地質聚合物在特殊土處理中的應用研究進展

周亮 尹誠 韓雪剛

近年來，地質聚合物已成為一種替代普通硅酸鹽水泥常用的土壤膠凝材料，其可以提高特殊土的強度和剛度，并具有降低有毒污染、減少溫室氣體排放和提高能源利用率等優(yōu)勢，對特殊土加固具有顯著的性能優(yōu)勢和經濟效益。地質聚合物作為一種新型綠色環(huán)保凝膠材料，通過膠凝作用使土顆粒成為更加密實的整體，從而實現(xiàn)改善特殊土的工程性質。本文就地質聚合物在特殊土處理中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行歸納和總結，以期為地質聚合物處理特殊土的后續(xù)研究提供參考。

1概述

1.1特殊土

我國地區(qū)廣泛地分布著濕陷性黃土、膨脹土、紅黏土、多年凍土與鹽漬土等特殊土類。

不僅表現(xiàn)出其工程特性對水分子、溫度外界條件的敏感性，還表現(xiàn)出其物理與力學特性的不一致性等問題。長期以來，處理特殊土的理論和技術是國內外巖土界研究的重要領域。

1.2地質聚合物

地質聚合物是一種以硅、鋁元素為主的聚合膠凝材料，被認為是有望取代水泥的新型綠色膠凝材料。地質聚合物與硅酸鹽水泥相比，是一種生產成本低、能耗低、二氧化碳排放量少的新型膠凝材料，其種類目前大致以粉煤灰（FA）、礦渣（S）、偏高嶺土和赤泥等作為前驅體，通過堿性活化劑激活，制備地質聚合物砂漿加固特殊土，不僅最大化利用了各類廢棄物，減少了溫室氣體的排放，而且具有較高的抗壓強度和優(yōu)良的力學特性。目前，地質聚合物作為建筑領域的研究熱點，眾多學者研究其替代水泥作為新型膠凝材料加固特殊土的強度和耐久性，并表明其與水泥、石灰相比具有更好的力學性能和潛在優(yōu)勢。

2研究進展

2.1地聚物加固膨脹土研究進展

膨脹土作為典型特殊土類之一，由于土中含有較多的蒙脫石、伊利石等黏土礦物，具有很強的親水性，是一種浸水后體積劇烈膨脹，失水后體積顯著收縮的黏性土，這類土對建筑物會造成嚴重危害，是破壞公路、建筑物和其他基礎設施的典型土壤類型，有研究表明，膨脹土引起的體積變化比洪水和地震等自然災害引起的體積變化更嚴重，為了解決這個問題，必須使用各種礦物或化學添加劑如石灰和水泥來改良土壤，以改變其工程性能。雖然水泥可以用來固結砂土，但不能單獨使用水泥固結膨脹土，需搭配石灰加固膨脹土，然而由于石灰和水泥生產過程中排放大量的溫室氣體，不是一種可持續(xù)的綠色施工方法。因此，近些年來，眾多學者采用粉煤灰基地質聚合物復合外加劑對膨脹土進行加固處理，并表明地質聚合物的摻入對膨脹土的壓縮特性和強度特性有顯著的增強作用，在天然膨脹土中加入不同比例的地質聚合物外加劑，并對其進行進一步試驗，通過對土壤的一些指標進行分析，如比重、液體極限、收縮極限和單軸壓縮值，表明：地質聚合物外加劑組合使用極大地改變了土的液限、塑限和壓實特性，即降低了膨脹土的體積變化，添加礦渣并利用堿激發(fā)可以有效提高土的無側限抗壓強度。

