地質聚合物固化土研究現狀及展望

中圖分類號： TU472.5 最近更新：2024-11-22 DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.090

摘要

隨著對地質聚合物研究的不斷深入，將其作為固化劑應用于土壤固化領域的研究受到了廣泛關注。地質聚合物作為一種新興的土壤固化劑，是一種以富硅鋁酸鹽礦物為前驅體，在堿激發劑作用下形成的綠色無機膠凝材料，具有力學性能良好、耐久性優異以及低碳環保等優點，能夠有效克服水泥/石灰等傳統土壤固化劑能耗高、污染大以及耐久性差等缺點，被普遍認為是傳統土壤固化劑的理想替代品。為明確地質聚合物對土壤的加固機理和增強效果，回顧近年來地質聚合物固化土的研究進展，介紹地質聚合物固化土的反應機理，詳述不同因素對地質聚合物固化土無側限抗壓強度和抗剪強度等力學性能的影響，討論地質聚合物固化土在凍融循環、干濕循環以及化學離子侵蝕等作用下的耐久性，并對地質聚合物固化土技術未來發展方向進行展望。

關鍵詞

地質聚合物; 固化土; 土壤固化劑; 反應機理; 力學性能; 耐久性

近年來，地基處理技術與工程應用研究在中國取得了長足發展。根據中國工程院院士龔曉南主編的《地基處理技術及發展展望》[1]可知，目前中國地基處理技術主要分為置換法、排水固結法、化學固化法、夯實擠密法、托換與糾傾、遷移、加筋法等。隨著社會經濟的蓬勃發展，也迎來了基礎設施建設高潮，基礎工程成為了工程建設的重中之重。在地基處理等工程建設過程中會遇到各種性質多變的土壤，例如軟土、膨脹性土、鹽漬土、硫酸鹽土、淤泥質土、紅黏土、濕陷性黃土等，主要受地理環境、氣候條件、地質成因以及次生變化等因素影響，具有結構復雜、土體性質難以預測等特征[2-4]。針對上述土壤，在目前加固處理技術中，化學固化法因效率高、適應性強、經濟性好而被廣泛應用。

化學固化法是指將固化劑與待處理土體強制攪拌形成整體，通過物理-化學作用提高土體的微觀及宏觀性能。目前，在地基處理過程中普遍采用普通硅酸鹽水泥（OPC）和石灰作為固化劑，但這兩類固化劑均存在能耗高、污染大、碳排放高等問題。據研究報道，生產1 t OPC會向大氣中排放0.8～1.0 t CO2[5]，能耗為87.6～116.6 kJ[6]，生產1 t石灰能耗為6.98～9.31 MJ[7]。此外，水泥/石灰固化土雖然力學性能較好，但普遍存在易開裂、干縮大、水穩性差、耐久性不足的特點[8]。

劉漢龍[9]針對傳統地基處理技術造價高、能耗高、環境污染大等問題，提出了綠色地基處理技術，并從綠色技術、綠色材料、綠色工藝、綠色裝備、綠色檢驗等方面對其進行了明確的闡述。其中綠色材料是指選用能耗低、無污染或少污染、易回收的材料。因此，基于上述理念，為推進落實中國“2030年碳達峰、2060年碳中和”戰略目標以及促進建筑業朝著低碳、節能、環保的方向發展，應用于地基處理之中亟須研發可有效替代水泥/石灰的綠色節能、生態環保的土壤固化劑。

地質聚合物是一種以富硅鋁酸鹽工業固體廢棄物為前驅體，在堿激發劑作用下，經過解聚、單體重建以及縮聚過程形成的三維網狀無機膠凝材料[10]，被認為是水泥或石灰等傳統固化劑的理想替代品。近年來學者們從反應機理、力學性能、工作性以及耐久性等方面對地質聚合物開展了大量試驗研究。研究表明，相對于傳統水泥基膠凝材料，地質聚合物具有早期強度高[11]、凝結硬化快[12]、收縮率低[13]、滲透性小[14]、耐化學離子侵蝕[15]、耐火性強[16]、固封重金屬離子效率高[17]等優勢。此外，在制備過程中，地質聚合物比水泥少60%～80%的CO2排放和60%的能耗[18]。然而，已有的研究主要集中于純地質聚合物或地質聚合物混凝土等方面，而關于地質聚合物固化土的研究相對較少。為此，筆者綜合學者們的研究成果，從反應機理、力學性能以及耐久性等方面對地質聚合物固化土研究進展進行系統綜述，并評述地質聚合物固化土今后研究尚待解決的問題，以期為地質聚合物固化土的應用研究提供參考和借鑒。

