高性能土壤固化剂及在地基处理中的应用
於春强１郑尔康２
北京中土舆特赛特科技发展有限公司，北京１０００１６）（２铁道第四勘察设计院软主地基研兜所．杭州３１００１７）
摘要本文介绍了高性能土壤固化剂与土壤混合后．特别是与高含水ｔ和富含有机质的淤泥发生一系列物理和化学反应，形成相互连接的网状结构，从而提高了固化土的强度，减少了地基的变形。大量的室内现场和试验证实了这一点，并且已经在浅层和深层地基处理中得到应用。
关键词土壤固化剂；固化机理；地基处理；工程靶
１前言
随着国民经济的发展，各项建设的兴起，地基处理事业显得越来越重要。然而过往的地基处理方法大多从机械设备着手，进而建立某种工法，但从材料人手提高地基处理质量和效果却比较少，尤其在当今软基处理中，遇到高含水量，富含有机质的厚层软土，深层搅拌法时，即使水泥掺人量再大，水泥桩的强度还是提不上去，因此，有必要寻找出一种新材料的方法，从材料性能角度出发，提高地基处理效果。并且根据针对加固的土壤性质，建立一整套新材料的品牌，成为对付软土的有效克星。这就是我们研究这个课题的出发点。
２土壤固化剂的现状和发展前景
２０世纪初，一些经济发达国家由于新建道路、港１：３、机场等工程需要，采用石灰、水泥对土壤进行了改良，取得了良好的效果，但在长期的土壤固化工程中，人们逐步认识到这些固化材料，存在明显不足，满足不了工程建设发展需要。进入７０年代，美、日、加、南非等国家对土壤改良技术进行了深层次的开发，技术水平获得了长足的进步，改良土的材料由单一的石灰、水泥、粉煤灰等升级到土壤固化的新材料——土壤固化剂。这是一种性能优异的复合材料，具有水泥所不具有的一些特点，作用对象是各类土质，实现了人们“土变石头”的梦想，产品投入市场后，很快被广泛应用于工程中，美国称此为２０世纪伟大发明之一，日本称此为２１世纪的新材料。在这些国家里，土壤固化剂作为一种品牌的商品被专门的企业生产制造，如美国帕尔玛公司的固化酶，美国路邦（Ｒｏａｄｂｏｎｄ）公司、美国路特固（Ｒｏａｄｇｏｏｄ）、日本ＵＫＣ公司、日本世纪东急工业株式会社，日本住友株式会社等制造的土壤固化材料。
近十余年，国内先后也有十多家科研院所和大专院校对土壤固化剂展开了研究，如北京中土奥特赛特科技公司、北京建工学院、山东大学、武汉水利电力大学、武汉工业大学、铁道部科学研究院等，取得了一批实验室研究成果，有的还在一些铁路、公路、水利上做过试验。如北京中土奥特赛特科技公司的固化剂用于水利方面有：北京的中南海湖底固化、昆玉河水系治理、山西太原森林公司湖底固化、山东临沂修建灌溉水渠；铁路方面有：京沪铁路路基填料改良试验段、朔黄铁路路基填料的改良固化工程、新长线江苏靖江段铁路护坡；公路方面有：天津大港路堤改・７２９
国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集北京２００３—１０一２５－２８造工程、宁夏１０９８国道青铜陵路段、宁杭高速公路宜兴试验段；其他：如天津新港开发区围海造地中，固化剂用于固化淤泥用作围堤之用等，都取得了良好的社会效益和经济效益。在加快发展国内固化剂研究应用方面，北京中土奥特赛特科技发展有限公司始终处于国内领先水平。
随着国外先进技术的传人和我们在这个领域中的深入研究，目前已经看到了它的巨大发展潜力，可以肯定土壤固化剂的发展前景是广阔美好的。
３土壤固化剂的组成成分
土壤固化剂有粉状、液粉状两种。对应不同的土壤，有不同品种的固化剂与之相适应。以奥特赛特粉状固化剂为例，从化学组成上有主剂和辅剂（也就是我们常说的激发素）二个部分。粉状固化剂中的主料大都以水泥熟料、矿渣、石灰、粉煤灰和石膏为主，激发素是采用含活性基团的表面活性剂及激发剂组成，如柠檬酸、聚丙烯酰胺、三乙醇胺、硫酸铝钾、硅酸钠、氟化钠、碳酸钠等以及能与土壤活性物质起反应的氧化镁、氯化钙、氯化铁、明矾、磷酸等。可见土壤固化剂是以水泥基为基础的有大量无机和有机材料混合而成的胶凝性材料。具有水泥所有的性能外，还具有针对土壤固化的性能。
４土壤固化剂的固化反应机理
各类土壤固化剂，其固化土壤的原理也有所不同。电离子类土壤固化荆一般是液体状水溶性材料（如ＴＦＩＳＳ、Ｗｌ一３０、ＴＯＮＡ等），是由若干强离子试剂制成的混合剂，可以用来改变土壤颗粒的表面电荷特性，大大降低土壤的能力，并能有效破坏士颗粒的吸附水膜，从而有利于土体的压实，增大了土壤密度，压实后的土体会降低再吸水的能力，并能保持压实后的承载能力和抗渗特性。
ＡＳ系列无机土壤固化剂的主要成分为氧化钙、二氧化硅、三氧化铝等，用土壤固化剂加固软土时，固化剂颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙，含水碳酸钙及水泥杆菌等混合物，部分生成物以细分散形态的胶体，可以把土体中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，当土壤固化剂的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒继续反应。随着水化反应的深入，可在土体中逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物，增大了固化土的强度。从扫描电子显微镜中，可观察到固化土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸填充到颗粒的空隙中，形成网状结构。由于土壤颗粒比表面积较大，而固化剂掺量相对较小，所以强度增长一般较为缓慢。具体表现为：
