(dá)到較好的效果，其推薦了帕爾瑪固化劑摻量為15%、水泥摻量為7.5%。

微生物礦物加固土壤是一項(xiàng)新技術(shù)。 將含有細(xì)菌的營養(yǎng)液灌注進(jìn)土壤中，生成碳酸鈣晶體沉淀在土顆粒表面，將土壤膠結(jié)[7]。 這一微生物成礦作用常被稱為微生物誘導(dǎo)方解石沉積技術(shù)(Microbially Induced Calcite Precipitation， MICP)。 該方法能夠?qū)⑺缮⑸邦w粒膠結(jié)成為整體，顯著提高砂體的強(qiáng)度、剛度、抗侵蝕性能等，并改善砂土的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性[50]。 邵光輝等[51]通過不同注漿輪次微生物注漿固化處理吹填粉土?xí)r，發(fā)現(xiàn)微生物注漿會(huì)顯著減少吹填粉土中＞10 μm 的孔隙，土體強(qiáng)度較未處理土有顯著地提高，且強(qiáng)度隨著土體中CaCO3的含量增加而增加，并存在敏感閾值。 但目前這種技術(shù)常用在注漿加固上，在粉土路基穩(wěn)定應(yīng)用方面開展較少[52-54]。

綜合來看，針對粉土固化，無機(jī)固化方法仍是主流，其中的堿激發(fā)材料體系容易產(chǎn)生更好地固化效果，這也是現(xiàn)在無機(jī)固化劑的主要原料組成。 高分子固化方法會(huì)提高粉土固化的水穩(wěn)定性，如瀝青基材料(乳化瀝青和泡沫瀝青)可以實(shí)現(xiàn)常溫施工，配合一定比例的水泥、石灰，可達(dá)到較好的路用效果；高分子聚合物類和木質(zhì)素類固化材料也能得到較好的路用表現(xiàn)。 但生物酶、離子型固化劑由于存在黏土含量的要求，在粉土固化適用性方面有待提高，而生物注漿及其他新型的固化技術(shù)仍需要進(jìn)一步關(guān)注。

2 粉土固化機(jī)理

粉土尤其是黃河沖淤積平原的低液限粉土，其礦物組成上多是石英、長石、碳酸鹽礦物、云母、角閃石等原生礦物，黏粒很少，土體礦物組成多為惰性，活性極低。 粉土的固化過程更多依靠外加固化材料發(fā)生的物理、化學(xué)反應(yīng)而促進(jìn)土體的固化，而非自身產(chǎn)生的反應(yīng)。 不同粉土固化技術(shù)的部分機(jī)理見表1。

表1 粉土固化的部分機(jī)理表

2.1 無機(jī)固化機(jī)理

粉土無機(jī)固化是多種作用和效應(yīng)協(xié)同存在的結(jié)果，多借鑒膠凝材料學(xué)方面的理論和分析方法對固化機(jī)理進(jìn)行分析。 文獻(xiàn)中多歸結(jié)為填充效應(yīng)和膠凝效應(yīng)兩大類，在膠凝效應(yīng)中又分為水化作用、激發(fā)作用和離子交換作用[2]。 水化作用主要利用固化劑自有的膠凝材料活性，如水泥的水化反應(yīng)、石灰的結(jié)晶和碳化反應(yīng)和粉煤灰的火山灰反應(yīng)等；激發(fā)作用指固化材料和水化產(chǎn)物對土壤中的活性物質(zhì)有激發(fā)作用，使土壤自身參與固化穩(wěn)定；離子交換作用主要存在黏土顆粒固化方面，利用低、高價(jià)態(tài)的陽離子交換，減少土粒表面吸附水膜的厚度，增加顆粒之間的分子引力，達(dá)到封閉孔隙、降低塑性、減少吸水性和膨脹性的目的。 填充效應(yīng)則利用了固化材料的未水化部分在水化產(chǎn)物之間起到的“微集料填充”和“骨架支撐”作用。 這些作用共同提高了固化土的強(qiáng)度和耐久性。 圖1 簡單描述了固化土的典型作用機(jī)理[55]，各種效應(yīng)由橢圓形框表示，箭頭表明了各種組成的作用變化方向。

