林順官

（福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司；福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

工程的建設(shè)過程往往需要土體開挖、土體回填。土體開挖會(huì)產(chǎn)生大量渣土，渣土產(chǎn)生量往往會(huì)遠(yuǎn)超土體回填量，渣土最終成為棄土，棄土產(chǎn)生量伴隨工程建設(shè)體量的增加而急速增長，對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力也越來越大，因此，對(duì)棄土進(jìn)行必要改性，將棄土制備成性能合格的建設(shè)材料，從而減少棄土的產(chǎn)生量，是意義重大的。

為促進(jìn)棄土資源化，增加棄土的消納量，國內(nèi)外專家和學(xué)者開發(fā)了多種用于棄土改性用的土壤固化劑[1]，改善棄土的性能，使棄土通過免燒固化方式直接應(yīng)用于道路修筑[2]、磚材制備[3]等領(lǐng)域。根據(jù)《土壤固化外加劑》CJ/T 486－2015 的定義，土壤固化劑是指加入土壤中，通過與無機(jī)結(jié)合料、土壤和水的物理和（或）化學(xué)反應(yīng)，改善土壤工程性能的外加劑。從作用機(jī)理分析，土壤固化外加劑對(duì)土壤固化的主要貢獻(xiàn)包括土壤顆粒表面改性及無機(jī)結(jié)合料（包括水泥）水化調(diào)節(jié)兩方面。土顆粒表面改性，主要是通過表面活性劑的吸附，改善土壤顆粒表面帶電性或水膜厚度，影響土顆粒和無機(jī)結(jié)合料顆粒在碾壓成型時(shí)具有更高的密實(shí)度，多為陰離子型表面活性劑，此外部分陰離子型表活活性劑的增水端或外摻的具有憎水效果的外加劑，會(huì)使固化后的土體表面具有一定的憎水性，使土體的耐水性能得以提高，但從機(jī)理分析，此特性必然影響土體顆粒與無機(jī)結(jié)合料間的粘結(jié)性能，從而降低固化土強(qiáng)度；無機(jī)結(jié)合料水化調(diào)節(jié)作用類似于水泥混凝土中所使用的外加劑，如緩凝劑、早強(qiáng)劑等等，通過延長無機(jī)結(jié)合料的凝結(jié)時(shí)間，改善固化土可施工時(shí)間過短的不利影響，通過調(diào)節(jié)無機(jī)結(jié)合料的早硬早強(qiáng)，減少固化土磚等預(yù)制件的養(yǎng)護(hù)出廠時(shí)間。

本文所指的土壤固化劑為《土壤固化外加劑》CJ/T 486－2015 所定義的外加劑（不包括替代水泥使用的膠凝材料類土壤固化劑），選取了市場上常用的4 個(gè)品牌土壤固化劑，以及某品牌的水泥混凝土通用減水劑和兩種陽離子表面活性劑作為輔助材料參與土壤固化實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)固化土密度和強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

⑴外加劑。

表1 固化輔助材料

⑵土。選擇常見的山土作為試驗(yàn)用土，山土為紅色，液限57.8%，塑限32.7%，塑性指數(shù)為25.1，細(xì)粒組含量為83.2%。

⑶水泥。選擇市售煉石牌P·O425 水泥作為無機(jī)結(jié)合料，參與土壤固化。

1.2 成型與測試方法

⑴試塊成型

土壤與土壤固化劑及水泥按比例混合后，以壓力機(jī)壓制成型，試塊直徑為50mm；為量化不同的壓實(shí)條件，試塊按不同的壓力壓制成型。

⑵固化土密度

成型后馬上使用游標(biāo)卡尺測試固化土高度，及稱量試塊質(zhì)量，根據(jù)密度公式計(jì)算試塊濕密度，試塊干密度通過濕密度及含水率求得。

⑶固化土最佳含水率

參考《JTG E40－2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程》土最佳含水率測試方法，以2%為階梯改變土體含水率，再通過土體濕密度和含水率求取土體干密度，確定干密度最大值所對(duì)應(yīng)的含水率為最佳含水率。