４．１水化反应
固化剂本身部分成分水化反应生成硅酸钙、铝酸钙等胶凝性物质，使黏土颗粒表面形成凝结硬化壳。与黏土物质发生化学反应，形成硅酸钙、铝酸钙等胶凝性物质，使黏土表面产生凝结硬化，具有水稳性、强度高等优点。同时土壤固化剂中的激发剂可以有效地破坏矿渣、粉煤灰中的玻璃体结构，产生很多缺陷，使玻璃体中的ｓｉＯ＝一阴离子解聚并与土中活性成分发生水化反应，促进固化土的硬化。
４．２置换水反应
众所周知，黏土含有大量水分时，其承载力就很低，当脱掉水分时，其自身的承载力就大大・７３０・
於春强，等高性能土壤固化剂及在地基处理中的应用
提高；其次，绝大部分粘土都是由Ｓ卜Ｏ或Ａｌ—Ｏ四面体和Ａ１（或Ｍｇ）—ｏ（或ＯＨ）八面体硅酸盐组成的。土壤本身是一个松散体系，即使使用外力提高它的密实度，也很难形成一个致密结构使它少受外来侵蚀，当固化剂与土壤混合后，将过多的水分在反应中“夺取”，生成含３２个结晶水的钙矾石针状结晶体３ＣａＯ・Ａｋｑ・３Ｃａｓ０４・３２Ｈ２０，将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来。同时这种水化反应形成的结晶体使得材料的体积增加，它有效地填充土团粒间的孔隙，使固化土变得致密起来。在电子显微镜下可以看到土壤颗粒被ｃ＿一Ｓ—Ｈ凝胶包围，并相互连成一片，在土壤粒子之间形成一个牢固的网状结构体，从而提高了密实度，对抗压、抗渗、抗硫酸盐侵蚀等性能都大大提高。
４．３离子交换
由于一般黏土胶团表面带有大量的一价Ｎａ＋、Ｋ＋等，这些离子又具有极大的吸水性，水分的进入使得离子颗粒之间形成了松散的结合体，当固化剂与水作用产生大量的Ｃａ２＋，以及激发素中含有的高价阳离子，如硝＋、ＡＰ＋等，由于具有较高的离子强度，与土颗粒中的Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ＋进行离子交换作用，使得黏土胶团表面￡电位降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强、颗粒趋于凝聚，清除土壤内的液相和气相，生成的硫酸钙结晶体积膨胀而进一步填充孔隙，同时与针状结晶相互交叉，形成链状和网状结构而紧密结合，从而提高了地基的强度、耐水性和抗冻性。
４．４土壤固化剂与活性物质反应
土壤的成分比较复杂，它里面含有大量的活性ｓｉ０２＋、Ａｌ：０３、ＣａＯ等物质，当加入固化剂与它充分搅拌后固化剂中某些成分与这些活性成分反应生成胶凝性物质，发挥黏土潜在活性，增加及增强了这种网状结构，使之成为一种具有较高强度的整体。
总之，土壤固化剂的固化机理是在与土壤细微颗粒接触时发生物理和化学反应，使界面形成牢固的多结晶聚集体，从而改变颗粒界面的接触，新形成的化学结构表现出优异的力学强度和其他性能。它比水泥具有更广的适用性及经济性。是新世纪处理地基的理想材料。
５土壤固化剂的室内试验
５．１概况
为验证固化剂加固土壤的实际效果，曾对广东、湖南、江苏、浙江等地区的不同类型土壤进行固化剂的室内配比试验，使用Ａｕｇｈｔ—ｓｅｔ土壤固化剂，按不同配比制样，在规定的室内养生和抗压试验的条件下进行。不论是淤泥、淤泥质粘土、粘土、砂粘土、掺人比为１２％～１５％，２８天龄期强度一般比相同情况下用普通３２．５水泥的强度增加２～３倍。固化土的强度与固化剂的性质有关，不同种类固化剂加固效果会不同，与加固土的性质有密切关系，如土中砂性成分增加，含水量减少，其强度明显增加。此外还与室内养生条件，龄期都有关系，我们前后做过数百组室内配比试验，它的加固土壤效果比普通硅酸盐水泥要好得多，值得进一步研究和利用。下面以江苏宜兴一工地为实例，具体说明土壤固化剂室内试验情况。・７３１
主堕圭查三堡兰盒箜垄量圭垄堂墨堂圭三堡堂查全望鲨塞叁——些蔓！塑！二！壁二垄二型５．２被加固土壤的性质
淤泥：灰色、流软塑状、层厚５．６ｍ、取样深１０ｍ、含水量６１．７％、密度１．６４ｇ－ｃｍ一、比重２．７４、孔隙比１．７１、液限４７％、塑限２１．２％、液性指数２５．８、压缩系数（ｎ。一２）１．７９、压缩模量１．５２、块剪内磨擦角０．５。、凝聚力４．０（ｋＰａ）。
５．３以普通水泥、水泥＋生石膏粉、水泥＋生石膏粉＋ＳＮ２０１（液体添加剂）、
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂．对同一种淤泥土，室内配比试验强度指标对比如表１。
裹１水泥、水泥十生石膏粉、水泥十生石膏粉＋ＳＮ２０１、Ａｕｇ眦一ｓｅｔ固化剂固化土强度对比
抗压强度／ＭＰａ强度比值
掺人比播人材料及数量
７ｄ１４ｄ２８ｄ７ｄ１４ｄ２８ｄ
水泥１２％０．２２０．３１０．３６ｌｌ１
水泥１２％＋生石膏粉３％０．５４０．５９０．７４２．５１９２０
１２％
水泥１２％＋生石膏粉３％＋ＳＮ２０１０１５％０５５０６３０９１２．５２．０２．５
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ同化剂１２％０．６３０．７５１．０８２．９２４３
水泥１５％０３４０．４８０．６２ｌ１１
水泥１５％＋生石膏粉３％０５６０７００８９１．６１．５１．４
１５％
水泥１５％＋生石膏粉３％＋ＳＮ２０１０．１５％０．６２０７５１０２ｌ－８１．６１６
