淤泥質(zhì)土壤固化劑的技術(shù)分析與研究

賀鑫HE Xin；張玉蘋ZHANG Yu-ping

（綿陽城市學(xué)院建筑工程學(xué)院，綿陽 621000）

0 引言

淤泥質(zhì)土壤的處理，無論是在水利、交通，還是城市建設(shè)項(xiàng)目上都是一個(gè)棘手的難題。在該類土質(zhì)上進(jìn)行作業(yè)施工，首要環(huán)節(jié)就是對其進(jìn)行固化處理，降低含水率，提高密實(shí)度和承載能力。隨著時(shí)代的發(fā)展，填埋砂、石等傳統(tǒng)處理方法對于淤泥質(zhì)土壤而言已不切可行，資源合理利用、自然環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)成本無不成為我們考慮的因素。對此，研究淤泥質(zhì)土壤固化劑顯得尤為重要。

本文通過闡述傳統(tǒng)無機(jī)膠凝材料的優(yōu)缺點(diǎn)，指出單一固化材料的固化缺陷，分析固化劑研究現(xiàn)狀及固化機(jī)理，在研究人員的基礎(chǔ)上，對淤泥質(zhì)土壤固化劑的研究進(jìn)行綜述，對其未來的研究方向進(jìn)行展望，為淤泥質(zhì)土壤固化劑的應(yīng)用提供參考。

1 淤泥質(zhì)土壤固化的主要特點(diǎn)

淤泥質(zhì)土壤屬于軟土的一種，具有自身礦物成分復(fù)雜、天然高含水率、天然大孔隙比、滲透系數(shù)小、低強(qiáng)度、高壓縮性、形態(tài)多為流體狀等特點(diǎn)，其固化處理相較于砂質(zhì)軟粘土、巖土更為復(fù)雜，對于水利工程、交通道路工程、土建地基工程而言淤泥質(zhì)土壤的固化處理是對工程技術(shù)人員的巨大考驗(yàn)和難題[1]。我國絕大多數(shù)地區(qū)都處于季風(fēng)氣候區(qū)，常年多雨天氣，氣候濕潤，降水豐沛，多易形成泥地積水和河湖沼澤地，這無疑不增加了工程地基處理施工的難度。

常見的淤泥固化處理方式為脫水處理和固結(jié)處理，通過采取抽吸、過濾脫水等方式對淤泥進(jìn)行初步脫水，先降低淤泥質(zhì)土壤本身的含水率，再添加主固化材料（傳統(tǒng)無機(jī)膠凝材料—水泥）以及其他不同類型的固化劑對淤泥進(jìn)行固結(jié)處理，使淤泥的土質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)承載能力強(qiáng)度。此外，淤泥質(zhì)土壤中富含微生物有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)，常呈灰黑色黏糊狀，在空氣和日照的作用下有刺鼻性氣味的惡臭，影響城市的綠色生態(tài)建設(shè)，對于淤泥質(zhì)土壤進(jìn)行固化處理、固化劑研究符合國家城市的環(huán)境友好型生態(tài)建設(shè)，對淤泥質(zhì)土壤進(jìn)行改良處理，再生利用，亦可緩解城市土地資源緊缺不足的問題。為此，眾多研究學(xué)者針對淤泥質(zhì)土壤的固化處理和固化劑研究展開了眾多分析，在傳統(tǒng)無機(jī)膠凝材料固化方法的基礎(chǔ)上，對外加固化劑進(jìn)一步研究配制。

2 淤泥質(zhì)土壤固化劑國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 淤泥質(zhì)土壤固化劑的分類

近20 年以來，隨著科技研究和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，社會(huì)時(shí)代的發(fā)展，對于淤泥質(zhì)土壤固化劑的研究得到了創(chuàng)新性、實(shí)質(zhì)性的發(fā)展進(jìn)步，許多新型材料被國內(nèi)外學(xué)者研制開發(fā)出來，涌現(xiàn)了許多不同類型的固化劑材料，按外觀形貌可大致分為液體類固化劑和粉末狀類固化劑；按主要成分來劃分，則可分為無機(jī)化合物類固化劑、有機(jī)化合物類固化劑、生物酶類固化劑、復(fù)合型固化劑等[2]。下面對這四種固化劑展開進(jìn)一步分析：