圖1 固化穩(wěn)定土的機(jī)理模式示意圖

綜合來看，考慮到粉土活性低的原因，無機(jī)固化粉土更多依賴有限摻量的膠凝材料的膠凝作用，這是很多的低摻量水泥穩(wěn)定粉土、石灰穩(wěn)定粉土、石灰-粉煤灰穩(wěn)定粉土的強(qiáng)度表現(xiàn)和水穩(wěn)定性表現(xiàn)差的主要原因；常規(guī)無機(jī)固化粉土需要更高的固化劑摻加比例。 而堿激發(fā)機(jī)制可能在未來有更好地表現(xiàn)，這是固廢資源增值化、新型無機(jī)固化劑出現(xiàn)的理論背景。

2.2 高分子固化機(jī)理

高分子固化材料主要利用自身的物理分散和粘結(jié)作用達(dá)到固化土體的效果，與無機(jī)固化復(fù)合使用時(shí)，可以達(dá)到較好的強(qiáng)度表現(xiàn)和水穩(wěn)定性。

對于瀝青類材料，其一般機(jī)理示意圖如圖2 所示。 圖2(a)是瀝青穩(wěn)定土的常見處理模式，過程中需要拌合水泥或生石灰用來改變土的分散性，在一定溫度拌合下，添加瀝青產(chǎn)生物理膠結(jié)作用，可以提高土體密度、粘聚力和抗水破壞能力；圖2(b)中乳化瀝青穩(wěn)定土中，當(dāng)土粒周圍存在一定厚度水膜時(shí)，瀝青乳液可以擴(kuò)展到一定范圍，在土粒表面連接成片，繼而黏附更多的土粒，呈現(xiàn)輻射狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)乳液失水形成瀝青膠膜后，可以將土粒良好的聯(lián)結(jié)，形成較為理想的“黏?！眻F(tuán)聚體[56]；在充分壓實(shí)的條件下提高土體的粘結(jié)性和水穩(wěn)定性；一般的瀝青類穩(wěn)定材料均需要添加無機(jī)膠凝材料來提供更好的土體強(qiáng)度。但很多情況下，瀝青類材料的潤濕和分散性是影響固化效果的重要問題，施工中的瀝青灑布拌合、灑布計(jì)量和浸潤深度等施工控制決定了粉土的固化效果。

圖2 瀝青基材料穩(wěn)定土的作用機(jī)制示意圖

有機(jī)高分子固化劑添加到土壤中會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，通過滲透與土粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生膠結(jié)作用；或者利用有機(jī)高分子的位阻屏蔽作用降低土體的吸附水，增加固化土的抗?jié)B透性能和耐水能力；不同高分子材料有不同的化學(xué)反應(yīng)和滲透能力[57]。 周天寶等[58]對黃原膠固化粉土分析，表明了黃原膠分子可牢固地吸附在土顆粒表面，在土顆粒間起到極強(qiáng)的膠結(jié)作用；隨著土體含水率降低，黃原膠分子與土顆粒的離子鍵作用越強(qiáng)，且遠(yuǎn)大于土顆粒鍵的靜電吸附作用。 從而提高了粉土的固結(jié)能力和力學(xué)強(qiáng)度。 黃原膠固化粉土原理示意圖如圖3[58]所示。

圖3 黃原膠固化粉土原理示意圖

離子型固化劑主要成分為磺化油類陰離子表面活性劑，分子結(jié)構(gòu)中含有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，其固化土機(jī)理與離子交換作用相關(guān)。 離子型固化劑固化土機(jī)理示意圖如圖4[59]所示，當(dāng)離子固化劑進(jìn)入土體后，親水基團(tuán)離解的 K＋、Na＋濃度大，滲透壓高，與黏土顆粒表面的 Ca2＋、Mg2＋發(fā)生離子交換。