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂１５％０．８００．９２１．２３２４１．９２．０
水泥１６．５％０．３６０．５５０．６６１１ｌ
水泥１６．５％＋生石膏粉３％０５９０．９０Ｏ．９８１６１．６１．５
１６．５％
水泥１６．５％十生石膏粉３％＋ＳＮ２０１０．１５％０６４０．８６１１３１．８１．６ｌ７
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂１６．５％０．９６１．０８１３５２．７２．０２０
水泥１８％０．３９０．６６Ｏ．９２１１ｌ
水泥１８％＋生石膏３％０．５９０．８４０．９５１．５１．３ｌ
１８％
水泥１８％＋生石膏３％＋ＳＮ２０１０１５％０６８０．Ｓｒ２１．２８１７１．４１４
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂１８％Ｉ１５１．２９１６３１．９１．５Ｉ８
水泥１５％０２６０．２７０．６０１１１
１５％水灰水泥１５％＋生石膏３％０４００．７２０．９０１．５２７１．５比０５水泥１５％＋生石膏３％＋ＳＮ２０１０．１５％
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化荆１５％０４３０．９５１１７２．８３．５２．０
５．４配比试验成果分析
（１）在试验中采用同种土样（淤泥质粘土），根据掺人材料分成四大类型：①水泥；②水泥＋生石膏粉；③水泥＋生石膏粉＋ＳＮ２０１；④Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂。其中ＳＮ２０１系浙江大学生产的液体添加剂，Ａｕｇｈｔ—ｓｅｔ系北京中土奥特赛特公司生产的固化剂。每一类型中又根据掺入量
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的不同及干法或湿法（水灰比Ｏ．５）的形式分为５组，在ｎ３１七条件相一致的情况下，作不同龄期抗压强度的比较，从中可以看出Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂的效果最佳，其次是水泥加生石膏粉加ＳＮ２０１，再其次是水泥加生石膏粉，最次是单纯使用水泥。以１２％掺人量，２８天龄期为例，Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂所制试块的强度是单纯以水泥所制试块强度的３倍。水泥加生石膏粉的一组试块与水泥加生石膏粉再加ＳＮ２０１的一组试块，这两者的强度相差不大，但加入ＳＮ２０１后其强度略有增长，往往是仅以水泥为材料所制试块强度的２．０～２．５倍、１．４～１．６倍、１．５～１．７倍等等。总和来说ＳＮ２０１能够起到作用，但室内试验中表现不十分明显。
（２）在水泥土中掺人生石膏粉，水泥土的强度明显增加，按统计加入石膏后其强度增加０．５～１．０倍（石膏掺入量为３％时，）而且这种关系随着水泥掺量的增加而逐渐减少，但生石膏的增强作用是显而易见的。以淤泥质粘土为加固对象，水泥掺人比为１５％，然后分别加入１％～８％的生石膏粉，观察其强度变化，大体每增加１％的生石膏粉，其强度增加３０％左右但并不是总保持这种关系，而是在某一范围内如此。
（３）ＳＮ２０１对水泥土强度的增加具有一定作用，在本次室内试验其效果不是很理想（在掺人量为０．１５％的情况下），与加人生石膏粉后试块强度增加的效果相比，它的作用显得相对贫乏了。但对富含有机质的土来说，使用ＳＮ２０１是必要的，说明使用效果与土的性质有关，特别是含有机质成分有关，掺人材料往往具有针对性。
（４）在深层搅拌法中“千法”和“湿法”的比较是长期存在的争议，在这次室内试验中，采用干法，使加固材料粉体直接掺人粘土中进行均匀搅拌后制样与湿法将加固料调成一定水灰比的浆液掺人粘土中进行均匀搅拌后制样，观察二种方法制样强度的变化。试验结果反映在７天和１４天龄期中两种方法所制试块的强度相差较大，湿法比干法强度减少３０％左右，由此可知，干法初期强度增长较块，强度较高；湿法初期强度增长较慢，强度相对较小。但是在２８天龄期以后，二者的强度几乎相等，说明在掺入比相同的情况下，二种方法的后期强度最终会趋于一致，这也是符合理论的。
（５）室内不同配方试验统计强度指标关系见表２
表２不同配方试验统计强度指标关系
序号
１固化土配比种类Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂加固土抗压强度代号Ａ强度关系Ａ＝Ａ
２水泥＋生石膏粉＋ＳＮ２０１加固土
水泥＋生石膏粉加同土
水泥加固土ＢＣＤＡ＝（１～１５）Ｂ３Ａ＝（１．５－２）ＣＡ＝（２～３）Ｄ４
６土壤固化剂的现场试验
６．１概况
在室内试验成功的基础上进行了较多的现场试验，包括在浅部的土壤固化试验和深部的地基处理试验。就以宁杭高速公路宜兴段用土壤固化剂直接施打深层搅拌桩作软基处理试验为例前后经过三次现场试验共３０根桩，桩长１２ｍ～１５ｍ，与室内试验相同采用水泥、水泥加生石膏粉、・７３３・
