外加劑對固化土性能的影響研究

林順官

（福建省建筑科學研究院有限責任公司；福建省綠色建筑技術重點實驗室）

0 引言

工程的建設過程往往需要土體開挖、土體回填。土體開挖會產生大量渣土，渣土產生量往往會遠超土體回填量，渣土最終成為棄土，棄土產生量伴隨工程建設體量的增加而急速增長，對生態環境的壓力也越來越大，因此，對棄土進行必要改性，將棄土制備成性能合格的建設材料，從而減少棄土的產生量，是意義重大的。

為促進棄土資源化，增加棄土的消納量，國內外專家和學者開發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用于道路修筑[2]、磚材制備[3]等領域。根據《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，通過與無機結合料、土壤和水的物理和（或）化學反應，改善土壤工程性能的外加劑。從作用機理分析，土壤固化外加劑對土壤固化的主要貢獻包括土壤顆粒表面改性及無機結合料（包括水泥）水化調節兩方面。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，影響土顆粒和無機結合料顆粒在碾壓成型時具有更高的密實度，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，但從機理分析，此特性必然影響土體顆粒與無機結合料間的粘結性能，從而降低固化土強度；無機結合料水化調節作用類似于水泥混凝土中所使用的外加劑，如緩凝劑、早強劑等等，通過延長無機結合料的凝結時間，改善固化土可施工時間過短的不利影響，通過調節無機結合料的早硬早強，減少固化土磚等預制件的養護出廠時間。

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驗，研究其對固化土密度和強度的影響。

1 實驗方法

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用土，山土為紅色，液限57.8%，塑限32.7%，塑性指數為25.1，細粒組含量為83.2%。

⑶水泥。選擇市售煉石牌P·O425 水泥作為無機結合料，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，以壓力機壓制成型，試塊直徑為50mm；為量化不同的壓實條件，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卡尺測試固化土高度，及稱量試塊質量，根據密度公式計算試塊濕密度，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 公路土工試驗規程》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應的含水率為最佳含水率。

⑷無側限抗壓強度

參考《土壤固化外加劑》CJ/T486 無側限抗壓強度測試方法。

2 實驗結果與討論

2.1 土壤固化劑摻量對固化土性能的影響

固化土施工時要求根據其混合料的最佳干密度控制其含水率，但在實際施工中，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，因此，下列實驗控制基土含水率為22%（土松散，手捏可成團），固定水泥摻量為濕土質量的2.2%，土壤固化劑等固化輔助材料按干土的質量萬分比摻加，并根據廠家建議摻量增減。

2.1.1 濕密度

根據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，經不同的壓實條件壓實，固化土的濕密度見圖1～圖7。2.5MPa 的壓實條件下，固化土的整體性很差，表面會有較明顯的顆粒掉落，因此濕密度離散型很大，與其他壓實條件下的值相差較大，趨勢一致性也較差，壓實條件超過5MPa，不同壓實條件的濕密度曲線趨勢基本一致。

圖1 土壤固化劑1# 對固化土濕密度的影響

圖2 土壤固化劑2# 對固化土濕密度的影響

圖3 土壤固化劑3# 對固化土濕密度的影響

圖4 土壤固化劑4# 對固化土濕密度的影響

圖5 通用減水劑對固化土濕密度的影響

圖6 十二烷基三甲基氯化銨對固化土濕密度的影響

圖7 十二烷基三甲基溴化銨對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，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，伴隨通用減水劑摻量的增加，固化土的濕密度也出現一定的提高，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揮提高固化土濕密度的作用，還會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，根據其使用方法推測其為無機結合料調節劑。從圖4 可看出，4#土壤固化劑對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，在試驗范圍內，兩種陽離子表面活性劑皆對固化土濕密度不產生影響。