2.1.1 無機(jī)化合物類固化劑

無機(jī)化合物類固化劑作為最早使用的固化材料，其主要包括水泥3CaO·SiO2，石灰CaO，粉煤灰SiO2，工業(yè)生產(chǎn)的附加廢料，如礦渣和鋼渣Ca、Mg、Fe、Si 及其氧化物、廢石膏CaSO4、磷石膏CaSO4·2H2O 等，此類固化材料多具有良好的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和抗凍性能，且材料易獲取，固化速度快，已經(jīng)在很多工程中得到了廣泛的運(yùn)用[3]。此類無機(jī)化合物固化劑的優(yōu)點(diǎn)毋庸置疑，作為最早的膠凝固化材料，在過去的數(shù)百年里得到了人們長時(shí)間信賴，成為了材料固化的必需品，但也隨著時(shí)代科技的進(jìn)步，綠色環(huán)保理念的流行，其潛在的缺點(diǎn)也日益暴露。此類無機(jī)膠凝材料由于含大量堿性物質(zhì)，直接用于固化土壤會(huì)大幅提升土壤的堿性值，固化后的土質(zhì)無法滿足植物生長所需的酸堿平衡值，大多植物無法正常存活，基本喪失了其生長能力；此類無機(jī)膠凝材料由于自身材料性能的缺陷，在使用后期出現(xiàn)干縮、溫縮等現(xiàn)象，會(huì)造成開裂，加之固化材料本身成本較高，硬化機(jī)理不完善，雖然有較好的膠結(jié)固化功效，但對于松散土顆粒的孔隙填充存在很大缺陷，為此，研究更多新型淤泥質(zhì)土壤固化劑是很有必要的。

2.1.2 有機(jī)化合物類固化劑

有機(jī)化合物類固化劑主要包括水玻璃類材料、環(huán)氧樹脂和有機(jī)高分子等材料[4]。王琳[5]在對淤泥固化劑的研究中提到，通過離子交換作用將淤泥土水分中的電荷與淤泥顆粒電荷充分交換，使之減少土壤孔隙及表面張力所引起的吸水作用，使淤泥由“親水”變成“憎水”。韋猛[6]通過實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)吸水樹脂含有酰胺基、羧基和磺酸基等強(qiáng)親水性基因，添加少量吸水樹脂到淤泥質(zhì)土壤中可以產(chǎn)生較好的絮凝作用。有機(jī)化合物類固化劑加入淤泥質(zhì)土壤中，迅速與土中水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，在土粒表面和土壤空隙之間生成大量絮凝膠結(jié)物，土顆粒間的黏聚力c 不斷增大，內(nèi)摩擦角φ 不斷減小，土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)性能得到顯著提升，達(dá)到淤泥質(zhì)土壤固化目的。

2.1.3 生物酶類固化劑

生物酶類固化劑在廣義上屬于蛋白質(zhì)多酶基產(chǎn)品，是一種從植物中提取的，經(jīng)過一系列發(fā)酵處理而產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)蛋白質(zhì)，多為液體，無毒且不會(huì)造成環(huán)境的污染[7]。此類固化劑材料通過與淤泥質(zhì)土壤中的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)形成膠結(jié)物來減小滲透性，使土顆粒內(nèi)部的離子得到交換，斥力降低，再經(jīng)過外力的壓縮作用，促進(jìn)淤泥質(zhì)土壤中水分的排出，提高土體強(qiáng)度[8]。王昌衡[9]通過實(shí)驗(yàn)得到了TerraZyme 生物固化酶能使土質(zhì)滲透性下降，強(qiáng)度密實(shí)度提高，通過經(jīng)濟(jì)性分析得出生物酶類固化劑在造價(jià)上有絕對優(yōu)勢。吳宜桉[10]以泰然酶為研究對象，對其固化效果進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)檢測，使用泰然酶加固土的CBR（承載能力）值較原土質(zhì)增加了2～5 倍左右，用泰然酶加固石灰和水泥土?xí)r，其CBR 值再增大2～3 倍。米吉福[11]對生物酶類固化劑固化土壤的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR 值進(jìn)行了試驗(yàn)總結(jié)，表明隨著固化劑摻量的增加，土壤液限ωL、塑限ωP、最佳含水量均降低，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR 值隨摻量的增大和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而不斷增大，如圖1 所示。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR 值隨摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化趨勢