中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集北京２００３１０—２５２８水泥加生石膏粉再加ＳＮ２０１，以及单独用Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂，用深层搅拌法的湿喷和干喷法进行施工，并且在７天、１４天、２８天龄期进行钻探取芯作室内抗压强度试验，现场标贯试验和单桩载荷试验及单桩复合地基载荷试验。资料甚多，但都说明土壤固化剂加固土壤是成功的，而且比单纯的用水泥作固化剂要好得多。现将第三次现场试验的４根桩的标贯和取芯抗压试验用水泥和Ａｕｇｈｔ≮瀵Ｓｅｔ固化剂二种材料作对比说明见表３。
表３现场试桩检测及成果分析
Ａ＿一４Ａ～５
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ５０ｋｇ・ｍ１水泥５０ｌ【ｇ・ｍ一
检测深度／ｍ、、鼍退标贯总数／Ｎ强度／ＭＰａ标贯总数／Ｎ强度／ＭＰａ
ｌ１５１７１４１６０．２０６
２１４０９４４１２０．３２４
３１５０２６２１ｌ０．２４６
４２１０．８００１２０９００
５１３０８２０９Ｏ．２１４
６１２Ｉ．６４４
平均值１５ｌ０３０１２０．１８
用土壤固化剂现场施打深层搅拌桩，并对桩身检测结果表明，Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂成桩的标准贯人击数、钻孔取芯抗压强度的指标高出水泥土桩的数倍，用试验的４根桩芯样抗压强度为０．５４ＭＰａ，而水泥土桩芯样的抗压强度为０．１８ＭＰａ，相当３倍，这与室内试验的结果基本一致。从众多的测试数据表明Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂的成桩强度比水泥成桩强度要高。加入生石膏粉及ＳＮ２０１的强度介于两者之间。也与室内试验相一致。对湿法与干法的比较，无论是用Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂还是水泥，湿法成桩强度要高于干法，但初期强度干法高于湿法，而湿法的后期强度增长较快。
７应用工程实例
７．１道路场道的基层处理
不论是高速公路，机场跑道停机坪，以及集装箱码头等场道工程，都必须设置一定厚度的基层，以适应上部荷载作用下地基应力和应变的需要，过去一般做法是用级配碎石加５％的水泥．组成所谓稳定层。随着土壤固化剂的使用已经由原来的基床土直接加土壤固化剂在原地形成基层。对此国家已经发布了有关技术规程，《固化类路面基层和底层技术规程》（ＣＪＪ／ＴＢＯ一９８）对各类固化剂的具体应用条件，要求作了具体规定，在这个总原则指导下，运用Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ土壤固化剂在公路、铁路、机场、码头做了不少的工程实例。例如宁夏１０８９国道、京沪铁路基床土质改变以及广东某机场道路的基层均是利用当地的土基，经捣松撒上一定量的固化剂，选择合适
在一些江湖底部往往淤积相当厚度的软土，当上部要填土或修建建筑物时必须要清淤，有的
７３４的含水量，再经辗压密实而成，以质量检验合格后使用。７．２江湖底部软土的固结防渗处理地方为环保需要，要作清淤疏通处理，若照过去做法排水清淤要投入较多的人力物力，而且还要
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花较长的时间。现在采用土壤固化剂，只需把水排出，不清除淤泥，而是把适合的土壤固化剂撒入软土中，经搅拌，固结压实，形成一定厚度的固结防渗加固层。如北京中南海、钓鱼台、昆玉河、太原森林公园的湖底处理均采用这种方法，收到了极好的效果。
７．３沙漠地区水渠边坡和底部的处理
在新疆引额济鸟水利工程中为了修建一条穿过沙漠的水渠，基层的修建和边坡防护需化费大量混凝土，可是沙漠地区混凝土骨料来源困难运程很远。经有效的研究和试验，中土奥特赛特科技发展公司提出用固化剂固结砂、土成为很好的基层和防水渗层，根据那里气候条件，做了大量的冻融、抗压等试验，成功地做了～段试验水渠，为整个中大小渠的建设创造了条件。
７．４肖山高等级公路软基处理
肖山育才路公铁立交桥工程，公路引道处在软土地段，软土的含水量和含有机质都比较高，为了有效的处理软土路基，经室内化验证实有效而采用了Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂作为深层搅拌桩的掺加剂，第一次改变了用水泥做掺加剂的常规做法，经对桩的检测以及后来的填土沉降观测结果，固化剂与土制成的搅拌桩，桩体质量很好，完全满足设计要求，而且比水泥效果更好。７．５珠海某石化厂座落在沿海的软土地基上，软土的含水率达砷％～７０％
为了有效的加固地基，设计单位大胆地采用了Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂作掺人料的深层搅拌桩，经室内配方试验和现场成桩试验，对桩体作取芯及载荷试验，证实完全满足设计要求，现正在实施中。
８结论与建议
通过室内试验和现场试验证明，用高性能土壤固化剂作地基处理，特别是对软弱地基的处理特别有效，比普通水泥加固效果要好得多，它能解决普通水泥难以克服的高含水量和富含有机质的软土。通过一些工程实践，用固化剂作浅层地基处理，可就地取材，节省大量水泥砂石料费用，与混凝土材料相比，一般可降低造价２０％－－３０％，值得推广应用。
此项技术在国外应用已相当普通，已有很成熟的研究机构和公司，但国内尚属起步阶段，目前利用固化剂的工程建设项目不多，经验方法较少，固化剂的研究机构，生产厂家和品牌也有限，建议有关部门重视此项技术的研究和开发，在工程实践中不断创新和发展。７３５・