1 地質聚合物固化土反應機理

“地質聚合物”這一概念最早是由法國科學家Davidovits[19]于1989年提出，其指出地質聚合物是一類以工業固體廢棄物作為前驅體，在堿激發劑作用下經過溶解階段、單體解聚階段以及單體縮聚階段，由硅氧四面體[SiO4]4-和鋁氧四面體[AlO4]5-排列組合而成的三維網狀無機膠凝材料[20]。其中前驅體為富含硅鋁酸鹽礦物的大宗工業固體廢棄物，主要包括礦渣、粉煤灰、偏高嶺土、赤泥以及各類金屬尾礦等。而最為常用的堿激發劑主要是NaOH、KOH以及Na2SiO3等單一激發劑或復合激發劑。

Lothenbach等[21]根據前驅體原料中Ca/Si的比值，將地質聚合物劃分為高鈣體系、低鈣體系以及無鈣體系。研究表明，地質聚合物的反應產物和凝結硬化特征均與前驅體種類聯系緊密。王愛國等[22]通過總結關于地質聚合物相關研究，得出在低鈣體系（粉煤灰）或無鈣體系（偏高嶺土）下，生成的地質聚合物凝膠主要為水化硅鋁酸鈉（N-A-S-H）與微量水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H），并且隨著Ca/Si比值的升高，無定形的N-A-S-H逐漸轉變為結構相對有序的C-A-S-H，而在高鈣體系（礦渣）下，地質聚合物凝膠主要為C-A-S-H。此外，高鈣體系（礦渣）下的地質聚合物凝結速度較快，而低鈣體系（粉煤灰）下的地質聚合物在常溫環境下凝結速度較為緩慢[23]。

地質聚合物對土壤的固化過程主要為富硅鋁酸鹽前驅體原料在堿激發劑作用下，經過地質聚合反應（以下簡稱“地聚反應”）形成地質聚合物凝膠材料，其中一部分地質聚合物凝膠凝結硬化構成聚合物骨架，另一部分地質聚合物凝膠包裹著土顆粒并填滿土顆粒間的多余空隙形成土顆粒團聚體。聚合物骨架承托著土顆粒團聚體通過相互連接構成地質聚合物固化土空間結構體系，以此提高土體宏觀力學性能[24]。Xiang等[25]指出地質聚合物與土顆粒間的團聚作用主要是由于土顆粒表面的Na+和K+與地質聚合物水化產物中的Al3+發生了等效吸附交換的化學反應，隨著吸附和交換的持續進行，土顆粒越來越小，而土顆粒團聚體越來越大。因此，土體強度也會隨之顯著增大。

Yao等[24]研究發現，土壤中的SiO2和Al2O3通過和地質聚合物中少量存在的Ca（OH）2發生如式（1）、式（2）的化學反應，生成一種凝膠，用以填充土顆粒間的空隙并相互連接。此外，作者還發現地質聚合物中的堿激發劑會與土壤中可交換的堿金屬陽離子發生置換反應，在土顆粒表面附近生成堿金屬氫氧化物沉淀。而發生置換反應后殘余的堿激發劑會和土壤中的SiO2和Al2O3發生如式（3）、式（4）的化學反應，在土顆粒表面形成一層薄膜，其主要成分為硅酸鈉和鋁酸鈉。

2NaOH+mAl2O3→Na2O?mAl2O3+H2O

（1）

Al2O3+Ca（OH）2+nH2O→CaO?Al2O3?（n+1）H2O

（2）

2NaOH+nSiO2→Na2O?nSiO2+H2O

（3）

2NaOH+mAl2O3→Na2O?mAl2O3+H2O

（4）

為了證實上述地質聚合物固化土的反應機理，Li等[26]和Wang等[27]通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察原狀土和地質聚合物固化土的微觀結構特征區別。觀察結果為原狀土骨架疏松，充斥著雜亂無章的不同形狀礦物顆粒，且孔隙較多；而地質聚合物固化土中的土顆粒表面附著大量蜘蛛網狀的白色晶體，使土顆粒和周圍凝膠結合形成致密的整體結構。土顆粒由疏松無序狀態轉變為膠結有序狀態，孔隙顯著減少，土體宏觀強度大幅增加。