⑷無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

參考《土壤固化外加劑》CJ/T486 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試方法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 土壤固化劑摻量對(duì)固化土性能的影響

固化土施工時(shí)要求根據(jù)其混合料的最佳干密度控制其含水率，但在實(shí)際施工中，由于基土天然含水率過高，固化土混合料只以天然含水率作為控制參數(shù)，因此，下列實(shí)驗(yàn)控制基土含水率為22%（土松散，手捏可成團(tuán)），固定水泥摻量為濕土質(zhì)量的2.2%，土壤固化劑等固化輔助材料按干土的質(zhì)量萬分比摻加，并根據(jù)廠家建議摻量增減。

2.1.1 濕密度

根據(jù)廠家所提供的土壤固化劑建議摻量范圍確定不同的土壤固化劑摻量，經(jīng)不同的壓實(shí)條件壓實(shí)，固化土的濕密度見圖1～圖7。2.5MPa 的壓實(shí)條件下，固化土的整體性很差，表面會(huì)有較明顯的顆粒掉落，因此濕密度離散型很大，與其他壓實(shí)條件下的值相差較大，趨勢一致性也較差，壓實(shí)條件超過5MPa，不同壓實(shí)條件的濕密度曲線趨勢基本一致。

圖1 土壤固化劑1# 對(duì)固化土濕密度的影響

圖2 土壤固化劑2# 對(duì)固化土濕密度的影響

圖3 土壤固化劑3# 對(duì)固化土濕密度的影響

圖4 土壤固化劑4# 對(duì)固化土濕密度的影響

圖5 通用減水劑對(duì)固化土濕密度的影響

圖6 十二烷基三甲基氯化銨對(duì)固化土濕密度的影響

圖7 十二烷基三甲基溴化銨對(duì)固化土濕密度的影響

1#、2#與3#皆為液體土壤固化劑，在一定摻量范圍內(nèi)，能提高固化土的濕密度，其中1#最佳土壤固化劑摻量約為2‰，2#土壤固化劑最佳摻量約為3‰，3#土壤固化劑的最佳摻量約為3‰，通用減水劑也有相似的性能，在測試范圍內(nèi)，伴隨通用減水劑摻量的增加，固化土的濕密度也出現(xiàn)一定的提高，推測1#、2#、3#土壤固化劑含有與通用減水劑性質(zhì)相似的表面活性劑，通過吸附作用置換土壤顆粒表面的吸附水，降低土壤顆粒間的摩擦力，從而提高固化土濕密度。由于土壤顆粒的表面積一定，因此土壤顆粒所能吸附的表面活性劑也必然存在最大值，超過最大值后，多余的表面活性劑不僅無法發(fā)揮提高固化土濕密度的作用，還會(huì)引入氣相并作為缺陷存在于固化土中。

4#土壤固化劑為粉體，不完全溶于水，根據(jù)其使用方法推測其為無機(jī)結(jié)合料調(diào)節(jié)劑。從圖4 可看出，4#土壤固化劑對(duì)固化土濕密度沒有影響。十二烷基三甲基氯化銨和十二烷基三甲基溴化銨皆為陽離子型表面活性劑，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，兩種陽離子表面活性劑皆對(duì)固化土濕密度不產(chǎn)生影響。

2.1.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

土壤固化劑1#對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖8，除2.5MPa 壓力條件下的強(qiáng)度曲線外，所有曲線的起伏相對(duì)較小，只在摻量為2‰和5‰時(shí)固化土強(qiáng)度略有提高，但幅度較小，對(duì)照?qǐng)D1，2‰對(duì)應(yīng)的是固化土濕密度最大值，即密實(shí)度最高，但5‰對(duì)應(yīng)的濕密度較低，說明1#土壤固化劑可能是復(fù)合型外加劑，其一是可提高密實(shí)度的表面活性劑，但抑制水泥水化作用，因此會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度波峰；其二是可提高水泥水化或水泥與土界面粘結(jié)強(qiáng)度的物質(zhì)，伴隨摻量提高，強(qiáng)化作用因此加強(qiáng)，因此在5‰時(shí)出現(xiàn)極值。

