基于工農業廢棄物的土壤固結研究現狀

收稿日期：2024-03-13

作者簡介：顏學睿（1999—），男，湖北恩施人，碩士在讀。研究方向：黃土固化。

摘要：由于特殊的成土環境、顆粒級配及礦物成分等，黃土結構疏松，孔隙度高，導致其工程地質特性不佳。對黃土進行改性處理，可使其力學特性及工程地質特性得到明顯改善，達到黃土區工程建設所需的承載力水平。利用固結劑對黃土進行改性，可以節省大量的人力和物力，效果良好，是目前國內外研究的熱點之一。工農業廢棄物產生量大，可以用作黃土的固結劑。因此，有必要結合土壤固結劑的種類，綜述基于工農業廢棄物的土壤固結研究現狀，以更好地消納工農業廢棄物，改善土壤性質。

關鍵詞：土壤；改性；固結劑；工業廢棄物；農業廢棄物

中圖分類號：X705；TU447 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.036

Current status of soil consolidation research based on industrial and agricultural waste

YAN Xuerui， XU Qi， HE Xin， MA Luxiang， DONG Shengde， SUN Yanxia， HAI Chunxi， ZHOU Yuan

（College of Materials and Chemistry amp; Chemical Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract： Due to the special soil environment， particle size distribution， and mineral composition， loess has a loose structure and high porosity， resulting in poor engineering geological characteristics. Modifying loess can significantly improve its mechanical and engineering geological properties， reaching the required bearing capacity level for engineering construction in loess areas. The use of consolidation agents to modify loess can save a lot of manpower and material resources， with good results， and is currently one of the hot research topics at home and abroad. Industrial and agricultural waste generates a large amount and can be used as a consolidating agent for loess. Therefore， it is necessary to combine the types of soil consolidation agents and summarize the current research status of soil consolidation based on industrial and agricultural waste， in order to better absorb industrial and agricultural waste and improve soil properties.

Keywords： soil; modification; consolidating agent; industrial waste; agricultural waste

黃土是一種風積粉土，屬于特殊的地質材料，廣泛分布在世界各地。我國的黃土主要分布在黃土高原，其面積約占國土面積的6.6%。黃土具有不穩定性，其對雨水的侵蝕比較敏感，黃河流經黃土高原導致大量的水土流失，治理難度大。如何合理利用黃土覆蓋地區現有的水土資源條件，就地取材，開發節能高效的黃土固結技術，對于高質量開展水土保持工程和生態環境建設，實現區域經濟和生態的協同發展具有重要意義。

1 土壤固結劑的種類

土壤固結方法多樣，根據固結機理可分為物理固結法和化學固結法，二者結合可以達到最佳固結效果。土壤固結過程需要加入固結劑。傳統土壤固結劑是以水泥、石灰、粉煤灰等為主的無機膠凝材料，它們既可以作為固結劑單獨使用，也可按一定的配比制成混合固結劑使用。新型土壤固結劑可分為無機類、有機類、生物酶類和離子類。

1.1 無機類固結劑

無機類固結劑為工業廢棄物、水泥、石灰等與激發劑混合制成的混合劑，其中，堿、酸、無機鹽以及含有微量表面活性劑的有機物質均可作為激發劑。無機類固結劑的固結機理主要包括物理作用、化學作用和物理化學作用。固結劑在水化反應中會產生大量OH-并與土壤內部的Ca2+、活性SiO2、活性Al2O3在堿激發劑的作用下發生火山灰反應，生成水化硅酸鈣和水化硬鋁酸鈣，這些水化產物相互交織，將土壤顆粒黏結在一起。同時，在硫酸鹽激發劑的作用下，水化硅酸鈣和水化硬鋁酸鈣會繼續發生反應生成鈣礬石，進一步提高土壤強度。固結劑與土壤的化學反應繼續進行，大量的Ca2+和Al3+將積聚在固結土的孔隙中，這些游離離子將與吸附的鈉離子交換，從而減小土壤顆粒間雙電極層的厚度，促進土壤顆粒的團聚。

1.2 有機類固結劑

有機類固結劑包括聚合物類、環氧樹脂類和高分子材料類。有機類固結劑能降低水的表面張力，使土壤顆粒間的水膜層變薄，促進離子交換反應，置換土壤中的陽離子。同時，有機類固結劑通常由長鏈聚合物組成，它們會相互纏結并與土壤顆粒纏結，從而提高土壤的強度和水穩定性[1]。