目前，學者們對于地質聚合物固化土的研究主要集中在土體宏觀力學性能或微觀結構分析等方面，而對于地質聚合物與土壤相互作用的反應機理研究不多。主要原因是，一方面地質聚合物受前驅體、堿激發劑、水膠比等因素影響較大，土壤的存在會改變這些因素，尤其是在地質聚合物-土壤體系中地質聚合物摻量較少的情況下，然而地質聚合物摻量過多則會大幅提高造價，是不經濟的。因此，相較于純地質聚合物體系，在地質聚合物-土壤體系中控制地質聚合物性能困難得多。另一方面，地質聚合物的高堿性環境也會改變土壤的性質。例如，土壤中硅鋁組分也會溶解在堿性溶液中，從而造成土壤性質發生改變。不僅如此，不同土壤的物理性質、結構組分也會有所差別，采用相同的地質聚合物固化不同的土壤時也可能表現出完全不同的性質。針對以上問題，未來應綜合考慮土壤類別以及地質聚合物各方面影響因素，對地質聚合物固化土反應機理做進一步的研究，建立更為精確的地質聚合物-土壤體系反應機理模型。

2 地質聚合物固化土力學性能

2.1 無側限抗壓強度（UCS）

無側限抗壓強度（UCS）是最能直觀反映地質聚合物固化土宏觀性能的力學性能參數。試驗研究表明，影響地質聚合物固化土UCS的因素主要包括前驅體種類、前驅體摻量、堿激發劑以及礦物添加劑等。

2.1.1 前驅體種類

前驅體的種類對地質聚合物固化土UCS有顯著的影響。其中，最為常用的前驅體為礦渣、粉煤灰以及偏高嶺土等。研究表明，在堿激發劑的激發活化作用下，12.5%摻量的礦渣基地質聚合物固化土28 d UCS為4.5 MPa[28]，而20%摻量的粉煤灰基地質聚合物固化土28 d UCS僅為2.706 MPa[29]。主要原因是，一方面礦渣在堿性溶液中溶解的過程伴隨著放熱的現象，同時溶解產生的Ca2+與堿性溶液中陰離子反應產生附加放熱現象，二者共同作用下促使地質聚合物-土壤體系溫度上升，地聚反應速率增加，從而促進地質聚合物固化土早強快硬[30]。另一方面，粉煤灰結構表面致密，表面活化能較高，在常溫環境下凝結硬化速度緩慢[31]，導致粉煤灰基地質聚合物固化土早期強度不足。此外，有學者發現礦渣基地質聚合物固化土早期強度高、后期強度增長緩慢[32]，而粉煤灰基地質聚合物固化土早期強度不足，而后期強度上升明顯[33]。針對以上問題，有學者通過復摻的方式制備礦渣-粉煤灰基地質聚合物固化土，并取得了一定研究成果。吳俊等[34]研究了礦渣-粉煤灰比例變化對地質聚合物固化淤泥質黏土UCS的影響，結果表明，當礦渣：粉煤灰=9：1時，地質聚合物固化土UCS最高，標準養護14d時可達到1.5 MPa。作者將該結果歸因為一方面粉煤灰為富硅鋁酸鹽礦物，可提供大量的活性SiO2和Al2O3成分，從而促進礦渣中Ca2+與活性SiO2和Al2O3發生化學反應生成大量的水化硅酸鈣（C-S-H）、水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H）以及水化鋁酸鈣（C-A-H）等膠絮狀凝膠水化產物。另一方面，粉煤灰為球形玻璃體結構，可顯著提高地質聚合物固化劑漿料的和易性，使其在黏土結構中擴散更均勻，使土體空間結構更為致密，從而使得土體UCS得到大幅提高。然而，當粉煤灰含量過高時，地質聚合物固化土UCS反而會下降，原因是在堿性激發劑作用下，粉煤灰會早于礦渣發生Al—O鍵、Si—O鍵的斷裂，經地聚反應后形成結構更為穩定的水化硅鋁酸鈉（N-A-S-H）凝膠，從而使其無法再與礦渣水化產物發生二次反應[35]，進而造成地質聚合物固化土黏聚力的下降。

根據氧化鈣的含量，粉煤灰可分為高鈣粉煤灰和低鈣粉煤灰[36]。兩種類型粉煤灰均已被制備成地質聚合物并成功應用于土壤固化中。Cristelo等[37]研究發現，高鈣粉煤灰固化土早期強度更高，而低鈣粉煤灰固化土后期強度更優異。相較于偏高嶺土，低鈣粉煤灰在改善高塑性黏土膨脹性方面效果更顯著[38]。Odeh等[39]發現，高鈣粉煤灰基地質聚合物固化高塑性黏土在無側限壓縮試驗破壞時會出現顯著的脆性破壞特征。同樣地，隨著礦渣摻量的增加，礦渣基地質聚合物固化土也表現出脆性破壞[40]，并且相較于水泥固化土，礦渣基地質聚合物固化土的收縮系數[41]要高出數倍，降低了其控制破壞的能力。針對上述高鈣系地質聚合物固化土脆性破壞的問題，Chowdary等[42]嘗試通過摻入聚丙烯纖維來提高礦渣基地質聚合物固化土的延性，研究結果表明，聚丙烯纖維的加入降低了試樣的脆性，有效提高了試樣的延性，并且隨著纖維含量的增加，試樣應力-應變曲線的初始斜率減小，峰值應變增大。此外，玄武巖纖維也可有效提高地質聚合物固化土的延性[43]。不僅如此，Pourabbas等[44]研究發現，再生玻璃粉基地質聚合物也可顯著提高原狀土的延性。

