地質(zhì)聚合物在特殊土處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

周亮 尹誠(chéng) 韓雪剛

近年來(lái)，地質(zhì)聚合物已成為一種替代普通硅酸鹽水泥常用的土壤膠凝材料，其可以提高特殊土的強(qiáng)度和剛度，并具有降低有毒污染、減少溫室氣體排放和提高能源利用率等優(yōu)勢(shì)，對(duì)特殊土加固具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。地質(zhì)聚合物作為一種新型綠色環(huán)保凝膠材料，通過(guò)膠凝作用使土顆粒成為更加密實(shí)的整體，從而實(shí)現(xiàn)改善特殊土的工程性質(zhì)。本文就地質(zhì)聚合物在特殊土處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行歸納和總結(jié)，以期為地質(zhì)聚合物處理特殊土的后續(xù)研究提供參考。

1概述

1.1特殊土

我國(guó)地區(qū)廣泛地分布著濕陷性黃土、膨脹土、紅黏土、多年凍土與鹽漬土等特殊土類(lèi)。

不僅表現(xiàn)出其工程特性對(duì)水分子、溫度外界條件的敏感性，還表現(xiàn)出其物理與力學(xué)特性的不一致性等問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，處理特殊土的理論和技術(shù)是國(guó)內(nèi)外巖土界研究的重要領(lǐng)域。

1.2地質(zhì)聚合物

地質(zhì)聚合物是一種以硅、鋁元素為主的聚合膠凝材料，被認(rèn)為是有望取代水泥的新型綠色膠凝材料。地質(zhì)聚合物與硅酸鹽水泥相比，是一種生產(chǎn)成本低、能耗低、二氧化碳排放量少的新型膠凝材料，其種類(lèi)目前大致以粉煤灰（FA）、礦渣（S）、偏高嶺土和赤泥等作為前驅(qū)體，通過(guò)堿性活化劑激活，制備地質(zhì)聚合物砂漿加固特殊土，不僅最大化利用了各類(lèi)廢棄物，減少了溫室氣體的排放，而且具有較高的抗壓強(qiáng)度和優(yōu)良的力學(xué)特性。目前，地質(zhì)聚合物作為建筑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者研究其替代水泥作為新型膠凝材料加固特殊土的強(qiáng)度和耐久性，并表明其與水泥、石灰相比具有更好的力學(xué)性能和潛在優(yōu)勢(shì)。

2研究進(jìn)展

2.1地聚物加固膨脹土研究進(jìn)展

膨脹土作為典型特殊土類(lèi)之一，由于土中含有較多的蒙脫石、伊利石等黏土礦物，具有很強(qiáng)的親水性，是一種浸水后體積劇烈膨脹，失水后體積顯著收縮的黏性土，這類(lèi)土對(duì)建筑物會(huì)造成嚴(yán)重危害，是破壞公路、建筑物和其他基礎(chǔ)設(shè)施的典型土壤類(lèi)型，有研究表明，膨脹土引起的體積變化比洪水和地震等自然災(zāi)害引起的體積變化更嚴(yán)重，為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須使用各種礦物或化學(xué)添加劑如石灰和水泥來(lái)改良土壤，以改變其工程性能。雖然水泥可以用來(lái)固結(jié)砂土，但不能單獨(dú)使用水泥固結(jié)膨脹土，需搭配石灰加固膨脹土，然而由于石灰和水泥生產(chǎn)過(guò)程中排放大量的溫室氣體，不是一種可持續(xù)的綠色施工方法。因此，近些年來(lái)，眾多學(xué)者采用粉煤灰基地質(zhì)聚合物復(fù)合外加劑對(duì)膨脹土進(jìn)行加固處理，并表明地質(zhì)聚合物的摻入對(duì)膨脹土的壓縮特性和強(qiáng)度特性有顯著的增強(qiáng)作用，在天然膨脹土中加入不同比例的地質(zhì)聚合物外加劑，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)土壤的一些指標(biāo)進(jìn)行分析，如比重、液體極限、收縮極限和單軸壓縮值，表明：地質(zhì)聚合物外加劑組合使用極大地改變了土的液限、塑限和壓實(shí)特性，即降低了膨脹土的體積變化，添加礦渣并利用堿激發(fā)可以有效提高土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2.2地聚物加固黃土研究進(jìn)展