1.3 生物酶類固結劑

生物酶類固結劑是一種多酶基產物，它是由有機質發酵而來，依靠生物酶的催化作用和外界壓力，在黏土顆粒表面形成一層固結殼。大多數生物酶類固結劑為濃稠的褐色液體，有少許發酵氣味，無毒性且不易燃。生物酶類固結劑添加后，它會與土體中的金屬陽離子發生作用，增強土體黏性，同時增強土壤內部微生物活性，釋放大量H+，改變土體pH，進而形成pH梯度，改變土體原有結構，提高土體抗滲性能。

1.4 離子類固結劑

離子類固結劑是一種由多種強離子組成的液態表面活性劑，通常需要加水稀釋。土壤添加離子類固結劑后，離子類固結劑中的大量陰離子與土粒表面的陽離子進行交換，破壞土粒的雙電層，降低水膜，進而改變土粒間的作用力，縮小土粒間距，最終導致土粒團聚。從分子結構上講，離子類固結劑由親水端與疏水端構成，疏水端阻擋外界水分，親水端與土體表面的金屬陽離子作用，在土體表面生成絮狀結構，提高土體強度。與此同時，土體也從親水性轉變成憎水性并把土壤中吸附的水分排出，提高土體的水穩性。目前，離子類固結劑在國內多用于膨脹土、紅黏土等特定土質的改良[2]。采用離子類固結劑對淤泥質土進行固結，不僅可以降低淤泥質土的壓縮系數和比表面積，而且能提高其無側限抗壓強度。

2 基于工業廢棄物的土壤固結研究現狀

2.1 基于粉煤灰的土壤固結研究現狀

粉煤灰是煤燃燒后火力發電廠用機械回收裝置回收的一種工業廢渣。我國粉煤灰的年產生量超6億t，

相比水泥等固結材料，其價格便宜，約為水泥價格的1/4。粉煤灰加入土壤中與水接觸后發生水解并與土壤中的Ca2+結合，生成水化硅酸鈣和水化硬鋁酸鈣等水化產物，粉煤灰加固土的強度增加。摻入粉煤灰可以有效地改善淤泥質土的工程性質。程強強[3]研究不同粉煤灰水泥摻量、不同齡期條件下粉煤灰水泥對海相黏土強度的影響，發現無側限抗壓強度隨粉煤灰水泥摻量的增加而增加，摻量較低時，抗壓強度隨齡期增長變化較大。現場試驗發現，摻入粉煤灰可以明顯提高軟土地基的抗壓強度和耐久性。

2.2 基于礦渣的土壤固結研究現狀

礦渣是高爐煉鐵后產生的一種工業廢渣，廢渣中的活性SiO2和Al2O3與水直接接觸不會發生反應，但在NaOH等堿性激發劑存在時，會發生火山灰反應，生成水化硅酸鈣和水化硬鋁酸鈣。劉誠斌等[4]研究礦渣復合膠凝材料對濱海鹽漬土的固結效果，發現鹽漬土中的可溶性陰離子與礦渣復合膠凝材料發生反應，生成片狀、針狀和棒狀的水化產物，提高土壤固結后的無側限抗壓強度。何晶等[5]以礦渣粉為原料，研究礦渣粉砂漿加入不同堿激發劑后強度的變化。結果表明，礦渣粉砂漿與堿激發劑配比為92∶8且水灰比為0.45時，養護28 d的抗壓強度達到37.1 MPa。礦渣和粉煤灰可替代部分水泥來固結軟黏土，礦渣和水泥固結軟黏土的強度隨著固結時間的延長而增加，后期強度增加速度較快。