2.2地聚物加固黃土研究進展

黃土在中國分布廣泛，是工程建設中重要的天然材料，但因其具有濕陷性以及壓縮性，往往會導致路基塌陷、建筑物沉降等一系列工程問題。因此對黃土進行改良，通過加入添加劑提高其強度具有重要的工程意義。眾多學者研究粉煤灰基地質聚合物固化黃土的抗壓強度、微觀結構及物相組成的影響，探討其固化機理，其中有學者通過研究石膏堿激發(fā)地質聚合物固化黃土，石膏摻量對固化黃土的微觀形貌及整體性能有很大的影響，固化黃土微觀結構的完整度和連續(xù)性隨著石膏摻量的增加而提高，但過量的固化劑阻礙了水化產物的發(fā)育，導致架空結構出現(xiàn)，為固化黃土的實際工程應用提供參考。此外，有學者通過擊實試驗、無側限抗壓強度試驗、直剪試驗和崩解試驗研究了不同模數和波美度的水玻璃堿激發(fā)粉煤灰基地聚物固化黃土的工程特性，結合掃描電鏡、物理吸附試驗分析了固化黃土的微觀結構，表明凝膠物質對土顆粒的包裹作用及其數量是影響固化黃土強度的主因。

2.3地聚物加固其他特殊土研究進展

地質聚合物加固各類特殊土不僅具有較高抗壓強度，而且在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、脫水和腐蝕性化學環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，此外，地質聚合物的含量和固化時間對其微觀結構的發(fā)育有較大的影響。有研究證實采用偏高嶺土基和赤泥-低鈣粉煤灰基地質聚合物進行含硫軟土加固是一種有效的途徑，另有眾多研究指出地質聚合物能夠代替水泥功效對軟土、鹽漬土和紅黏土起到較好的固化作用，改良土的抗壓強度和抗剪強度較純水泥改良土加固有較大提升，并有眾多研究結合微觀分析揭示了水化和固化的形成，表明地質聚合物生成的膠凝相極大填充了土結構的空隙，增強了土顆粒之間的黏聚力，并結合微觀相貌和物相分析得到不同因素對地質聚合物特殊土加固體的影響規(guī)律。

3地質聚合物在軟土地基應用中的發(fā)展趨勢

黨的十九屆五中全會將“十四五”規(guī)劃與2035年遠景目標統(tǒng)籌考慮，為建筑行業(yè)提供了行動指南、指明了前進方向，同時結合我國建筑行業(yè)工業(yè)化、標準化和綠色化重大戰(zhàn)略布局，這給地質聚合物特殊土加固處理的研究與應用帶來了契機。研究地質聚合物固結特殊土的力學強度影響因素具有重要意義，有助于地質聚合物綠色膠凝劑在巖土工程中的應用發(fā)展?；谀壳皩Φ刭|聚合物處理特殊土研究成果的總結，未來的發(fā)展將集中在以下幾個方面。

（1）力學性能方面：地質聚合物雖然其力學性能和經濟環(huán)保性優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，然而，目前對地質聚合物加筋土的研究大多集中在靜載作用下的力學性能，而缺少動荷載、循環(huán)荷載作用下的力學性能，這需要進一步的研究，定量及定性地分析其力學特性的變化規(guī)律。

（2）綜合性能方面：地質聚合物加筋土具有較高強度和剛度，在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、脫水和腐蝕性化學環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，但往往存在易收縮開裂、凝結時間較難控制等缺陷。因此，在保證高強度的基礎上，通過添加劑來綜合改善地質聚合物加筋土的綜合性能是未來研究的重要方向。

（3）處治技術方面：隨著工程技術的不斷進步，特殊土地基處理技術也愈發(fā)成熟，各類特殊土處治手段的結合運用極大地提高了處治效果和處治效率，因此地質聚合物聯(lián)合樁基礎、土工合成材料加筋等其他處治手段加固地基是接下來地質聚合物特殊土處理技術發(fā)展的又一方向。

4結語

近年來隨著城市的大規(guī)模建設，對特殊土進行大規(guī)模建設勢在必行，添加無機膠凝材料的方法經常被用來改善土壤的許多巖土特性，通過使用地質聚合物來改善特殊土的許多巖土特性，許多研究結果表明，該方法在應用于實時問題時具有足夠的可靠性。地質聚合物作為膠凝材料能夠極大改善特殊土的不良工程特性，實現(xiàn)了廢物再利用，在施工中考慮降低成本的同時兼顧環(huán)境保護，為推進建筑行業(yè)綠色工程建設、實現(xiàn)基礎工程可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。

作者簡介

周亮，男，漢族，工程師，學士，主要從事道路工程施工工作，湖南省建設科技計劃項目（KY201918，KY201919）