土壤固化劑2#對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖9，土壤固化劑的摻入，并不能提高固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，對(duì)照?qǐng)D2，土壤固化劑在提高固化土密實(shí)度的情況下，仍不能提高固化土強(qiáng)度，說明土壤固化劑對(duì)固化土的強(qiáng)度發(fā)展存在一定的抑制作用。

圖8 土壤固化劑1# 對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖9 土壤固化劑2# 對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

土壤固化劑3#對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖10，在摻量為1‰時(shí)，固化土7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度處于最大值，伴隨固化劑摻量增加，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度緩慢下降，最終低于對(duì)比樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，對(duì)照?qǐng)D3，固化土強(qiáng)度的最大值并非出現(xiàn)在濕密度極值點(diǎn)上，說明土壤固化劑3#在提高密實(shí)度的基礎(chǔ)上，對(duì)水泥水化或水泥與土界面粘結(jié)產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用，推測3#固化劑是表面活性劑外加劑。

圖10 土壤固化劑3# 對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

土壤固化劑4#對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖11，其對(duì)固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有促進(jìn)作用，其中摻量為4‰時(shí)，固化土強(qiáng)度最大，換算成土壤固化劑占水泥的質(zhì)量比約為1.8%，與廠家建議摻量1%～1.5%極為相近，對(duì)照?qǐng)D4，4#土壤固化劑并非通過提高密實(shí)度來提高固化土強(qiáng)度，很可能只是通過促進(jìn)水泥水化反應(yīng)提高固化土強(qiáng)度，此固化劑對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度的提高幅度相對(duì)最大，從固化土壤的角度看，促進(jìn)無機(jī)結(jié)合料的水化進(jìn)程是提高固化土強(qiáng)度較為有效的手段。

圖11 土壤固化劑4# 對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

通用減水劑對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖12，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度伴隨通用減水劑摻量增加而先減后增，在最大摻量時(shí)固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)最大值，對(duì)照?qǐng)D5，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大值和濕密度最大值重合，趨勢一致，使用減水劑提高固化土濕密度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)該是可行的，但其摻量可能需要提高。

圖12 通用減水劑對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

兩種陽離子表面活性劑對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖13 和圖14，對(duì)照?qǐng)D6 和圖7，陽離子表面活性劑無法提高固化土濕密度，也無法提高固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。通過大體積的有機(jī)陽離子置換土壤顆粒表面的金屬陽離子，改變土壤顆粒表面水膜結(jié)構(gòu)，從而影響固化土的性能，目前看效果幾乎沒有，可能是有機(jī)陽離子的置換率太小，也可能是有機(jī)陽離子在堿體系中不穩(wěn)定，此方面需要更深入系統(tǒng)的研究才能得到更準(zhǔn)確有效的結(jié)論。

綜上所述，在22%的紅土固化實(shí)驗(yàn)中，1#～3#土壤固化劑和通用減水劑皆能提高固化土濕密度，但只有3#和4#制在一定條件下能較為明顯地提高固化土強(qiáng)度，即固化土濕密度提高并不能保證固化土強(qiáng)度的提高。

圖13 十二烷基三甲基氯化銨對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖14 十二烷基三甲基溴化銨對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 土壤固化劑對(duì)固化土最佳含水率的影響

根據(jù)2.1.1 土壤固化劑對(duì)固化土濕密度影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)能提高固化土濕密度的土壤固化劑進(jìn)行進(jìn)一步測試，檢驗(yàn)土壤固化劑對(duì)固化土最佳含水率的影響。