綜上所述，地質聚合物可顯著提高土壤UCS，其中高鈣系地質聚合物適用于提高固化土早期強度，而低鈣系地質聚合物提高固化土后期強度更為出色。為了保證地質聚合物固化土全生命周期UCS，通過協同使用高鈣系地質聚合物和低鈣系地質聚合物固化土是一種有效的解決手段。另外，高鈣系地質聚合物固化土普遍存在脆性破壞的問題。研究證明，通過摻加纖維可有效提高地質聚合物固化土的延性。然而，對于不同類型纖維增強地質聚合物固化土的耐久性問題研究較少。

2.1.2 前驅體摻量

地質聚合物固化土UCS隨前驅體摻量的變化而呈現出不同的發展規律。周恒宇等[45]研究表明，地質聚合物固化土UCS隨著地質聚合物前驅體摻量的變化存在明顯的分段區域性特征，如圖1所示，主要包括惰性區域和活性區域，并且養護齡期越久特征越顯著。當前驅體摻量在10%～20%內，UCS增長緩慢，為惰性區域，當摻量大于20%，UCS開始明顯提升，為活性區域。因此，在實際工程應用中，地質聚合物前驅體摻量應大于20%。然而，Arulrajah等[46]研究發現，地質聚合物前驅體最優摻量為20%，摻量少于或多于20%均會對地質聚合物固化土UCS產生不利影響。當地質聚合物前驅體摻量為10%時，前驅體在土體間未能形成有效的地質聚合物網絡結構，但當前驅體摻量從20%增加到30%時，地質聚合物固化土UCS增長速度較慢，原因是前驅體超過一定摻量時，地質聚合物凝膠并未在土體間形成均勻的網絡空間結構，而是形成了絮凝狀的晶體顆粒，晶體體積隨著齡期的增長而變大并且互相產生排斥力，造成地質聚合物網絡結構中一些不均勻或輕微的化學鍵斷裂，從而導致固化土UCS降低。朱月等[47]也發現地質聚合物前驅體存在最優摻量，超過最優摻量時，會使土體內部產生較大的孔隙，土體內部密實性會降低。

總之，針對地質聚合物固化土UCS隨著前驅體摻量的變化規律，學者們未達成統一認識。主要原因是，一方面土壤力學性質、內部結構以及礦物成分等差異較大，另一方面地質聚合物原料種類繁多以及成分復雜，造成地質聚合物性質不一。因此，今后應根據不同地區的土壤類別，研發與之對應固化效果最好的地質聚合物，研究地質聚合物固化土UCS與前驅體摻量之間的變化規律，探究地質聚合物前驅體的最優摻量。

2.1.3 堿激發劑

1） 堿激發劑濃度、類型、模數

常用的堿激發劑分為苛性堿、堿式硅酸鹽、堿式碳酸鹽以及堿式硫酸鹽4類[48-49]。Pourakbar等[50]研究了NaOH和KOH對棕櫚灰基地質聚合物固化土UCS的影響，研究結果表明，地質聚合物固化土UCS在一定范圍內隨著堿激發劑濃度的增加而增大。另外，作者還發現相較于NaOH，KOH激發后的地質聚合物固化土UCS更高。因為K+比其他堿金屬離子具有更小的水合微粒，地聚反應后會生成更為致密的地質聚合物凝膠材料。然而，Yaghoubi等[51]研究發現，鈉基堿激發劑比鉀基堿激發劑對地質聚合物固化土UCS的發展提升更大。當使用K2SiO3、KOH+K2SiO3和Na2SiO3時，地質聚合物固化土UCS沒有明顯提高，而使用KOH、NaOH和NaOH+Na2SiO3時，地質聚合物固化土UCS隨養護齡期增加而顯著增大。兩位學者得出不同的研究結論，原因可能是土壤的內部結構、物理性質差異較大。因此，在加固土壤時應根據土壤類別采用不同的堿激發劑。

Phummiphan等[52]研究了Na2SiO3和NaOH的比例變化對地質聚合物固化土UCS的影響，研究結果表明，當Na2SiO3：NaOH=9：1時，地質聚合物固化土UCS最大，為7.143 MPa，而Na2SiO3：NaOH=5：5時，地質聚合物固化土UCS最小，為5.126 MPa。此外，當Na2SiO3：NaOH≥8：2時，摻入礦渣可有效提高粉煤灰基地質聚合物固化土的早期強度[53]。

