路基用加固土研究现状综述

摘要：本文通过查阅大量文献，总结了国内外路基加固土的发展历程，从加固剂加固原理的研究出发，深入分析了不同加固土的工程特性，以此指导界内人士根据不同的路基土质，选用合适的土壤固化剂。

关键词：加固土；原理；固化剂

中图分类号：U416 文献标识码： A

加固土是采用一定的技术措施改善土的物理-力学性质，以适应工程技术的要求。在道路工程中，世界各国广泛采用有机或者无机结合料加固类材料修筑道路的基层、底基层和垫层，有时候还用于稳定表层土基。实践证明，这类材料完全可以满足工程技术上的要求。在我国，石灰加固土、石灰工业废渣类材料及水泥加固土应用最广泛，且取得较丰富的使用经验。近几年来，伴随高等级道路的修建以及研究的深入，我国在基层中采用高分子合成树脂加固土，且取得一定的研究成果，在今后的使用中将逐步推广。由于加固土是利用产量多、产地广的当地材料，且土的开采和加工都比较容易，因而采用加固土在技术和经济上都具有重要的意义。

1 加固土的基本原则

加固土属于松散介质，即其结构强度由结合料本身或结合料与土粒之间的联结强度决定。在拟定加固土方案和加固土的实施时，必须依据以下基本原则：

（1）加固土的目标有二：一是提高土的水稳定性，二是提高土的结构强度。在某种意义上讲，提高土的水稳定性比提高土的强度具有更重要的意义，因为粘性土在较干燥的情况下具有相当高的力学强度，吸湿后“软化”是其强度降低的主要原因。

（2）土粒吸湿的根本原因是由于土矿物表面存在有未补偿的联系，主要是未补偿的氧原子和羟基团。水的结构单元与土粒表面未补偿相互作用形成水分子的初始吸附层，然后逐渐加厚。因此，为使土粒憎水，必须平衡土粒表面的动力活动中心。另外，土粒的吸湿常表现为粘土胶粒周围所吸附的反粒子层的水化。因此，减薄双电层的厚度也是降低土粒吸湿性的一种有效途径。

（3）土中的细分散部分（粘土胶体颗粒）具有大量的比表面积和表面自由能，以及吸附、水化、凝集、凝聚等一系列固有的表面性质。粘土胶体颗粒是土中最活跃的组成部分，其性质对土的性质起着决定性的作用，同时在加固土时所发生的各种反应过程也主要是在粘土颗粒表面上进行的。因此，充分利用土中的细分散部分这些固有的性质，进行土的加固。

（4）加固土方法的拟定，应提供产生化学反应过程或物理化学反应的可能性，尤其是产生化学反应过程的可能性。只有通过化学反应，使结合料或土粒自身，或结合料与土之间作用生成新的不溶性化合物，在土体中形成坚强稳定的空间结构网，才能使土体的结构强度和水稳定性都得到较显著的提高。

（5）综合加固土是最有效地发挥各种结合料的作用，提高加固效果的一种经济合理的途径。在以某种结合料为主的同时，掺加少量表面活性物质、电解质或其他活性外掺料，可保证或加强化学反应和物理化学反应的过程，显著提高加固效果。

总之，为取得良好的加固效果，应根据土的性质，确定结合料的种类和剂量，同时还应保证必要的工艺过程和养生条件。

2 常用固化剂加固土原理

加固土的方法按技术措施分为：机械方法（如压实），物理方法（如改善水温状况），加入掺加剂法（粒料、粘土、盐溶液、有机结合料、无机结合料、高分子合成树脂等）。目前使用较多的土壤固化剂仍为无机化合物类，如水泥、石灰、粉煤灰或其他工业矿渣，高分子合成树脂加固土是今后土壤加固的一个新方向。现将具有代表性的几种加固土的加固原理分别进行介绍。

2.1盐溶液稳定土

用盐溶液稳定土的主要目的是利用吸湿性以调节土中的含水量，防止路面松散、扬尘。尤其是在较干旱的地区，盐溶液已成为经常性的养护措施之一。目前用于道路稳定土的盐类主要有CaCl