2.1.2 無側限抗壓強度

土壤固化劑1#對固化土無側限抗壓強度的影響見圖8，除2.5MPa 壓力條件下的強度曲線外，所有曲線的起伏相對較小，只在摻量為2‰和5‰時固化土強度略有提高，但幅度較小，對照圖1，2‰對應的是固化土濕密度最大值，即密實度最高，但5‰對應的濕密度較低，說明1#土壤固化劑可能是復合型外加劑，其一是可提高密實度的表面活性劑，但抑制水泥水化作用，因此會出現強度波峰；其二是可提高水泥水化或水泥與土界面粘結強度的物質，伴隨摻量提高，強化作用因此加強，因此在5‰時出現極值。

土壤固化劑2#對固化土無側限抗壓強度的影響見圖9，土壤固化劑的摻入，并不能提高固化土無側限抗壓強度，對照圖2，土壤固化劑在提高固化土密實度的情況下，仍不能提高固化土強度，說明土壤固化劑對固化土的強度發展存在一定的抑制作用。

圖8 土壤固化劑1# 對固化土無側限抗壓強度的影響

圖9 土壤固化劑2# 對固化土無側限抗壓強度的影響

土壤固化劑3#對固化土無側限抗壓強度的影響見圖10，在摻量為1‰時，固化土7d 無側限抗壓強度處于最大值，伴隨固化劑摻量增加，固化土無側限抗壓強度緩慢下降，最終低于對比樣無側限抗壓強度，對照圖3，固化土強度的最大值并非出現在濕密度極值點上，說明土壤固化劑3#在提高密實度的基礎上，對水泥水化或水泥與土界面粘結產生較強的抑制作用，推測3#固化劑是表面活性劑外加劑。

圖10 土壤固化劑3# 對固化土無側限抗壓強度的影響

土壤固化劑4#對固化土無側限抗壓強度的影響見圖11，其對固化土的無側限抗壓強度有促進作用，其中摻量為4‰時，固化土強度最大，換算成土壤固化劑占水泥的質量比約為1.8%，與廠家建議摻量1%～1.5%極為相近，對照圖4，4#土壤固化劑并非通過提高密實度來提高固化土強度，很可能只是通過促進水泥水化反應提高固化土強度，此固化劑對固化土無側限抗壓強度強度的提高幅度相對最大，從固化土壤的角度看，促進無機結合料的水化進程是提高固化土強度較為有效的手段。

圖11 土壤固化劑4# 對固化土無側限抗壓強度的影響

通用減水劑對固化土無側限抗壓強度的影響見圖12，固化土無側限抗壓強度伴隨通用減水劑摻量增加而先減后增，在最大摻量時固化土的無側限抗壓強度也出現最大值，對照圖5，固化土無側限抗壓強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限抗壓強度應該是可行的，但其摻量可能需要提高。

圖12 通用減水劑對固化土無側限抗壓強度的影響

兩種陽離子表面活性劑對固化土無側限抗壓強度的影響見圖13 和圖14，對照圖6 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限抗壓強度。通過大體積的有機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構，從而影響固化土的性能，目前看效果幾乎沒有，可能是有機陽離子的置換率太小，也可能是有機陽離子在堿體系中不穩定，此方面需要更深入系統的研究才能得到更準確有效的結論。

綜上所述，在22%的紅土固化實驗中，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度，即固化土濕密度提高并不能保證固化土強度的提高。

圖13 十二烷基三甲基氯化銨對固化土無側限抗壓強度的影響

圖14 十二烷基三甲基溴化銨對固化土無側限抗壓強度的影響

2.2 土壤固化劑對固化土最佳含水率的影響

根據2.1.1 土壤固化劑對固化土濕密度影響的實驗數據，對能提高固化土濕密度的土壤固化劑進行進一步測試，檢驗土壤固化劑對固化土最佳含水率的影響。

2.2.1 干密度

固化土干密度數據見圖15～圖19，從圖中可以看出，在不同的壓實條件下，固化土的最大干密度不同，所對應的最佳含水率也不一樣，壓力越小，對應的最佳含水率越高。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，但干密度相對于無土壤固化劑試樣有所提高。此外，不同的壓實條件對固化土的干密度影響很大，但伴隨固化土含水率的升高，不同壓實條件對固化土干密度的影響越來越小。