王東星等[54]系統比較了NaOH、Na2CO3和Na2SiO3·9H2O對粉煤灰基地質聚合物固化土UCS的影響，結論表明，對地質聚合物固化土UCS提升效果最好的是NaOH，Na2CO3次之，Na2SiO3·9H2O最差。Lv等[55]分析了水玻璃、石灰以及水玻璃+石灰對粉煤灰基固化鹽漬土UCS的影響，結果表明，對地質聚合物固化土UCS的提升效果從大到小依次為水玻璃+石灰、石灰、水玻璃。孫秀麗等[56]發現，單獨使用Na2SiO3作為堿激發劑時，Na2SiO3模數在1.0～1.5時，激發礦粉效果最好，而模數大于2.0時，基本上沒有激發效果。

上述研究表明，相較于弱堿激發劑，強堿激發劑對地質聚合物激發效果更顯著。然而，采用強堿作為堿激發劑會大幅提高造價成本。因此，在今后的工程實踐中應根據具體需求而選用適當的堿激發劑。

2） 堿激發劑摻量

陳銳等[57]和Chimoye等[58]發現地質聚合物固化土UCS隨著堿激發劑摻量的增加而增大。吳燕開等[59]通過鋼渣基地質聚合物固化土試驗研究發現，堿激發劑存在最優摻量。當堿激發劑摻量較少時，地質聚合物固化土UCS提升明顯，但當堿激發劑摻量過大時反而會不利于地質聚合物固化土UCS的發展。主要原因是NaOH含量過高時，鋼渣粉受到強堿剝蝕作用表面結構受到破壞，并且鋼渣粉水化產物也會因此而裂解，與土顆粒膠結形成的骨架結構遭受破壞，造成地質聚合物固化土后期孔隙率增加。另一方面，溶液中過多的Na+會妨礙淤泥質土表面富含的Na+、K+等離子與鋼渣粉水化生成的Ca2+離子發生交換吸附作用，使土顆粒表面雙電層變薄，從而使土顆粒間摩擦力降低，導致地質聚合物固化土UCS降低。俞家人等[8]也發現了上述規律，即地質聚合物固化土UCS在一定范圍內隨著堿激發劑摻量的增大而增大。然而，當堿激發劑摻量超過最優摻量時，地質聚合物固化土UCS提升幅度較低。

2.1.4 礦物添加劑

Cristelo等[60]研究發現，氫氧化鈣可以在短期內提高地質聚合物固化土UCS，而氯化鈉和混凝土塑化劑對于地質聚合物固化土UCS沒有任何改善。Phetchuay等[61]發現粉煤灰基地質聚合物固化土UCS隨著電石渣（CCR）取代量的變化呈現明顯的區域性特征，主要包括非活躍區，活躍區和準惰性區，如圖2所示。當電石渣替代量（此處電石渣僅作為一種提供額外鈣源的礦物添加劑。電石渣主要含氫氧化鈣和碳酸鈣，不包含硅鋁礦物組分，不符合作為地質聚合物前驅體的條件。因此，電石渣不能被視為前驅體）小于7%時為非活躍區，地質聚合物固化土UCS隨著電石渣替代量的增加先降低后升高；當替代量為7%～12%時為活躍區，地質聚合物固化土UCS顯著增加；當替代量大于12%時為準惰性區，地質聚合物固化土UCS隨著電石渣替代量的增加而略有增加。主要原因，一方面是電石渣提供的大量Ca2+，可與粉煤灰中富硅鋁酸鹽礦物發生反應，生成更多的C-A-S-H、N-A-S-H等膠凝材料，使地質聚合物固化土結構更為致密[62]；另一方面是Ca2+在地質聚合物空間結構中也能夠作為平衡電荷的陽離子[63]，并為地質聚合物凝膠的形成提供額外的成核位點，使凝膠快速硬化[64]，促進地質聚合物固化土UCS提高。但是，Ca2+大多存在于堿性較低的溶液中，當溶液堿性過高時，Ca（OH）2的溶解受到抑制。因此，當電石渣替代量超過12%時，地質聚合物固化土UCS提升較為緩慢。

然而，Phummiphan等[65]指出電石渣最佳取代量為20%，少于或多于20%均對粉煤灰基地質聚合物固化土UCS產生不利影響。Sheikhhosseini等[66]研究發現，摻入硅灰可顯著提高銅尾礦基地質聚合物固化土UCS。由此可見，礦物添加劑可以較好地提高地質聚合物固化土的UCS，然而針對于摻入礦物添加劑的地質聚合物固化土的其他力學性能和耐久性報道較少。