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於春强１郑尔康２
北京中土舆特赛特科技发展有限公司，北京１０００１６）（２铁道第四勘察设计院软主地基研兜所．杭州３１００１７）
摘要本文介绍了高性能土壤固化剂与土壤混合后．特别是与高含水ｔ和富含有机质的淤泥发生一系列物理和化学反应，形成相互连接的网状结构，从而提高了固化土的强度，减少了地基的变形。大量的室内现场和试验证实了这一点，并且已经在浅层和深层地基处理中得到应用。
关键词土壤固化剂；固化机理；地基处理；工程靶
１前言
随着国民经济的发展，各项建设的兴起，地基处理事业显得越来越重要。然而过往的地基处理方法大多从机械设备着手，进而建立某种工法，但从材料人手提高地基处理质量和效果却比较少，尤其在当今软基处理中，遇到高含水量，富含有机质的厚层软土，深层搅拌法时，即使水泥掺人量再大，水泥桩的强度还是提不上去，因此，有必要寻找出一种新材料的方法，从材料性能角度出发，提高地基处理效果。并且根据针对加固的土壤性质，建立一整套新材料的品牌，成为对付软土的有效克星。这就是我们研究这个课题的出发点。
２土壤固化剂的现状和发展前景
２０世纪初，一些经济发达国家由于新建道路、港１：３、机场等工程需要，采用石灰、水泥对土壤进行了改良，取得了良好的效果，但在长期的土壤固化工程中，人们逐步认识到这些固化材料，存在明显不足，满足不了工程建设发展需要。进入７０年代，美、日、加、南非等国家对土壤改良技术进行了深层次的开发，技术水平获得了长足的进步，改良土的材料由单一的石灰、水泥、粉煤灰等升级到土壤固化的新材料——土壤固化剂。这是一种性能优异的复合材料，具有水泥所不具有的一些特点，作用对象是各类土质，实现了人们“土变石头”的梦想，产品投入市场后，很快被广泛应用于工程中，美国称此为２０世纪伟大发明之一，日本称此为２１世纪的新材料。在这些国家里，土壤固化剂作为一种品牌的商品被专门的企业生产制造，如美国帕尔玛公司的固化酶，美国路邦（Ｒｏａｄｂｏｎｄ）公司、美国路特固（Ｒｏａｄｇｏｏｄ）、日本ＵＫＣ公司、日本世纪东急工业株式会社，日本住友株式会社等制造的土壤固化材料。
近十余年，国内先后也有十多家科研院所和大专院校对土壤固化剂展开了研究，如北京中土奥特赛特科技公司、北京建工学院、山东大学、武汉水利电力大学、武汉工业大学、铁道部科学研究院等，取得了一批实验室研究成果，有的还在一些铁路、公路、水利上做过试验。如北京中土奥特赛特科技公司的固化剂用于水利方面有：北京的中南海湖底固化、昆玉河水系治理、山西太原森林公司湖底固化、山东临沂修建灌溉水渠；铁路方面有：京沪铁路路基填料改良试验段、朔黄铁路路基填料的改良固化工程、新长线江苏靖江段铁路护坡；公路方面有：天津大港路堤改・７２９
国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集北京２００３—１０一２５－２８造工程、宁夏１０９８国道青铜陵路段、宁杭高速公路宜兴试验段；其他：如天津新港开发区围海造地中，固化剂用于固化淤泥用作围堤之用等，都取得了良好的社会效益和经济效益。在加快发展国内固化剂研究应用方面，北京中土奥特赛特科技发展有限公司始终处于国内领先水平。
随着国外先进技术的传人和我们在这个领域中的深入研究，目前已经看到了它的巨大发展潜力，可以肯定土壤固化剂的发展前景是广阔美好的。
３土壤固化剂的组成成分
土壤固化剂有粉状、液粉状两种。对应不同的土壤，有不同品种的固化剂与之相适应。以奥特赛特粉状固化剂为例，从化学组成上有主剂和辅剂（也就是我们常说的激发素）二个部分。粉状固化剂中的主料大都以水泥熟料、矿渣、石灰、粉煤灰和石膏为主，激发素是采用含活性基团的表面活性剂及激发剂组成，如柠檬酸、聚丙烯酰胺、三乙醇胺、硫酸铝钾、硅酸钠、氟化钠、碳酸钠等以及能与土壤活性物质起反应的氧化镁、氯化钙、氯化铁、明矾、磷酸等。可见土壤固化剂是以水泥基为基础的有大量无机和有机材料混合而成的胶凝性材料。具有水泥所有的性能外，还具有针对土壤固化的性能。
４土壤固化剂的固化反应机理
各类土壤固化剂，其固化土壤的原理也有所不同。电离子类土壤固化荆一般是液体状水溶性材料（如ＴＦＩＳＳ、Ｗｌ一３０、ＴＯＮＡ等），是由若干强离子试剂制成的混合剂，可以用来改变土壤颗粒的表面电荷特性，大大降低土壤的能力，并能有效破坏士颗粒的吸附水膜，从而有利于土体的压实，增大了土壤密度，压实后的土体会降低再吸水的能力，并能保持压实后的承载能力和抗渗特性。
ＡＳ系列无机土壤固化剂的主要成分为氧化钙、二氧化硅、三氧化铝等，用土壤固化剂加固软土时，固化剂颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙，含水碳酸钙及水泥杆菌等混合物，部分生成物以细分散形态的胶体，可以把土体中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，当土壤固化剂的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒继续反应。随着水化反应的深入，可在土体中逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物，增大了固化土的强度。从扫描电子显微镜中，可观察到固化土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸填充到颗粒的空隙中，形成网状结构。由于土壤颗粒比表面积较大，而固化剂掺量相对较小，所以强度增长一般较为缓慢。具体表现为：
