土壤固化剂的研究与认识

土壤固化剂是国内近年在岩土工程中开始应用的一项新技术。

20世纪40年代，美国等发达国家在兴建道路、机场、港口等工程中发现水泥、石灰对土壤进行固化不能满足工程的需要，因而发明了土壤固化剂（soil stabilizer），并在工程应用中取得良好的效果。美国称之为“20世纪的伟大发明创造之一”；日本称之为“21世纪的新材料”。20世纪90年代土壤固化剂技术进入中国，有的已经成功的应用于公路和水利工程。例如，美国C.S.S.公司的路邦EN-1，日本Aught-set,南非ISS2500等。试验工程表明，应用土壤固化剂施工方便、提高了工程质量，节约资源、减少工程费用，说明土壤固化剂确是岩土工程一项先进的技术。国内有些单位也相继研究开发了自己的产品，也得到了应用。后来又编制了行业标准《土壤固化剂》（CJ/T 3073-1998）。

中国城建第五工程局有限公司（2016年更名为中城投集团第五工程局有限公司）是我国最早把土壤固化剂应用到工程上的单位之一。但是，在推广应用过程中，随着对土壤固化剂的研究和深入认识，感到国内受到国外企业商业宣传的影响，对土壤固化剂的认识存在一些问题，集中地表现在行业标准《土壤固化剂》（CJ/T 3073-1998）中，主要有三：

一是，将土壤固化剂与固化胶结料混为一谈；

二是，混淆了固化土与土壤固化剂的性能；

三是，将土壤固化剂作为一类新结构材料来推广，

为此，愿将我们的研究和认识与各位同仁商榷。

一，什麽是土壤固化剂？

按照现有行业标准CJ/T 3073-1998《土壤固化剂》的定义，“凡能改善和提高土壤技术性能的材料”都是土壤固化剂。并将土壤固化剂分为液粉状和粉状两大类，把水泥和石灰，甚至替代物都包括在内，带入了许多本不应属于“土壤固化剂”范畴的不稳定因素，又将固化土的绝对强度值来表征土壤固化剂的性能，导致了技术性能上的不确定性，夸大了土壤固化剂的作用，造成概念上的混乱。

我们一直在思考和求证：在液粉状固化剂应用中，液体化学组分和水泥、石灰等粉剂组分在固化土强度中各自贡献率是多少？结果表明：不少“土壤固化剂”对提高固化土强度和物理力学性能是有显着作用的；但也有的作用不大，甚至是没有贡献的，只是赖于和水泥等胶结料一起测定固化土的性能，掩蔽了土壤固化剂本身作用的优劣。

对固化土强度起作用主要因素还是胶结料——水泥、石灰等。因此，原有标准对“土壤固化剂”的定义，混淆了“固化土”、“固化胶结料”和“土壤固化剂”三个不同的概念。

我们认为：固化土的基本组成是胶结料、土粒和水。石灰、水泥等是固化土的基本固化胶结料（简称固结料），土壤固化剂是固化土的外加剂，是用化学、物理化学和生物化学方法改善固化土的一种手段。因此，土壤固化剂的定义应为：“能改善和提高固化土技术性能的材料”，一般加入量不超过3-5 %，基本都是化学品。不能将基本的“固化胶结料”混入”土壤固化剂”。

二，建立“固化土”的概念

在岩土工程中，压实素土难以满足工程的需要，人们采取了一些加固措施。约在2000年前，我们的祖先就已经在用石灰等来加固土体，形成“三合土”，现代采用水泥、石灰、二灰等胶结料来加固土体，形成了一类岩土材料——固化土。

从广义讲，“土”是岩石经风化、搬运和堆积而成的，由固、液、气三相组成的沉积物。按照国家标准《土的工程分类标准》（GB/T50145-2007）按土的颗粒组成将土分为：巨粒组、粗粒组和细粒组。如果以水泥或石灰来固化不同粒径范围的土粒，广义固化土目前至少已经有三类，即：

（1）水泥混凝土（含水泥石灰砂浆等），

（2）水泥、石灰和粉煤灰稳定集料，

（3）水泥、石灰固化土

具体可以参见表1

土的工程分类与广义固化土

从广义固化土看，固化土应是由水泥、石灰等胶结料固化不同粒径范围土粒的一类复合材料。因此，水泥混凝土也是一种“固化土”。俗称的“固化土“是狭义指水泥、石灰固化粒径小于40mm，主要由角砾、砂粒和细粒土形成的土体。