綜上所述，前驅體種類、前驅體摻量、堿激發劑以及礦物添加劑等對地質聚合物固化土UCS的影響規律各不相同。表1列舉了近年來關于不同因素對地質聚合物固化土UCS影響的研究概況。

2.2 抗剪強度

抗剪強度是土體主要力學性能之一。在評論地質聚合物固化土力學性能時，抗剪強度是一個主要的考慮因素。Ghadir等[67]通過比較火山灰基地質聚合物固化土和水泥固化土的抗剪強度和生命周期評估，得出地質聚合物固化土和水泥穩定土的抗剪強度均隨著前驅體摻量的增加而提高。在同等前驅體摻量條件下，地質聚合物固化土抗剪強度更高，并且在達到同等抗剪強度下，地質聚合物固化土環境影響更小。Khasib等[68]也發現了類似規律，即棕櫚灰基地質聚合物可有效提升膨脹性土抗剪性能。固化土試樣抗剪強度隨著前驅體摻量的增加而提高。此外，Al-Rkaby等[69]進一步研究發現，隨著前驅體摻量的提高，礦渣基地質聚合物固化土抗剪強度提升更為顯著。當礦渣摻量由0%提高到10%、20%、30%、40%和50%時，土體抗剪強度分別提高了2.7、3.8、6.2、7.5和9.9倍。

有學者研究發現，相較于水泥固化土在抗剪破壞時的脆性破壞，地質聚合物固化土在脆性破壞時還伴隨著應變軟化現象發生。Rios等[70]通過三軸壓縮試驗測試了粉煤灰基地質聚合物固化砂土抗剪強度變化規律，如圖3、圖4所示。由圖可知，單純添加粉煤灰并不能有效改善土體抗剪性能，主要因為粉煤灰活性未被激活，不具備膠結作用，僅作為礦物添加劑填充在土體孔隙中。而當粉煤灰經過NaOH+Na2SiO3激活生成地質聚合物凝膠后，可顯著增加土體峰值應力，并且土體內摩擦角、黏聚力得到大幅提升。另外，粉煤灰基地質聚合物固化土在試驗中呈現脆性破壞特征，伴隨著應變軟化現象。Rios等[71]也發現了這一規律，即粉煤灰基地質聚合物固化土在抗剪試驗發生脆性破壞之后，會出現明顯的應變軟化現象。Abdullah等[72]指出，地質聚合物固化土在抗剪試驗的破壞特征與前驅體摻量有關。隨著地質聚合物摻量的增加，地質聚合物固化土應力-應變關系由延性響應逐步轉變為峰后脆性響應。此外，作者還發現隨著圍壓的增加，地質聚合物固化土的屈服應力顯著增大。其主要原因為地質聚合物的加入改變了重塑黏土的初始特征，使其由準超固結變為重度超固結。因此，地質聚合物固化土呈現出較高的屈服面，具有更高的黏聚力、內摩擦角等抗剪強度參數。然而，這會導致地質聚合物固化土在初始固結階段發生輕微的結構破壞，從而使地質聚合物固化土結構破壞主要受摩擦作用和膠結作用控制[73]。Wang等[74]研究發現，地質聚合物固化土抗剪強度與抗壓強度呈正相關。地質聚合物固化土的黏聚力、內摩擦角在一定范圍內隨著抗壓強度的增加而增加。

3 地質聚合物固化土耐久性

耐久性指的是地質聚合物固化土抵抗物理作用或化學作用等對其產生顯著劣化的性能，對結構長期使用壽命起著決定性的作用。

3.1 抗凍融性

地質聚合物固化土的抗凍融性主要取決于固化土的孔隙結構和空氣含量。吳燕開等[75]系統比較了水泥、水泥+鋼渣粉以及水泥+鋼渣粉+NaOH對膨脹性土抗凍融性的影響，研究結果表明，水泥+鋼渣粉+NaOH固化土抗凍融性最好，水泥固化土抗凍融性最差。其主要原因是NaOH可有效激發鋼渣粉硅鋁礦物組分的活性，并使其加快發生地聚反應，生成更多結構穩定的C-A-S-H以及N-A-S-H等凝膠物質，土體密實度提高，整體性增強，抗凍融性提高。而水泥穩定土內部結構孔隙較多，顆粒間聯結不夠緊密?？骂５萚76]進一步研究發現，水泥固化土在承受6次凍融循環后承載能力達到極限，之后試樣孔隙比開始降低，破壞特征由塑性破壞轉變為脆性破壞，內摩擦角和黏聚力均減小，強度也隨之大幅降低，其根本原因在于凍融循環中水分相變、冰晶生長和水分遷移等作用，造成試樣中土顆粒破碎，孔隙結構發生變化以及比表面積增大[77]。