圖15 不同壓實條件下水泥固化土干密度曲線

圖16 不同壓實條件下土壤固化劑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 公路土工試驗規程》規定土最佳含水率的測試方法，對應的壓實條件與靜壓12.5MPa 相當（相同配方下兩者密度相當），則按上述標準定義，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 無側限抗壓強度

固化土無側限抗壓強度曲線見圖20～圖24，強度曲線的波動較大，與干密度曲線不能完全吻合，但存在一定的規律性趨勢：固化土含水率越高，其無側限抗壓強度受壓實條件的影響越小；固化土含水率約低，要求壓實條件越苛刻，否則固化土強度容易出現明顯下降。這是因為，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一定量的應力，從而在宏觀上表現出更高的強度，此外，在相同的壓實條件下，在水不過量的情況下（在一定的壓力條件下，剛好可把土體壓實到飽和狀態時的含水率，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度，從而提高固化土干密度，因此，若施工時壓實條件較差時，不應簡單地把回填土含水率控制在《JTG E40－2007 公路土工試驗規程》規定土最佳含水率，而是根據現實壓實條件提高回填土含水率，才能達到在現實壓實條件下的最大干密度和最大強度。

圖20 水泥固化土無側限抗壓強度曲線

圖21 土壤固化劑1#（摻量2‰）固化土無側限抗壓強度曲線

圖22 土壤固化劑2#（摻量2‰）固化土無側限抗壓強度曲線

圖23 土壤固化劑3#（摻量2‰）固化土無側限抗壓強度曲線

圖24 通用減水劑（摻量2‰）固化土無側限抗壓強度曲線

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

綜合2.1 和2.2 實驗結果的分析，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度也會帶來相應的提高，即使固化土強度提高了（如從4.96MPa 提高到5.91MPa），其提高的幅度甚至還達不到固化土實驗本身的實驗誤差（圖8～圖14 中0 摻量下的無側限抗壓強度即為相同配方下不同時間成型的水泥固化土強度，強度偏差最大超過1MPa），即土壤固化劑的固化效果并不明顯，這也是工程中經常被詬病的地方。

3 結論與展望

3.1 結論

本文通過研究不同外加劑對紅土固化土性能的影響，得出以下幾個結論：

⑴待固化紅土含水率為22%時，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‰時固化土強度有較提升；4#土壤固化劑不會提升固化土濕密度，但固化土強度有提升；有機陽離子對固化土的濕密度和強度影響較小。

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，但會提高固化土的最大干密度，只有3#土壤固化劑對應的最佳含水率下的固化土強度比水泥土對比樣高。

⑶固化土施工時的含水率應根據現場壓實條件調整固化土含水率，壓實條件越好，對應最佳含水率越低，壓實條件越差，對應的最佳含水率越高。

3.2 展望

土壤固化劑產品已出現了數十年，仍處于王婆賣瓜的階段，缺乏成熟的理論基礎，缺乏令人信服的機理研究。作為土壤固化劑的研發人員，首先必須要確定，我們所開發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？是通過化學催化促進土壤顆粒參與反應？還是通過物理化學方式提高固化土的施工性能？如果是作為膠凝材料粘結土壤顆粒，那需要多少土壤固化劑的量，參考水泥，有什么優缺點？如果是作為催化劑[4]促進土壤顆粒參與反應，那么反應材料是什么？反應如何進行？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，那么應該如何評價？如何讓土壤顆粒和無機結合料的混合更快速、更均勻，如何使固化土更容易碾壓密實，如何讓混合料從開始混合到碾壓完成的可施工時間更長？

土壤固化劑不應該只是一個噱頭，土壤固化劑不需要促進土壤顆粒反應這樣的噱頭，土壤固化劑需要的是真真正正來改善土壤固化施工的實實在在的外加劑，土壤固化的科研需要真正的開展起來，因為工程建設的棄土真的堆積如山，無處可去了。