所有固化土都由胶结料（水泥、石灰等），集料（粗骨料和细集料，混合材等）水三大基本材料组成。上世纪中后期发现可以采用化学外加剂来改善混凝土的性能，并发展成为“混凝土的第五组分“（其他四组分是：水泥、粗骨料、砂子、水）。如果将粗细集料都列入土粒范围，外加剂或土壤固化剂就是固化土的第四组分（胶结料、土粒、水和外加剂），粉状土壤固化剂有的可以与固结料复合形成复合固结料。

但是，土壤固化剂与混凝土外加剂有所不同：

一是，土粒级配范围不同：混凝土固化的是级配集料，主要是砂石，粒径相对较粗，“含泥量”一般不能超过3-5 %；固化土一般固化的是泥土，含有相当量的细粒土，“含泥量”高，比表面积要大得多。

二是，主要土粒矿物成分不同：混凝土的砂石集料主要是岩石风化后的原生矿物；而固化土土粒的相当部分是次生矿物（高岭土，伊利石，蒙脱石等）。

三是，材料的物理力学性能要求不同：混凝土作为一种基本建筑材料，物理力学性能要求较高，抗压强度一般在20-60 MPa；而固化土作为岩土工程材料，强度要求较低，一般在0.5～10 MPa。

四是，混凝土所用胶结料量较大（20%左右），集料“土粒”较粗，外加剂主要是充分发挥水泥的作用；固化土胶结料用量较少（3-10 %），土粒较细，土壤固化剂不仅要发挥水泥的作用，更重要的是改善土粒表面的状态，发挥土粒在固化中的作用。

所以，固化土外加剂（或称土壤固化剂）与混凝土外加剂是不同的技术系统，绝大部分混凝土外加剂不能用于固化土。

三，建立固化土和土壤固化剂的技术系列

1，固化土是一种推陈出新的岩土工程材料

国内对固化土已经做了很多的研究工作。根据我们的研究开发成果，目前已经有六类固化土，每类固化土都有相应的“土壤固化剂”：

（1）压实型固化土

 适合用来建造各类道路，铁路建设，滩涂造地，土地整理，河湖治理，机场建设，固废利用等；

（2）灌注型固化土

适用于深坑基层，帷幕灌浆，矿坑填充，岩坡固结，滩涂种植，岩坡绿化，植被恢复，土层喷涂，沙坡固结等；

（3）防渗型固化土

适合于垃圾填埋场建设，湖河治理，农田水利，港工建设等

 （4）生态型固化土

适用于滩涂种植，岩坡绿化，植被恢复，沙坡固结等；

（5）淤泥固化土 

 适用于淤泥固结，软基处理，滩涂造地等；

 （6）特殊固化土 

适用于特殊土基的稳定固化；

随着工程的需要，相信还会由更多的“固化土”出现。

2，土壤固化剂是现代化学技术在固化土中的应用

 这方面发达国家走在我们前面，除了学习先进的技术，更重要的是理解和掌握这些技术，从而推陈出新，赶上世界技术进步的步伐。

我们认为：土壤固化剂就是应用于固化土的化学外加剂，其主要作用是：改善土体物理化学性能；激发土粒表面活性，促进土粒参与固化反应；强化水泥分散性，促进水泥与土粒的固化作用。对于不同的固化土，就需要有不同的外加剂来配合，达到不同的技术要求。因此：

（1）压实型固化土——压实型土壤固化剂；

（2）灌注型固化土——灌注型土壤固化剂；

（3）防渗型固化土——防渗型土壤固化剂；

（4）生态型固化土——生态型土壤固化剂；

（5）淤泥固化土  ——淤泥固化剂；

（6）特殊固化土  ——特种土稳定固化剂；

3，修编产品标准，引导“土壤固化剂”的健康发展

已经提出行业标准《土壤固化剂》（CJ/T 3073-1998）的修订，与业界讨论了基本修正点，提出：

（1）将土壤固化剂分为液体和粉剂两类。取消原定液粉状和粉状分类。

（2）将已加入待检土壤固化剂的固化土的强度与基准固化土（没有加入土壤固化剂）强度的比值作为检测土壤固化剂增强性能的指标；

（3）将已加入待检土壤固化剂的固化土的凝结时间与基准固化土（没有加入土壤固化剂）凝结时间的差值作为检测土壤固化剂对固化土凝结时间影响值的指标；

四，结语

1，研究表明：固化土是一类先进的岩土材料和实用技术。土壤固化剂是固化土的外加剂，加入固化土可以显着改善固化土的物理力学性能，已成为固化土的第四组分。

2，通过多年来对土壤固化剂、固化土及其应用技术的研究，认为应该建立我国“固化土”的学科领域和土壤固化剂的基本技术体系。

 3，已经在行业标准《土壤固化剂》（CJ/T 3073）的修改中反映了我们的研究成果。还需要深入的研究和工程的实践来完善国内土壤固化剂的技术成果。