2.1.4 復(fù)合型固化劑

復(fù)合型類固化劑是指兩種或兩種以上的化學(xué)物質(zhì)，按照一定比例配合而成，通過將其添加到土壤當(dāng)中，使之改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)。其組成成分一般以傳統(tǒng)固化材料為主，輔之以其他各種催化性材料。20 世紀(jì)90 年代，隨著國外土壤固化劑先進(jìn)技術(shù)被引入中國后，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合中國土質(zhì)類特點(diǎn)加以實(shí)驗(yàn)研究，對于淤泥質(zhì)土壤固化劑進(jìn)行不斷探索。董博聞[12]運(yùn)用極差和方差分析法對生石灰、納米SiO2硅、礦渣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)總結(jié)，得出復(fù)合土壤固化劑最優(yōu)配比為32:3:65，固化土強(qiáng)度隨齡期的增長而增長，對淤泥質(zhì)土壤具有較好的固化效果。史燕南[13]對生石灰、茍性鈉、石膏、二氧化硅、三乙醇胺和水玻璃進(jìn)行了單滲實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：摻2%水玻璃、3%生石灰和0.5%苛性鈉效果最佳，但缺點(diǎn)是成本稍高。魯惠中[14]采用Box-Behnken試驗(yàn)對GGBS、CaO 和硫酸鈉進(jìn)行了固化強(qiáng)度分析，試驗(yàn)表明：三者的最優(yōu)配合比為11.97%、4.21%和4.65%，在7d齡期后的預(yù)期強(qiáng)度可達(dá)1228.48kPa。

固化處理研究要考慮的是一個(gè)復(fù)雜的多項(xiàng)體系，使用單一的固化材料往往不能起到最優(yōu)的效果，而復(fù)合型固化劑在這方面起到了很大程度上的作用。

2.2 淤泥質(zhì)土壤固化機(jī)理

土壤固化劑一般組成為無機(jī)材料、有機(jī)材料，將所有固化材料與淤泥質(zhì)土壤進(jìn)行混合調(diào)拌，已經(jīng)經(jīng)過初步降低含水率的淤泥質(zhì)土，在多種固化材料的催化下與之產(chǎn)生多種物理和化學(xué)反應(yīng)，使淤泥質(zhì)土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組變化。主固化材料（水泥）率先實(shí)現(xiàn)土壤的膠凝固結(jié)，使固化土壤初步成為一個(gè)整體，但由于淤泥質(zhì)土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同于一般砂、粘土，其內(nèi)部的空隙仍較大，依靠水泥自身的水解水化反應(yīng)并不能經(jīng)濟(jì)、有效地實(shí)現(xiàn)土壤的固化，進(jìn)而進(jìn)行外加固化劑的配套使用，由于外加固化劑多為有機(jī)類、金屬類的復(fù)合型材料，能較好地與原土質(zhì)進(jìn)行更活躍的化學(xué)聚合反應(yīng)、離子交換，生成大量的絮狀有機(jī)分子鏈和聚結(jié)顆粒，在最大程度上填充水泥固化后的土粒孔隙，在一定程度上也起到了骨架支撐作用，從而提高土壤密實(shí)度。

