1引言

为了满足生产生活的需求， 人们很早就将植物纤维和姜石应用到改良土壤的工程性质方面。随着石灰的发明， 石灰便成为土壤的改良材料。自从1842年Aspdin发明了水泥以后， 水泥土以其优良的加固效果，逐渐得到了人们的重视。由于石灰土、水泥土具有良好的力学性能和水稳性， 并具有一定程度的抗冻性能， 因此在修建道路、港口、机场等工程中， 得到了普遍应用。但在工程实践中， 人们逐渐认识到石灰土、水泥土的早期强度低、干缩大、易开裂， 并且其性能受土质影响较大， 对塑性指数高的猫土、有机土和盐渍土固化效果较差， 甚至有时无固化作用。因此， 开发经济实用的土壤固化新材料， 并系统地研究土壤固化新材料的性能和固化机理， 是目前各国工程师们致力研究的新课题^[2]。土壤固化剂是指能够改善和提高土壤工程技术性能的土工复合材料。土壤固化技术至今已形成一门综合了结构力学、胶体化学、土壤化学等理论的综合性交叉学科。作为一种新型的建筑材料，由于利用土壤固化剂能将量多、地广的当地土壤加固后作为重要的建筑材料，且土壤的开采和加工都比较容易，因而在国民经济发展与基本建设中具有重要的现实意义。国外已有的工程实践证明，土壤固化剂可大量应用于水利、交通、环境、港口、机场等基础设施的建设，与传统建筑材料相比，有着明显的优点，主要表现在：适用于各类地基、路基的土壤加固， 并适用于多种土质条件的表层及深层土壤的改良和加固；固化强度可以根据需要进行调整，能满足不同工程的要求；固化土早期强度高，有利于加快施工进度，提高施工效率；采用固化剂加固土壤可以利用天然土壤，就地取材，能减少砂石运量，降低环境污染等；土壤固化剂用在水利行业的渠道衬砌防渗、软弱地基及堤坝处理等方面对防洪消险、节水灌溉等均有显著作用^[4]。

2 研究进展与展望

土壤固化剂的发明灵感源于美军在非洲热带丛林中所发现的蚂蚁建造的结构坚固， 耐久性良好的”土蚁塔”。通过分析其成分和固化原理， 导致土壤固化剂的研制成功^[3]。

2.1 国外研究现状

20 世纪70 年代，由于工程建设的需要，国外开始对土壤固化剂进行了深入的研究。早期的研究工作，主要集中在利用水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料、混合物对土体进行加固的研究，并积累了十分丰富的经验。Shirazi认为，石灰和粉煤灰的混合物可以消除由于水泥干缩而引起的开裂^[7]；Bell 在水泥和石灰中分别加入一种名为PFA 的添加剂，对其加固效果进行了研究^[8]；Zalihe等用粉煤灰和石灰来加固含有石灰质的膨胀性粘土。Miller 等对水泥窑粉尘(CKD)加固土进行的研究表明，加入CKD 后固化土的无侧限抗压强度有所提高， 其提高幅度与土的塑性指数成反比^[9]。Kamon 等的研究表明用Fe2O3工业废渣和熟石灰加固土壤时，掺入适量的含铝煤泥可以提高固化土的早期强度。Sivapullaiah 等认为在粉煤灰中加入活性硅粉可以提高固化土的无侧限抗压强度。随着研究的深入，加固土壤的材料由原来的水泥、石灰、粉煤灰等无机材料发展到有机材料，以及无机与有机材料复合而成的新型材料，并且由粉体固化剂发展到对液体固化剂的研究。美国专利公开了一种由硫酸和柑橘植物油通过化学反应合成的液体固化剂，其掺量为干土重的0.01%时，28 天抗压强度达3.65MPa。Katz等对液体离子固化剂加固土机理和应用评价进行了研究和分析。

2.2 国内研究进展

20 世纪90 年代，我国开始引进国外土壤固化剂技术，并在吸收国外经验的基础上针对我国土壤性质，开始土壤固化剂国产化的研究。研究成果主要包括：水泥、石灰、工业废渣等无机类土壤固化剂、有机类土壤固化剂和新型复合类土壤固化剂。

汪稔等对石灰桩加固机理进行了详细的分析，认为生石灰和粉煤灰拌合成桩后，生石灰通过吸水膨胀、放热及水化反应等作用生成Ca(OH)2， 再与含有较高SiO2、Fe2o3成分的粉煤灰发生水化反应，生成具有较高强度、水硬性、稳定性的水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化铁酸钙，从而有效提高桩体强度。黄殿瑛选用硅粉作为外掺剂对水泥土性能影响进行了研究，认为硅粉的火山灰效应与微粒充填效应，使水泥水化、硬化向有利方向发展，提高了固化土的强度。国内在有机类固化剂的研发方面与国外还有很大差距，目前还只是停留在实验室阶段。如：刘瑾等选取丙烯酸等乙烯基单体为主体，经高分子聚合反应合成了一种新型水溶性高分子土壤固化剂，但对其固化机理尚不明确。王银梅等采用兰州大学开发的高分子类固化剂SH 对黄土进行了试验研究，固化剂SH 可充分利用胶体间的电性吸引力和高分子长链的搭接、缠绕作用增强土体强度，SH固化黄土的韧性较好，抗水性能好。在新型复合类土壤固化剂方面的研究中，黄晓明等以石灰、矿渣、水泥等一种或几种互配物作主固化剂，选用马来酸、胡马酸、碳酸钠、氟化钠、氢氧化钠、硫酸铝钾、三乙醇胺和胺基磺酸盐等为助固化剂，配制了一种TR 型土壤固化剂，具有良好的路用性能。李迎春采用复合固化剂，分别对粉土和粘土进行了对比试验研究，粉土和粘土存在着活性物质被激发的现象，有CSH 凝胶生成，由于土中富含可被激活的活性Si02，效果更加明显。黄新用普通硅酸盐水泥、石膏和一种含铝膨胀组分构成的复合固化剂对两种有代表性的软土试样进行了固化土试验研究^[4]。

3 土壤固化剂的固化机理