2.2.1 干密度

固化土干密度數(shù)據(jù)見圖15～圖19，從圖中可以看出，在不同的壓實(shí)條件下，固化土的最大干密度不同，所對(duì)應(yīng)的最佳含水率也不一樣，壓力越小，對(duì)應(yīng)的最佳含水率越高。但總的來說，各種土壤固化劑的加入，并不能降低固化土的最低含水率，相反，大部分土壤固化劑更傾向于提高固化土的最佳含水率。固化土最佳含水率提高，但干密度相對(duì)于無土壤固化劑試樣有所提高。此外，不同的壓實(shí)條件對(duì)固化土的干密度影響很大，但伴隨固化土含水率的升高，不同壓實(shí)條件對(duì)固化土干密度的影響越來越小。

圖15 不同壓實(shí)條件下水泥固化土干密度曲線

圖16 不同壓實(shí)條件下土壤固化劑1#（摻量2‰）固化土干密度曲線

圖17 不同壓實(shí)條件下土壤固化劑2#（摻量2‰）固化土干密度曲線

圖18 不同壓實(shí)條件下土壤固化劑3#（摻量2‰）固化土干密度曲線

圖19 不同壓實(shí)條件下通用減水劑（摻量2‰）固化土干密度曲線

《JTG E40－2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定土最佳含水率的測試方法，對(duì)應(yīng)的壓實(shí)條件與靜壓12.5MPa 相當(dāng)（相同配方下兩者密度相當(dāng)），則按上述標(biāo)準(zhǔn)定義，水泥土的最佳含水率約為14%，干密度為1.75g/cm3；摻入2‰土壤固化劑1#后，固化土最佳含水率提高到16%，干密度提升到1.77g/cm3；摻入2‰土壤固化劑2#后，固化土最佳含水率不變，干密度提升到1.79g/cm3；摻入2‰土壤固化劑3#后，固化土最佳含水率提高到18%，干密度提升到1.77g/cm3；摻入2‰通用減水劑后，固化土最佳含水率提高到18%，干密度提升到1.76g/cm3。

2.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線見圖20～圖24，強(qiáng)度曲線的波動(dòng)較大，與干密度曲線不能完全吻合，但存在一定的規(guī)律性趨勢：固化土含水率越高，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受壓實(shí)條件的影響越??；固化土含水率約低，要求壓實(shí)條件越苛刻，否則固化土強(qiáng)度容易出現(xiàn)明顯下降。這是因?yàn)?，在大致相同的干密度下，濕密度越高（即固化土含水率越高），固化土中氣相越少，氣相是代表完全不能受力的孔隙，是缺陷，而氣相替換為水相，水相由于其尺寸很薄，可通過水本身的張力分擔(dān)一定量的應(yīng)力，從而在宏觀上表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度，此外，在相同的壓實(shí)條件下，在水不過量的情況下（在一定的壓力條件下，剛好可把土體壓實(shí)到飽和狀態(tài)時(shí)的含水率，或低于此含水率），水可作為土壤顆粒的潤滑劑來提高固化土的密實(shí)度，從而提高固化土干密度，因此，若施工時(shí)壓實(shí)條件較差時(shí)，不應(yīng)簡單地把回填土含水率控制在《JTG E40－2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定土最佳含水率，而是根據(jù)現(xiàn)實(shí)壓實(shí)條件提高回填土含水率，才能達(dá)到在現(xiàn)實(shí)壓實(shí)條件下的最大干密度和最大強(qiáng)度。

圖20 水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

圖21 土壤固化劑1#（摻量2‰）固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

圖22 土壤固化劑2#（摻量2‰）固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

圖23 土壤固化劑3#（摻量2‰）固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

圖24 通用減水劑（摻量2‰）固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

對(duì)比最佳含水率下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.96MPa，土壤固化劑1#固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.47MPa，土壤固化劑2#固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為4MPa，土壤固化劑3#固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5.91MPa，通用減水劑固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.44MPa，即在保證最大干密度大于水泥土對(duì)比樣的情況下，4 種材料中只有一種材料強(qiáng)度高于水泥對(duì)比樣。