黃土在中國(guó)分布廣泛，是工程建設(shè)中重要的天然材料，但因其具有濕陷性以及壓縮性，往往會(huì)導(dǎo)致路基塌陷、建筑物沉降等一系列工程問(wèn)題。因此對(duì)黃土進(jìn)行改良，通過(guò)加入添加劑提高其強(qiáng)度具有重要的工程意義。眾多學(xué)者研究粉煤灰基地質(zhì)聚合物固化黃土的抗壓強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)及物相組成的影響，探討其固化機(jī)理，其中有學(xué)者通過(guò)研究石膏堿激發(fā)地質(zhì)聚合物固化黃土，石膏摻量對(duì)固化黃土的微觀形貌及整體性能有很大的影響，固化黃土微觀結(jié)構(gòu)的完整度和連續(xù)性隨著石膏摻量的增加而提高，但過(guò)量的固化劑阻礙了水化產(chǎn)物的發(fā)育，導(dǎo)致架空結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，為固化黃土的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。此外，有學(xué)者通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和崩解試驗(yàn)研究了不同模數(shù)和波美度的水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物固化黃土的工程特性，結(jié)合掃描電鏡、物理吸附試驗(yàn)分析了固化黃土的微觀結(jié)構(gòu)，表明凝膠物質(zhì)對(duì)土顆粒的包裹作用及其數(shù)量是影響固化黃土強(qiáng)度的主因。

2.3地聚物加固其他特殊土研究進(jìn)展

地質(zhì)聚合物加固各類(lèi)特殊土不僅具有較高抗壓強(qiáng)度，而且在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、脫水和腐蝕性化學(xué)環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，此外，地質(zhì)聚合物的含量和固化時(shí)間對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)育有較大的影響。有研究證實(shí)采用偏高嶺土基和赤泥-低鈣粉煤灰基地質(zhì)聚合物進(jìn)行含硫軟土加固是一種有效的途徑，另有眾多研究指出地質(zhì)聚合物能夠代替水泥功效對(duì)軟土、鹽漬土和紅黏土起到較好的固化作用，改良土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較純水泥改良土加固有較大提升，并有眾多研究結(jié)合微觀分析揭示了水化和固化的形成，表明地質(zhì)聚合物生成的膠凝相極大填充了土結(jié)構(gòu)的空隙，增強(qiáng)了土顆粒之間的黏聚力，并結(jié)合微觀相貌和物相分析得到不同因素對(duì)地質(zhì)聚合物特殊土加固體的影響規(guī)律。

3地質(zhì)聚合物在軟土地基應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)

黨的十九屆五中全會(huì)將“十四五”規(guī)劃與2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)統(tǒng)籌考慮，為建筑行業(yè)提供了行動(dòng)指南、指明了前進(jìn)方向，同時(shí)結(jié)合我國(guó)建筑行業(yè)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和綠色化重大戰(zhàn)略布局，這給地質(zhì)聚合物特殊土加固處理的研究與應(yīng)用帶來(lái)了契機(jī)。研究地質(zhì)聚合物固結(jié)特殊土的力學(xué)強(qiáng)度影響因素具有重要意義，有助于地質(zhì)聚合物綠色膠凝劑在巖土工程中的應(yīng)用發(fā)展?；谀壳皩?duì)地質(zhì)聚合物處理特殊土研究成果的總結(jié)，未來(lái)的發(fā)展將集中在以下幾個(gè)方面。

（1）力學(xué)性能方面：地質(zhì)聚合物雖然其力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)環(huán)保性?xún)?yōu)于普通硅酸鹽水泥，然而，目前對(duì)地質(zhì)聚合物加筋土的研究大多集中在靜載作用下的力學(xué)性能，而缺少動(dòng)荷載、循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能，這需要進(jìn)一步的研究，定量及定性地分析其力學(xué)特性的變化規(guī)律。

（2）綜合性能方面：地質(zhì)聚合物加筋土具有較高強(qiáng)度和剛度，在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、脫水和腐蝕性化學(xué)環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，但往往存在易收縮開(kāi)裂、凝結(jié)時(shí)間較難控制等缺陷。因此，在保證高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加劑來(lái)綜合改善地質(zhì)聚合物加筋土的綜合性能是未來(lái)研究的重要方向。

（3）處治技術(shù)方面：隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，特殊土地基處理技術(shù)也愈發(fā)成熟，各類(lèi)特殊土處治手段的結(jié)合運(yùn)用極大地提高了處治效果和處治效率，因此地質(zhì)聚合物聯(lián)合樁基礎(chǔ)、土工合成材料加筋等其他處治手段加固地基是接下來(lái)地質(zhì)聚合物特殊土處理技術(shù)發(fā)展的又一方向。

4結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)隨著城市的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)特殊土進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)勢(shì)在必行，添加無(wú)機(jī)膠凝材料的方法經(jīng)常被用來(lái)改善土壤的許多巖土特性，通過(guò)使用地質(zhì)聚合物來(lái)改善特殊土的許多巖土特性，許多研究結(jié)果表明，該方法在應(yīng)用于實(shí)時(shí)問(wèn)題時(shí)具有足夠的可靠性。地質(zhì)聚合物作為膠凝材料能夠極大改善特殊土的不良工程特性，實(shí)現(xiàn)了廢物再利用，在施工中考慮降低成本的同時(shí)兼顧環(huán)境保護(hù)，為推進(jìn)建筑行業(yè)綠色工程建設(shè)、實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)工程可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

作者簡(jiǎn)介

周亮，男，漢族，工程師，學(xué)士，主要從事道路工程施工工作，湖南省建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目（KY201918，KY201919）