2、MgCl

2、NaCl等。归纳起来，盐溶液稳定土的作用原理为：阳离子交换作用、吸湿持水作用、降低冰点作用和提高表面张力作用。具体表现为一下几个方面：

（1）由于土中溶液浓度提高，胶体水膜厚度减小，使土粒更靠近，从而降低土的最佳含水量，提高压实度，减小压实功能；

（2）盐的吸湿性和对土中溶盐蒸发能力的减弱，可保持土具有相对稳定的含水量，从而减轻路面松散、扬尘及磨损、开裂等；

（3）降低土中溶液的冰点，以减轻冻胀；

（4）提高溶液的表面张力，从而提高其凝聚力，尤其在干旱季节，从溶液中析出的盐晶体牢固地把土粒联结在一起。

但是，盐溶液只能改善土中粘土胶粒的性质，而不能从根本上改变土的性质，尤其是其水稳定性较差，而且会被水淋溶。

2.2石灰加固土

根据目前国内外对石灰加固土强度形成机理的研究成果，可以认为：石灰加入土中后发生一系列的化学反应和物理化学反应，主要有离子交换反应、Ca（OH）2结晶反应与碳酸化反应和火山石反应。最终生成晶体氢氧化钙以及碳酸钙和含水硅、铝酸钙等胶结物，这些胶结物逐渐由絮凝状态向晶体状态转化，致使石灰土的刚度不断增大，强度与水稳性不断提高。其具体反应过程可概括如下：

（1）结晶反应

Ca（OH）2 + nH2O Ca（OH）2 .nH2O

Ca（OH）2胶体逐渐成为晶体的反应过程，所形成的晶体相互合并，并与土粒结合起来形成共晶体，将土粒胶结成一个整体。

（2）碳酸化反应

Ca（OH）2 + CO2 CaCO3 + H2O

碳酸钙具有较高的强度与水稳性，它对土的胶结作用使得土得到加固。

（3）火山灰反应

xCa（OH）2 + SiO2 + nH2O CaO. SiO2.（n+x）H2O

yCa（OH）2 + Al2O3 + mH2O CaO. Al2O3 .（m+y）H2O 火山灰反应生成的新的化合物与水泥水解后的产物相类似，是一种水稳性良好的结合料，具有水硬性性质。

2.3水泥加固土

用少量的水泥掺入土中就能改变土的性质，其原因是：水泥分布在土中构成坚固的核心，在所有的空隙中形成水泥水化的骨架，借以约束土粒的结果。在水泥加固土中，由于水泥水化完全是在土的围绕下进行的，土对这一过程起着很大的影响，其凝结速度比在水泥混凝土中进行的缓慢。水泥与水拌和后，水泥矿物与土中水分发生强烈的水解和水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙等水泥水化产物。当水泥的各种水化物生成后，有的自行继续硬化形成水泥石骨架，有的则和土相互作用，其作用形式归纳为：

（1）离子交换及团粒化作用

水泥水化产物中有Ca2+，而构成粘土的矿物是以SiO2为骨架而合成的板状或针状的结晶，通常表面带有Na+、K+等离子。析出的Ca2+会与土中的Na+、K+进行当量吸附交换。其结果使大量的土粒形成较大的土团，同时Ca（OH）2具有强烈的吸附活性，而使较大的土团进一步结合起来，形成水泥土的链条状结构，有封闭土团间隙的作用，形成稳定的联结。

（2）硬凝反应

随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+，当Ca2+的数量超过离子交换的需要后，与粘土矿物部分的SiO

2、Al2O3发生化学反应，生成不溶于水的稳定结晶矿物。

（3）碳酸化反应

水泥水化产物中游离的Ca（OH）2 不断地吸收水中的HCO3-和与空气中的CO2作用生成碳酸钙。该反应也可以达到固结土的作用，但是要低于硬凝反应。

2.4高分子合成树脂加固土

随着化学工业的发展，道路工作者开始研究用高分子合成树脂加固土。研究较多的合成树脂有糠醛-苯胺、脲醛树脂、聚丙烯酸钙等。还研究了采用各种高分子有机阳离子与多（缩）酸和金属盐综合使用。

除了以上介绍的四种加固土外，还有乳化沥青加固土、土的热处理、新型土壤加固剂加固土等。不同的土壤加固剂具有不同的加固效果，根据实际情况，使用复配型的加固剂，会达到更好的加固效果。

3 结论

通过对以上四种不同加固土的加固原理的介绍，得出以下几点结论。

（1）盐溶液只能改善土中粘土胶粒的性质，而不能从根本上改变土的性质，尤其是其水稳定性较差，而且会被水淋溶。

（2）石灰加固土存在强度发展缓慢和水稳性较差的缺点，石灰剂量较低时（2%～3%），石灰主要起稳定作用，使土的塑性、膨胀性、吸水量等降低，初步具有水稳性；当石灰剂量超过某一剂量后，过多的石灰在土的孔隙中以自由石灰存在，继续增加石灰剂量反倒引起土强度的降低。

（3）以水泥为主要结合料的综合加固土被认为具有较好的加固效果，硅酸盐水泥的加固效果较好，铝酸盐水泥的加固效果较差。加入一定掺量的石灰，可以增加土的稳定性，有利于水泥水化。

（4）高分子合成树脂加固土可以用较少的剂量达到较好的加固效果，但是由于价格昂贵，尚不能大量推广，可以配合水泥、石灰加固剂达到更好的加固效果。