2.3 基于煤矸石的土壤固結研究現狀

煤矸石是煤炭開采、洗選等過程產生的廢渣。煤矸石露天堆積時，自燃會產生CO2、SO2等有害氣體，污染空氣，煤矸石長期受雨水侵蝕，會導致重金屬離子溶出并滲入土壤造成污染。膨脹土摻入石灰和煤矸石的改性效果優于單加石灰，添加石灰和煤矸石后，膨脹土的物相結構發生改變，生成鈣礬石和白云石，使得膨脹土的工程性質得到改善。摻入煤矸石粉后，大部分膨脹土顆粒形成團粒，少部分為片狀顆粒，填充到孔隙中，增強顆粒間的黏結力，使得膨脹土的抗剪強度提高。不同摻量的石灰與煤矸石對膨脹土的改良效果不同，石灰與煤矸石的摻入改變膨脹土的粒徑分布，小顆粒發生團聚。煤矸石中解離的Mg2+、Ca2+等與土壤顆粒發生離子交換作用，降低膨脹土的液限，提高塑限。

3 基于農業廢棄物的土壤固結研究現狀

3.1 基于稻殼灰的土壤固結研究現狀

稻殼是稻米產業的副產品，這種農業廢棄物的常規處置方法是堆放或填埋。稻殼富含硅元素，稻殼煅燒后，硅元素將轉化為具有高活性的非晶態二氧化硅[6]。稻殼灰中的二氧化硅活性較高，其具有類似于粉煤灰等材料的火山灰活性。稻殼灰可以應用于建筑行業，這與綠色建筑理念相吻合。摻入石灰和稻殼灰能夠促進火山灰反應，提高土體強度。稻殼灰加入水泥后，最大干密度和最優含水率增大，稻殼灰摻量為15%，水泥摻量為8%時，固結淤泥土的抗壓強度最佳。另外，可將稻殼灰、水泥和聚丙烯纖維摻入鹽漬土內，稻殼灰添加使得水泥纖維改性鹽漬土的無側限抗壓強度增大，但回彈模量及吸水能力減小。

3.2 基于植物纖維的土壤固結研究現狀

植物纖維是一種天然高分子材料，密度低，能夠反復加工。添加植物纖維是土壤改性最常用的物理方法[7]。土壤中添加劍麻、大麥秸稈和聚丙烯纖維等，可以有效降低土壤脆性，提高土壤延性。纖維加入土壤后，兩者會發生交互作用。由于纖維與土壤性質不同，當纖維與土壤的形變不一致時，兩者就會產生界面應力，并對土壤變形起到約束作用，提升土壤的各項性能，同時纖維將土壤承受的外力分散，增強土壤的承載能力。試驗發現，素土或水泥土加入纖維會使其無側限抗壓強度增加，使得水泥土的破壞形式由脆性破壞變成塑性破壞。

4 結語

黃土高原水土流失嚴重，使得低成本、高強度的土壤固結技術成為廣受關注的研究重點。國內采用石灰、地聚物和植物纖維等固結土壤，取得豐碩的研究成果，其中石灰改良土壤的方法已經得到工程應用。目前，土壤固結技術仍然存在部分突出問題。一是多種固結劑與土體相互作用的機制尚不完全明確。二是我國不同地區土壤質量差異較大，土壤固結劑需要根據不同的工程進行調整，目前還沒有一種能廣泛應用的土壤固結劑。三是土壤固結劑在高寒地區或長期受特殊溶液侵蝕地區的應用研究較少。四是固結劑對土壤生態環境和植物生長的影響缺少重視。未來，要開展深入研究，有效解決問題，從而更好地利用工農業廢棄物，提高土壤固結效果。

參考文獻

1 劉 瑾，張 達，汪 勇，等.高分子穩定劑生態護坡機理及其應用[J].地球科學與環境學報，2016（3）：420-426.

2 劉清秉，項 偉，崔德山，等.離子土固化劑改良膨脹土的機理研究[J].巖土工程學報，2011（4）：648-654.

3 程強強.粉煤灰水泥加固海相黏土的力學特性研究[D].徐州：中國礦業大學，2018：11-12.

4 劉誠斌，紀洪廣，劉娟紅，等.礦渣復合膠凝材料固化濱海鹽漬土的試驗研究[J].建筑材料學報，2015（1）：82-87.

5 何 晶，何建新.利用堿激發礦渣粉制備的土體固化劑的力學性能研究[J].新疆農業大學學報，2016（5）：414-418.

6 樊明宇，員文杰，李 君，等.稻殼灰制備Si3N4/SiC復合粉體的研究[J].人工晶體學報，2013（7）：1445-1448.

7 阮東華，潘振華，張艷美，等.土工合成纖維土技術的研究進展[J].低溫建筑技術，2015（1）：103-105.