４．１水化反应
固化剂本身部分成分水化反应生成硅酸钙、铝酸钙等胶凝性物质，使黏土颗粒表面形成凝结硬化壳。与黏土物质发生化学反应，形成硅酸钙、铝酸钙等胶凝性物质，使黏土表面产生凝结硬化，具有水稳性、强度高等优点。同时土壤固化剂中的激发剂可以有效地破坏矿渣、粉煤灰中的玻璃体结构，产生很多缺陷，使玻璃体中的ｓｉＯ＝一阴离子解聚并与土中活性成分发生水化反应，促进固化土的硬化。
４．２置换水反应
众所周知，黏土含有大量水分时，其承载力就很低，当脱掉水分时，其自身的承载力就大大・７３０・
於春强，等高性能土壤固化剂及在地基处理中的应用
提高；其次，绝大部分粘土都是由Ｓ卜Ｏ或Ａｌ—Ｏ四面体和Ａ１（或Ｍｇ）—ｏ（或ＯＨ）八面体硅酸盐组成的。土壤本身是一个松散体系，即使使用外力提高它的密实度，也很难形成一个致密结构使它少受外来侵蚀，当固化剂与土壤混合后，将过多的水分在反应中“夺取”，生成含３２个结晶水的钙矾石针状结晶体３ＣａＯ・Ａｋｑ・３Ｃａｓ０４・３２Ｈ２０，将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来。同时这种水化反应形成的结晶体使得材料的体积增加，它有效地填充土团粒间的孔隙，使固化土变得致密起来。在电子显微镜下可以看到土壤颗粒被ｃ＿一Ｓ—Ｈ凝胶包围，并相互连成一片，在土壤粒子之间形成一个牢固的网状结构体，从而提高了密实度，对抗压、抗渗、抗硫酸盐侵蚀等性能都大大提高。
４．３离子交换
由于一般黏土胶团表面带有大量的一价Ｎａ＋、Ｋ＋等，这些离子又具有极大的吸水性，水分的进入使得离子颗粒之间形成了松散的结合体，当固化剂与水作用产生大量的Ｃａ２＋，以及激发素中含有的高价阳离子，如硝＋、ＡＰ＋等，由于具有较高的离子强度，与土颗粒中的Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ＋进行离子交换作用，使得黏土胶团表面￡电位降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强、颗粒趋于凝聚，清除土壤内的液相和气相，生成的硫酸钙结晶体积膨胀而进一步填充孔隙，同时与针状结晶相互交叉，形成链状和网状结构而紧密结合，从而提高了地基的强度、耐水性和抗冻性。
４．４土壤固化剂与活性物质反应
土壤的成分比较复杂，它里面含有大量的活性ｓｉ０２＋、Ａｌ：０３、ＣａＯ等物质，当加入固化剂与它充分搅拌后固化剂中某些成分与这些活性成分反应生成胶凝性物质，发挥黏土潜在活性，增加及增强了这种网状结构，使之成为一种具有较高强度的整体。
总之，土壤固化剂的固化机理是在与土壤细微颗粒接触时发生物理和化学反应，使界面形成牢固的多结晶聚集体，从而改变颗粒界面的接触，新形成的化学结构表现出优异的力学强度和其他性能。它比水泥具有更广的适用性及经济性。是新世纪处理地基的理想材料。
５土壤固化剂的室内试验
５．１概况
为验证固化剂加固土壤的实际效果，曾对广东、湖南、江苏、浙江等地区的不同类型土壤进行固化剂的室内配比试验，使用Ａｕｇｈｔ—ｓｅｔ土壤固化剂，按不同配比制样，在规定的室内养生和抗压试验的条件下进行。不论是淤泥、淤泥质粘土、粘土、砂粘土、掺人比为１２％～１５％，２８天龄期强度一般比相同情况下用普通３２．５水泥的强度增加２～３倍。固化土的强度与固化剂的性质有关，不同种类固化剂加固效果会不同，与加固土的性质有密切关系，如土中砂性成分增加，含水量减少，其强度明显增加。此外还与室内养生条件，龄期都有关系，我们前后做过数百组室内配比试验，它的加固土壤效果比普通硅酸盐水泥要好得多，值得进一步研究和利用。下面以江苏宜兴一工地为实例，具体说明土壤固化剂室内试验情况。・７３１
主堕圭查三堡兰盒箜垄量圭垄堂墨堂圭三堡堂查全望鲨塞叁——些蔓！塑！二！壁二垄二型５．２被加固土壤的性质
淤泥：灰色、流软塑状、层厚５．６ｍ、取样深１０ｍ、含水量６１．７％、密度１．６４ｇ－ｃｍ一、比重２．７４、孔隙比１．７１、液限４７％、塑限２１．２％、液性指数２５．８、压缩系数（ｎ。一２）１．７９、压缩模量１．５２、块剪内磨擦角０．５。、凝聚力４．０（ｋＰａ）。
５．３以普通水泥、水泥＋生石膏粉、水泥＋生石膏粉＋ＳＮ２０１（液体添加剂）、
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂．对同一种淤泥土，室内配比试验强度指标对比如表１。
裹１水泥、水泥十生石膏粉、水泥十生石膏粉＋ＳＮ２０１、Ａｕｇ眦一ｓｅｔ固化剂固化土强度对比
抗压强度／ＭＰａ强度比值
掺人比播人材料及数量
７ｄ１４ｄ２８ｄ７ｄ１４ｄ２８ｄ
水泥１２％０．２２０．３１０．３６ｌｌ１
水泥１２％＋生石膏粉３％０．５４０．５９０．７４２．５１９２０
１２％
水泥１２％＋生石膏粉３％＋ＳＮ２０１０１５％０５５０６３０９１２．５２．０２．５
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ同化剂１２％０．６３０．７５１．０８２．９２４３
水泥１５％０３４０．４８０．６２ｌ１１
水泥１５％＋生石膏粉３％０５６０７００８９１．６１．５１．４
１５％