綜合2.1 和2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，土壤固化劑或外加劑可以使固化土濕密度提高0.06g/cm3、干密度提高0.04g/cm3，但并不能保證固化土強(qiáng)度也會(huì)帶來相應(yīng)的提高，即使固化土強(qiáng)度提高了（如從4.96MPa 提高到5.91MPa），其提高的幅度甚至還達(dá)不到固化土實(shí)驗(yàn)本身的實(shí)驗(yàn)誤差（圖8～圖14 中0 摻量下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度即為相同配方下不同時(shí)間成型的水泥固化土強(qiáng)度，強(qiáng)度偏差最大超過1MPa），即土壤固化劑的固化效果并不明顯，這也是工程中經(jīng)常被詬病的地方。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本文通過研究不同外加劑對(duì)紅土固化土性能的影響，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

⑴待固化紅土含水率為22%時(shí)，1#、2#、3#土壤固化劑及通用減水劑可提高固化土的濕密度，但只有3#土壤固化劑摻量為1‰時(shí)固化土強(qiáng)度有較提升；4#土壤固化劑不會(huì)提升固化土濕密度，但固化土強(qiáng)度有提升；有機(jī)陽離子對(duì)固化土的濕密度和強(qiáng)度影響較小。

⑵在摻量2‰的摻量下，1#、2#、3#土壤固化劑和通用減水劑不能降低紅土固化土的最佳含水率，但會(huì)提高固化土的最大干密度，只有3#土壤固化劑對(duì)應(yīng)的最佳含水率下的固化土強(qiáng)度比水泥土對(duì)比樣高。

⑶固化土施工時(shí)的含水率應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場壓實(shí)條件調(diào)整固化土含水率，壓實(shí)條件越好，對(duì)應(yīng)最佳含水率越低，壓實(shí)條件越差，對(duì)應(yīng)的最佳含水率越高。

3.2 展望

土壤固化劑產(chǎn)品已出現(xiàn)了數(shù)十年，仍處于王婆賣瓜的階段，缺乏成熟的理論基礎(chǔ)，缺乏令人信服的機(jī)理研究。作為土壤固化劑的研發(fā)人員，首先必須要確定，我們所開發(fā)的土壤固化劑在固化土體系中究竟起什么作用，是作為膠凝材料粘接土壤顆粒？是通過化學(xué)催化促進(jìn)土壤顆粒參與反應(yīng)？還是通過物理化學(xué)方式提高固化土的施工性能？如果是作為膠凝材料粘結(jié)土壤顆粒，那需要多少土壤固化劑的量，參考水泥，有什么優(yōu)缺點(diǎn)？如果是作為催化劑[4]促進(jìn)土壤顆粒參與反應(yīng)，那么反應(yīng)材料是什么？反應(yīng)如何進(jìn)行？土壤顆粒的硅氧鍵和鋁氧鍵如何打開？如果是要提高固化土的施工性能，那么應(yīng)該如何評(píng)價(jià)？如何讓土壤顆粒和無機(jī)結(jié)合料的混合更快速、更均勻，如何使固化土更容易碾壓密實(shí)，如何讓混合料從開始混合到碾壓完成的可施工時(shí)間更長？

土壤固化劑不應(yīng)該只是一個(gè)噱頭，土壤固化劑不需要促進(jìn)土壤顆粒反應(yīng)這樣的噱頭，土壤固化劑需要的是真真正正來改善土壤固化施工的實(shí)實(shí)在在的外加劑，土壤固化的科研需要真正的開展起來，因?yàn)楣こ探ㄔO(shè)的棄土真的堆積如山，無處可去了。