圖4 離子型固化劑固化土機(jī)理示意圖

繼而降低黏土顆粒表面吸附的結(jié)合水膜厚度，降低膠體的ξ 電勢，減小粒間距離，使顆粒排列更為緊密，形成更大的團(tuán)聚體，促進(jìn)土體的密實(shí)[55-59]。從機(jī)理上講，離子固化過程并不產(chǎn)生新的組成，單一使用時(shí)并不適合固化黏土含量少的粉土。

2.3 生物固化機(jī)理

生物酶的固土作用機(jī)理非常復(fù)雜，影響因素很多，主要涉及兩個(gè)方面的作用:(1) 生物酶溶液增加了土體的濕潤程度，可以提高土體的可壓實(shí)性和強(qiáng)度；(2) 生物酶所含的有機(jī)物質(zhì)與土中的水、有機(jī)質(zhì)及其他成分相互作用，改變了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而發(fā)生固化作用。 一般地，生物酶分子可選擇性地將黏土礦物分子吸引到土顆粒之間，使之在水膜作用下形成穩(wěn)定的粘結(jié)，提高了土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性[47]。 但這種強(qiáng)度的增長有限，往往添加一定劑量水泥的無機(jī)結(jié)合料，以提高土體的后期強(qiáng)度。

微生物誘導(dǎo)方解石沉積技術(shù)應(yīng)用較少，其對粉土的固化機(jī)理還沒有深入研究。

綜合來看，很多新型土壤固化劑的材料組成差異和變化較大，其主成效組成因商業(yè)保護(hù)而公開較少，具體的固化土機(jī)理上一直沒有統(tǒng)一而明確的解釋，研究也較不全面，且多針對黏土類土壤進(jìn)行了闡述。

3 展望

隨著交通建設(shè)規(guī)模的不斷增大以及砂石料資源的緊張，利用土壤固化技術(shù)可以讓特殊土更好地應(yīng)用在路基工程或基層中，大大降低砂石料的需求。同時(shí)，在農(nóng)村公路建設(shè)和發(fā)展相對滯后、建設(shè)資金少、融資渠道不充分的情況下，基于土壤固化材料和技術(shù)進(jìn)行簡易道路鋪裝，可以降低筑路成本，完善戶戶通、村村通等低交通量的農(nóng)村道路網(wǎng)絡(luò)，改善農(nóng)村交通和居住環(huán)境。 未來，基于土壤固化技術(shù)、積極利用土資源開展低等級農(nóng)村道路建設(shè)會(huì)具有更大的社會(huì)意義和推廣價(jià)值。

在粉土固化方面，其固化技術(shù)和材料呈多元化發(fā)展。 無機(jī)固化材料由于價(jià)格便宜，一段時(shí)間內(nèi)將仍是主要研究對象；高分子固化材料會(huì)提高土體更好的水穩(wěn)定性，與無機(jī)固化材料復(fù)合使用會(huì)帶來更好的路用效果；而新型生物酶、離子型固化劑囿于對黏土含量的要求，在粉土固化適用性方面有待提高；生物固化技術(shù)的成熟性有待進(jìn)一步考察。 結(jié)合路基工程施工工藝的不斷發(fā)展，這些固化材料的應(yīng)用方式和評價(jià)方法也會(huì)不斷地發(fā)展和完善。

需要注意的是，任何一種土壤固化材料不能適用于所有的土。 自然界里土質(zhì)復(fù)雜多變，土壤組成、結(jié)構(gòu)、礦物成分和化學(xué)成分容易帶來固化材料的普適性不足；在粉土固化材料研制和應(yīng)用方面仍需要充分的機(jī)理認(rèn)識，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究需要多學(xué)科廣泛協(xié)同、深入發(fā)展。