Sahoo等[78]發現礦渣基地質聚合物固化土質量損失隨著凍融循環次數的增加而增加，第1次凍融循環后的試樣質量損失最大，之后隨著凍融循環次數的增加質量損失率逐漸減小，在第6次凍融循環后趨于穩定。作者將該現象歸因于在凍結過程中，冰晶體的形成造成地質聚合物固化土孔隙增大，但在融解過程中，孔隙并不能恢復到原來的體積，并且在反復的凍融循環作用下，地質聚合物固化土的初始孔隙結構被打亂后形成新的孔隙結構。Samantasinghar等[79]也發現了上述規律，并指出粉煤灰-礦渣基地質聚合物固化土的抗干濕性優于抗凍融性。這可能是由于凍融作用導致地質聚合物固化土生成多孔基質和弱界面過渡區，二者共同作用下使土壤顆粒間膠結作用減弱[80]。

有研究表明，礦物添加劑可有效提高地質聚合物固化土的抗凍融性。邵俐等[81]研究發現，在凍融循環作用下，摻入硫酸鈉和石膏可有效提高礦渣基地質聚合物固化土的抗凍融性。這是由于加入硫酸鈉和石膏可以促進礦渣的水化反應，膠凝產物也會進一步增加。并且相較于石膏，硫酸鈉對于礦渣基地質聚合物固化土抗凍融性提升效果更好。

綜上可知，水泥固化土的抗凍融性較差，而地質聚合物固化土的抗凍融性更為優異。此外，摻入礦物添加劑有助于提高地質聚合物固化土的抗凍融性，但是針對不同礦物添加劑對地質聚合物固化土抗凍融性增強機理研究較少。

3.2 抗干濕性

吳燕開等[82]基于室內模型試驗，研究了干濕循環作用對水泥固化膨脹性土（ES-C）、鋼渣粉+水泥固化膨脹性土（Es-SSP-C）以及鋼渣粉+水泥+ NaOH固化膨脹性土（Es-SSP-C-N）的耐久性能影響。研究結果表明，在相同干濕循環次數下，Es-SSP-C-N強度最高、質量變化率最為穩定，Es-SSP-C次之，ES-C最差。其主要原因為NaOH有效激發了鋼渣的活性，提高了鋼渣的前期水化反應速率。而ES-C強度下降原因在于隨著干濕循環次數的增加，試樣中鈣釩石缺少附著點，排列順序紊亂，內部結構受到破壞[83]。

有學者研究發現，用于干濕循環試驗中液體介質的種類對地質聚合物固化土性能具有較大影響。Ngo等[84]研究了干濕循環作用下粉煤灰基地質聚合物固化土在飲用水，濃度為0.725、6.7、12 g/L的NaCl溶液，以及pH值為4、6的酸性溶液中的耐久性。結果表明，在pH值為4溶液中，地質聚合物固化土UCS在一定范圍內隨著干濕循環次數增加而增加，當干濕循環次數大于6次時，UCS出現下降。然而，在其他類型溶液中，地質聚合物固化土在干濕循環1～3次時，UCS略有下降，而干濕循環超過3次時，地質聚合物固化土UCS出現大幅下降。發生上述現象的原因為pH值為4的溶液有利于粉煤灰基地質聚合物固化土的內部地聚反應。Hoy等[85]也發現了上述規律，即粉煤灰基地質聚合物固化土在pH值為4溶液中呈現出較好的耐久性。作者指出原因在于粉煤灰基地質聚合物固化土在pH值為4溶液中，粉煤灰水化反應較為完全，試樣中只存在少量的未反應的粉煤灰顆粒，而在其他溶液中，較多的粉煤灰顆粒未參與水化反應，只起到礦物填充的作用[86]，試樣內部中存在較多孔隙，密實性下降，使溶液更易侵入試樣內部，導致固化土強度下降。此外，作者還發現在干濕循環12次之后，試樣在飲用水中質量損失率最高，為5.83，而在pH值為4和0.725 g/L的NaCl溶液中試樣質量損失率相對較低。原因主要是粉煤灰基地質聚合物固化土在酸性和鹽類溶液之間存在相互作用，有利于促進粉煤灰的水化反應，而飲用水對粉煤灰的水化反應具有抑制作用。上述試驗結果與Rios等[71]以及Rivera等[87]研究結果相符合，他們研究發現在干濕循環12次時，地質聚合物固化土質量損失為3.33%～7.45%。相較于粉煤灰基地質聚合物，礦渣基地質聚合物固化土具備更好的抗干濕循環性。Noolu等[88]研究發現，礦渣基地質聚合物可顯著改善膨脹性土的抗干濕循環性，在12次干濕循環作用下，礦渣基地質聚合物固化土UCS僅降低約10%。