水泥１５％＋生石膏粉３％＋ＳＮ２０１０．１５％０．６２０７５１０２ｌ－８１．６１６
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂１５％０．８００．９２１．２３２４１．９２．０
水泥１６．５％０．３６０．５５０．６６１１ｌ
水泥１６．５％＋生石膏粉３％０５９０．９０Ｏ．９８１６１．６１．５
１６．５％
水泥１６．５％十生石膏粉３％＋ＳＮ２０１０．１５％０６４０．８６１１３１．８１．６ｌ７
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂１６．５％０．９６１．０８１３５２．７２．０２０
水泥１８％０．３９０．６６Ｏ．９２１１ｌ
水泥１８％＋生石膏３％０．５９０．８４０．９５１．５１．３ｌ
１８％
水泥１８％＋生石膏３％＋ＳＮ２０１０１５％０６８０．Ｓｒ２１．２８１７１．４１４
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂１８％Ｉ１５１．２９１６３１．９１．５Ｉ８
水泥１５％０２６０．２７０．６０１１１
１５％水灰水泥１５％＋生石膏３％０４００．７２０．９０１．５２７１．５比０５水泥１５％＋生石膏３％＋ＳＮ２０１０．１５％
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化荆１５％０４３０．９５１１７２．８３．５２．０
５．４配比试验成果分析
（１）在试验中采用同种土样（淤泥质粘土），根据掺人材料分成四大类型：①水泥；②水泥＋生石膏粉；③水泥＋生石膏粉＋ＳＮ２０１；④Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂。其中ＳＮ２０１系浙江大学生产的液体添加剂，Ａｕｇｈｔ—ｓｅｔ系北京中土奥特赛特公司生产的固化剂。每一类型中又根据掺入量
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的不同及干法或湿法（水灰比Ｏ．５）的形式分为５组，在ｎ３１七条件相一致的情况下，作不同龄期抗压强度的比较，从中可以看出Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂的效果最佳，其次是水泥加生石膏粉加ＳＮ２０１，再其次是水泥加生石膏粉，最次是单纯使用水泥。以１２％掺人量，２８天龄期为例，Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂所制试块的强度是单纯以水泥所制试块强度的３倍。水泥加生石膏粉的一组试块与水泥加生石膏粉再加ＳＮ２０１的一组试块，这两者的强度相差不大，但加入ＳＮ２０１后其强度略有增长，往往是仅以水泥为材料所制试块强度的２．０～２．５倍、１．４～１．６倍、１．５～１．７倍等等。总和来说ＳＮ２０１能够起到作用，但室内试验中表现不十分明显。
（２）在水泥土中掺人生石膏粉，水泥土的强度明显增加，按统计加入石膏后其强度增加０．５～１．０倍（石膏掺入量为３％时，）而且这种关系随着水泥掺量的增加而逐渐减少，但生石膏的增强作用是显而易见的。以淤泥质粘土为加固对象，水泥掺人比为１５％，然后分别加入１％～８％的生石膏粉，观察其强度变化，大体每增加１％的生石膏粉，其强度增加３０％左右但并不是总保持这种关系，而是在某一范围内如此。
（３）ＳＮ２０１对水泥土强度的增加具有一定作用，在本次室内试验其效果不是很理想（在掺人量为０．１５％的情况下），与加人生石膏粉后试块强度增加的效果相比，它的作用显得相对贫乏了。但对富含有机质的土来说，使用ＳＮ２０１是必要的，说明使用效果与土的性质有关，特别是含有机质成分有关，掺人材料往往具有针对性。
（４）在深层搅拌法中“千法”和“湿法”的比较是长期存在的争议，在这次室内试验中，采用干法，使加固材料粉体直接掺人粘土中进行均匀搅拌后制样与湿法将加固料调成一定水灰比的浆液掺人粘土中进行均匀搅拌后制样，观察二种方法制样强度的变化。试验结果反映在７天和１４天龄期中两种方法所制试块的强度相差较大，湿法比干法强度减少３０％左右，由此可知，干法初期强度增长较块，强度较高；湿法初期强度增长较慢，强度相对较小。但是在２８天龄期以后，二者的强度几乎相等，说明在掺入比相同的情况下，二种方法的后期强度最终会趋于一致，这也是符合理论的。
（５）室内不同配方试验统计强度指标关系见表２
表２不同配方试验统计强度指标关系
序号
１固化土配比种类Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂加固土抗压强度代号Ａ强度关系Ａ＝Ａ
２水泥＋生石膏粉＋ＳＮ２０１加固土
水泥＋生石膏粉加同土
水泥加固土ＢＣＤＡ＝（１～１５）Ｂ３Ａ＝（１．５－２）ＣＡ＝（２～３）Ｄ４
６土壤固化剂的现场试验
６．１概况
在室内试验成功的基础上进行了较多的现场试验，包括在浅部的土壤固化试验和深部的地基处理试验。就以宁杭高速公路宜兴段用土壤固化剂直接施打深层搅拌桩作软基处理试验为例前后经过三次现场试验共３０根桩，桩长１２ｍ～１５ｍ，与室内试验相同采用水泥、水泥加生石膏粉、・７３３・
