张莹莹①② ZHANG Ying-ying；刘飞① LIU Fei
（①云南省交通规划设计研究院陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室，昆明650041；②东南大学，南京 211189）
（①Broadvision Engineering Consultants National Engineering Laboratory for Surface Transportation Weather Impacts Prevention，
Kunming 650041，China；②Southeast University，Nanjing 211189，China）
摘要： 本文针对公路工程中经常遇到的不良路基土的常用固化剂水泥从固化土改良机理、物理力学性质的变化等方面进行阐述。同时指出了水泥固化剂的不足，建议研究开发新型、高效土壤改良材料，并深入探讨其改良机理。
Abstract： The commonly used cuing agent for the poor subgrade soil in highway engineering is cement. This article analyzes the improvement mechanism of stabilized soil and change of physical and mechanical property and points out the defect of cement curing agent. It suggests to research and develop new and effective soil improvement material and discusses its improvement mechanism in depth.
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关键词 ： 不良路基土；水泥固化土；物理力学性质；机理；电石渣
Key words： poor subgrade soil；cement stabilized soil；physical and mechanical properties；mechanism；carbide slag
中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0110-03
作者简介：张莹莹（198-），女，浙江舟山人，毕业于东南大学，研究方向为岩土工程。
0 引言
在公路建设过程中，经常会遇到不良路基土。目前国内外针对不良路基土的改良技术已有一定的研究成果。其中比较常用的就是物理加固法、化学加固法和综合加固法等三种。
物理加固法通常就是使用工程机械设备，对地基土壤的水力学性质和力学性质，进行一定程度的改变，在这个过程中，地基土壤的化学性质并没有发生改变。化学加固法主要是通过使用化学外加剂，通过外加剂的化学作用，在一定程度上改变地基土壤的化学性质，使其达到工程建设的要求标准。综合加固法是结合化学加固法和物理加固法二者的优势，综合使用外加剂和物理机械的压制，提高土壤的密实性，有效降低土壤中的空隙。
1 土壤固化剂
在实际工程建设过程中，对于达不到施工标准的土壤进行改善，通常就是用到土塘固化剂，土壤固化剂可以在一定程度上改变土壤的一系列性质，如土壤的水敏感性以及水稳性，通过对土壤这些性质的改变，提高工程地基的质量。目前，根据土壤固化剂的固化机理，可以将其分为如下几类，见表1。
从当前来看，比较常用土壤固化剂，主要为无机化合物类，如水泥、石灰、粉煤灰或其它工业矿渣以及沥青和其它高分子化合物溶液等。不过，从一些公路工程的实际情况来看，使用石灰石、水泥的较多。
2 水泥固化土机理
水泥与土拌和后，水泥矿物与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙并形成其它水化物。其各自成分的反应过程如下：
2（3CaO·SiO2）+6H2O → 3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca（OH）2
2（2CaO·SiO2）+4H2O → 3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca（OH）2
3CaO·Al2O3+6H2O → 3CaO·Al2O3·6H2O
4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca（OH）2+10H2O → 3CaO·Al2O3·6H2O+2CaO·Fe2O3·6H2O
3CaSO4+3CaO·Al2O3+3H2O → 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
当水泥的各种水化物生成后，有的继续硬化形成水泥石骨架，有的则与土发生离子交换及团粒化作用、硬凝反应（火山灰反应）、碳酸化作用，最终水泥加固土就是水泥石的骨架作用与Ca（OH）2的物理化学作用共同作用的结果。后者使粘土微粒和微团粒形成稳定的团粒结构，而水泥石则把这些团粒包覆并连接成坚强的整体。
3 水泥改良土的物理力学性质的变化
国外用水泥加固土体已有60多年的历史，通常把采用普通硅酸盐水泥加固的土称为“水泥土”。其中使用较多的就是水泥固土体，通过使用水泥固土体，可以改善公路施工过程中地基土壤的特性，并且，这种水泥固土体，来源非常广泛，成本较低，是公路工程施工过程中，很经济的材料。水泥加固土的效果，受到有机酸含量的影响，不少学者在研究中发现，如果土壤中有机酸的含量较高，则在这种情况下，使用水泥加固土的效果就会大大降低。其原因主要在于，那些不溶于水的脂类和烃类物质，会在很大程度上，阻碍水泥的水化，但不影响固化土的最终强度。我国国内一些学者在研究中发现，在水泥土中适当加入一定量的废石膏，可以增强其加固效果，尤其是对泥炭、淤泥等地质构造的土壤效果明显。在对软性土壤进行加固时，通过使用适量的废石膏，可以节约水泥的使用量。童小东等通过室内试验证明，水泥土中掺入适量氢氧化铝或生石膏，均能够提高水泥土的早、中、后期强度，特别是早期强度；水泥土中掺入熟石灰，对早期强度的发展有抑制作用，对后期强度的提高有促进作用。王文军等通过室内试验证明，水泥土中掺入适量性能优异的纳米硅粉，能够显着提高水泥土的强度，特别是早期强度。也有不少学者从定量的角度量化研究水泥固化淤泥土强度与水泥掺量及含水率的关系，见表2。
4 水泥改良土的微观机理分析
在水泥土强度形成的微观机理分析上，北航的黄新教授等。做了大量的研究。他从微观角度出发，分别针对粉土（图1和图2）和黏性土（图3、图4和图5）提出了一个固化土结构形成模型，根据此模型讨论了形成最佳固化土结构所需要的水化物种类及土的化学性质因素对固化土中水化物生成的影响。
对于水化硅酸钙，有很多学者进行过相关的研究，其中，李俊才等学者，通过利用SEM方法，对水化硅酸钙在土粒间的生长机理做了比较深入研究。他从从生成产物的结构上提出了水泥加固粉土和粘土的固化机理，如图6所示。龚尚龙利用SEM方法，对水泥的水化壳现象做了详细分析，他提出由于受到不同水灰比的影响，在不同的水灰比例下，水化壳变化程度也不相同。学者王星华利用SEM方法，对粘土的固化进行了研究，在他的研究中，提出了粘土在固化时，其浆液的水化过程和水泥基本相似。水泥固化时，其固化的速度主要受到无机盐含量的影响，不过，王星华又指出，固化粘土的浆液，在固结过程中，可以分成两个阶段。
5 水泥固化剂优缺点
在水泥固化材料的长期应用中，人们也逐渐认识到它的不足，主要表现在：水泥加固土受土类别限制，对塑性指数高的粘土、有机土及盐渍土等土类，加固效果不理想，且加固土干缩系数和温缩系数均较大，易开裂（具体见表3）。
6 结语
鉴于传统的水泥改良剂处理不良路基土的效果不甚理想或难普及推广，因此急需研究开发新型、高效的土壤改良材料，并深入探讨其改良机理。目前，在国家大力提倡和发展“绿色交通”的大背景下，笔者建议开展利用工业废料进行不良土质的改良。如电石渣是电石生产化工原料乙炔时产生的废渣，其主要成分是Ca（OH）2，还含有CaCO3、SiO2、硫化物、镁和铁等金属的氧化物、氢氧化物等无机物以及少量有机物；而干电石渣的主要成分是氧化钙，是高碱性物质，pH值可达12以上目前国内已有将其作为路基原料的相关研究。因此，开展电石渣的综合利用，无论从社会效益、环境效益还是经济效益上讲都是非常有利的。
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