3.3 抗化學離子侵蝕性

目前，學者們針對地質聚合物抗化學離子侵蝕性能的研究主要集中于抗鹽類溶液、酸性溶液以及堿性溶液侵蝕試驗。Jiang等[89]比較了礦渣基地質聚合物固化土（LAC）和水泥固化土（LPC）在硫酸鹽侵蝕下的耐久性，結果表明，在Na2SO4溶液全浸泡120 d后，LAC表面完整，幾乎沒有裂縫。這是由于Na2SO4溶液中較高的pH值和Na含量有助于地質聚合物保持內部孔隙結構的均勻性。LPC表面出現顯著的橫向和縱向裂縫。LPC的UCS在浸泡28 d前有所增加，后期抗壓強度出現急劇下降，然而LAC的UCS隨著浸泡時間的增長而緩慢穩定地下降。Rollings等[90]指出，Na2SO4溶液致使水泥穩定土劣化的原因在于：SO42-通過毛細吸附作用侵入試樣內部與土體中C-A-H、Ca（OH）2發生化學反應生成的膨脹性鈣釩石晶體（AFt）可填充在土顆?？紫吨?，使土體內部更為致密，強度也隨之有所提高。但隨著AFt生成量進一步增加，產生的膨脹應力造成土體內部結構發生破壞，聯通孔增加，孔隙率提高，試樣強度開始驟減。

有學者通過研究粉煤灰基地質聚合物固化土的抗硫酸（H2SO4）和抗氯化鈉（NaCl）溶液侵蝕性能發現，粉煤灰基地質聚合物固化土表現出較好的抗H2SO4和NaCl侵蝕性，在28 d侵蝕作用下，NaCl和H2SO4對地質聚合物固化土UCS的降低率分別不超過10%和38%[39]。這是由于硫酸根有利于粉煤灰基地質聚合物結合相的結構演化和致密化[91]。

此外，相較于單元地質聚合物，二元地質聚合物固化土具有更為優異的抗化學離子侵蝕性。Samantasinghar等[79]研究發現礦渣-粉煤灰基地質聚合物固化土在H2SO4、NaOH以及NaCl溶液浸泡365 d后，試樣UCS僅下降了2.87%、5.17%和8%。試樣強度下降的原因主要是地質聚合物固化土在NaCl溶液浸泡后，試樣發生鈣的析出，生成Friedel’s鹽[92]，以及地聚反應受到稀釋效應影響[93]，而在H2SO4、NaOH溶液浸泡后，地質聚合物中化學元素析出而造成固化土基體內生成多孔結構，孔隙增大[94]。

4 結論與展望

與普通硅酸鹽水泥（OPC）/石灰等傳統固化劑相比，地質聚合物的廣泛使用可以有效提高大宗工業固體廢棄物的資源利用率，顯著降低二氧化碳等溫室氣體的排放以及減少煤炭等不可再生能源的消耗，有助于實現“碳達峰、碳中和”戰略目標。目前，地質聚合物固化土已取得了較大的研究進展，但還存在以下問題尚待進一步研究探討：

1）由于地質聚合物原材料、堿激發劑種類繁多以及不同區域土壤性質差異較大，近年來試驗研究主要集中在地質聚合物固化土宏觀力學性能、微觀結構特征和耐久性方面，但對地質聚合物-土壤體系的反應機理模型研究報道不多。此外，今后應針對不同土壤性質的獨特性，研發與之對應固化效果最為理想的地質聚合物。

2）學者們針對地質聚合物固化土開展的力學性能試驗較為單一，主要以無側限壓縮試驗、三軸壓縮試驗為主，而其他如三軸剪切試驗、無荷載膨脹試驗、自由膨脹試驗、間接剪切試驗以及沖蝕試驗等具有代表性的巖土試驗研究較少。

3）近年來，針對地質聚合物固化土的耐久性研究主要是在凍融循環、干濕循環以及化學離子侵蝕等單因素下開展的，然而，實際情況下固化土往往是在多因素耦合下服役的。因此，今后應根據當地自然環境條件，開展多因素耦合情況下地質聚合物固化土的耐久性研究。

4）地質聚合物固化土纖維加筋材料主要為聚丙烯纖維、玄武巖纖維以及玻璃纖維等傳統纖維，對中國儲量豐富、生態環保的天然纖維（竹纖維、秸稈纖維、動物纖維等）對地質聚合物固化土的力學性能、耐久性影響以及增強機理研究較少。

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