中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集北京２００３１０—２５２８水泥加生石膏粉再加ＳＮ２０１，以及单独用Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂，用深层搅拌法的湿喷和干喷法进行施工，并且在７天、１４天、２８天龄期进行钻探取芯作室内抗压强度试验，现场标贯试验和单桩载荷试验及单桩复合地基载荷试验。资料甚多，但都说明土壤固化剂加固土壤是成功的，而且比单纯的用水泥作固化剂要好得多。现将第三次现场试验的４根桩的标贯和取芯抗压试验用水泥和Ａｕｇｈｔ≮瀵Ｓｅｔ固化剂二种材料作对比说明见表３。
表３现场试桩检测及成果分析
Ａ＿一４Ａ～５
Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ５０ｋｇ・ｍ１水泥５０ｌ【ｇ・ｍ一
检测深度／ｍ、、鼍退标贯总数／Ｎ强度／ＭＰａ标贯总数／Ｎ强度／ＭＰａ
ｌ１５１７１４１６０．２０６
２１４０９４４１２０．３２４
３１５０２６２１ｌ０．２４６
４２１０．８００１２０９００
５１３０８２０９Ｏ．２１４
６１２Ｉ．６４４
平均值１５ｌ０３０１２０．１８
用土壤固化剂现场施打深层搅拌桩，并对桩身检测结果表明，Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂成桩的标准贯人击数、钻孔取芯抗压强度的指标高出水泥土桩的数倍，用试验的４根桩芯样抗压强度为０．５４ＭＰａ，而水泥土桩芯样的抗压强度为０．１８ＭＰａ，相当３倍，这与室内试验的结果基本一致。从众多的测试数据表明Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂的成桩强度比水泥成桩强度要高。加入生石膏粉及ＳＮ２０１的强度介于两者之间。也与室内试验相一致。对湿法与干法的比较，无论是用Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂还是水泥，湿法成桩强度要高于干法，但初期强度干法高于湿法，而湿法的后期强度增长较快。
７应用工程实例
７．１道路场道的基层处理
不论是高速公路，机场跑道停机坪，以及集装箱码头等场道工程，都必须设置一定厚度的基层，以适应上部荷载作用下地基应力和应变的需要，过去一般做法是用级配碎石加５％的水泥．组成所谓稳定层。随着土壤固化剂的使用已经由原来的基床土直接加土壤固化剂在原地形成基层。对此国家已经发布了有关技术规程，《固化类路面基层和底层技术规程》（ＣＪＪ／ＴＢＯ一９８）对各类固化剂的具体应用条件，要求作了具体规定，在这个总原则指导下，运用Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ土壤固化剂在公路、铁路、机场、码头做了不少的工程实例。例如宁夏１０８９国道、京沪铁路基床土质改变以及广东某机场道路的基层均是利用当地的土基，经捣松撒上一定量的固化剂，选择合适
在一些江湖底部往往淤积相当厚度的软土，当上部要填土或修建建筑物时必须要清淤，有的
７３４的含水量，再经辗压密实而成，以质量检验合格后使用。７．２江湖底部软土的固结防渗处理地方为环保需要，要作清淤疏通处理，若照过去做法排水清淤要投入较多的人力物力，而且还要
於春强，等高性能土壤固化剂及在地基处理中的应用
花较长的时间。现在采用土壤固化剂，只需把水排出，不清除淤泥，而是把适合的土壤固化剂撒入软土中，经搅拌，固结压实，形成一定厚度的固结防渗加固层。如北京中南海、钓鱼台、昆玉河、太原森林公园的湖底处理均采用这种方法，收到了极好的效果。
７．３沙漠地区水渠边坡和底部的处理
在新疆引额济鸟水利工程中为了修建一条穿过沙漠的水渠，基层的修建和边坡防护需化费大量混凝土，可是沙漠地区混凝土骨料来源困难运程很远。经有效的研究和试验，中土奥特赛特科技发展公司提出用固化剂固结砂、土成为很好的基层和防水渗层，根据那里气候条件，做了大量的冻融、抗压等试验，成功地做了～段试验水渠，为整个中大小渠的建设创造了条件。
７．４肖山高等级公路软基处理
肖山育才路公铁立交桥工程，公路引道处在软土地段，软土的含水量和含有机质都比较高，为了有效的处理软土路基，经室内化验证实有效而采用了Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂作为深层搅拌桩的掺加剂，第一次改变了用水泥做掺加剂的常规做法，经对桩的检测以及后来的填土沉降观测结果，固化剂与土制成的搅拌桩，桩体质量很好，完全满足设计要求，而且比水泥效果更好。７．５珠海某石化厂座落在沿海的软土地基上，软土的含水率达砷％～７０％
为了有效的加固地基，设计单位大胆地采用了Ａｕｇｈｔ—Ｓｅｔ固化剂作掺人料的深层搅拌桩，经室内配方试验和现场成桩试验，对桩体作取芯及载荷试验，证实完全满足设计要求，现正在实施中。
８结论与建议
通过室内试验和现场试验证明，用高性能土壤固化剂作地基处理，特别是对软弱地基的处理特别有效，比普通水泥加固效果要好得多，它能解决普通水泥难以克服的高含水量和富含有机质的软土。通过一些工程实践，用固化剂作浅层地基处理，可就地取材，节省大量水泥砂石料费用，与混凝土材料相比，一般可降低造价２０％－－３０％，值得推广应用。
此项技术在国外应用已相当普通，已有很成熟的研究机构和公司，但国内尚属起步阶段，目前利用固化剂的工程建设项目不多，经验方法较少，固化剂的研究机构，生产厂家和品牌也有限，建议有关部门重视此项技术的研究和开发，在工程实践中不断创新和发展。７３５・