3 不足與展望

①我國對于土壤固化劑的研發(fā)和應(yīng)用起步偏晚，美國等發(fā)達(dá)國家較早意識(shí)到對于土壤固化劑研究的重要性。土壤固化劑作為地基固化處理的新型類材料，在現(xiàn)如今許多土壤固化工程建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)中都是不可或缺的，但其研究開發(fā)歷史較晚，早期的土壤固化技術(shù)大多是從美國等發(fā)達(dá)國家引進(jìn)，而技術(shù)又因地制宜，直接用于我們本土的土壤固化是不切現(xiàn)實(shí)的，因此，在技術(shù)運(yùn)用領(lǐng)域尚存在許多的問題與瓶頸。早期國內(nèi)對于土壤固化劑的實(shí)驗(yàn)研究重視程度不夠，土壤固化劑沒有得到創(chuàng)新性的進(jìn)步和突破，雖然國內(nèi)自主研發(fā)的土壤固化劑均取得了可圈的科研成果，但在深入研究與應(yīng)用推廣領(lǐng)域仍存在諸多需要處理的難題[15]。后續(xù)繼續(xù)對土壤固化劑做更深入的研究，在國家研究政策的大力支持下，創(chuàng)新研制更新型、更綠色環(huán)保類固化材料。

②無機(jī)化合物類固化劑的材料種類多為固定。作為最傳統(tǒng)的固化材料，無機(jī)化合物類固化劑種類形式過于單一，未來可以針對工業(yè)排放的廢料、廢渣進(jìn)行元素成分研究，提取出能用于固化的新型無機(jī)類材料，這既能豐富無機(jī)類固化劑的種類，又能在最大程度上利用工業(yè)廢料，使原本廢棄的資源得以資源化的利用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保雙效益。

③有機(jī)化合物類、生物酶類固化劑在作用于淤泥質(zhì)土壤固化上，強(qiáng)度和水穩(wěn)定性方面還有一定的不足。由于淤泥質(zhì)土壤本身含水率較高，有機(jī)類和生物酶類固化劑在固化性能上較無機(jī)膠凝材料而言還存在較明顯的差距，固化效率慢滿，固結(jié)強(qiáng)度低，使用壽命短。未來的有機(jī)化合物類、生物酶類固化劑應(yīng)加強(qiáng)其固化性能的實(shí)驗(yàn)研究。

④淤泥質(zhì)土壤含量復(fù)雜，市面上的固化劑特定性使用的局限性較大。不同類型的土壤固化需運(yùn)用不同的土壤固化劑材料，而針對于淤泥質(zhì)土壤而言，由于土壤其本身的有機(jī)物含量豐富，高含水率，大孔隙比，單一、通用的固化劑材料是不適用的，而一種類型的土壤固化劑配比也很少能直接運(yùn)用到另一種類型的土壤上。就此而言，未來可以對淤泥質(zhì)土壤固化劑的通用性、兼容性進(jìn)行完善，研發(fā)出更多適合我國國內(nèi)環(huán)境的土壤固化劑，更多地推廣應(yīng)用到相關(guān)的工程項(xiàng)目領(lǐng)域。

⑤此外，目前廣泛投入使用的固化劑材料還是多以堿性物質(zhì)為主骨料，直接用于土壤固化會(huì)大幅提升土壤的堿性值，對后續(xù)土壤上植物的生長產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為此，如何協(xié)調(diào)堿性大摻量固化劑與植物生長所需pH 值的矛盾將成為未來研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

4 結(jié)語

綜上所述，目前市面上已投入使用的淤泥質(zhì)土壤固化劑有很多種類，固化劑已被廣泛運(yùn)用到淤泥質(zhì)土壤固化處理中。淤泥質(zhì)土壤固化劑的研究、使用及推廣，使原本廢棄的淤泥得到了資源化的利用[16]，降低了工程成本，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時(shí)，推動(dòng)了綠色生態(tài)建設(shè)，最大權(quán)衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與綠色循環(huán)效益，是一次具有環(huán)保意義的工程建設(shè)領(lǐng)域革命。