黃泛區(qū)粉土工程特性及其改性固化研究進(jìn)展*

王 昊 ， 韋金城 ， 宋曉輝 ， 李雪和 ， 吳文娟 ， 劉海峰 ， 任瑞波

（1.山東高速股份有限公司， 山東 濟(jì)南250000；2.山東省交通科學(xué)研究院 高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南250102；3.武漢桓創(chuàng)技術(shù)服務(wù)有限公司， 湖北 武漢430070；4.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢430071；5.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南250101）

0 引言

在黃泛區(qū)平原的公路工程中， 粉土常被用作路基的填筑材料。 但由于天然粉土所具有的顆粒級(jí)配不良等特性， 常導(dǎo)致路基難以達(dá)到較高的壓實(shí)度， 路基強(qiáng)度較低。 同時(shí)受毛細(xì)作用影響， 路基粉土在動(dòng)荷載作用下吸水， 發(fā)生翻漿冒泥病害，路面結(jié)構(gòu)易發(fā)生早期破壞［1-2］。 為解決上述路基工程問題， 改善粉土的工程力學(xué)性能， 使其具有足夠的強(qiáng)度、 穩(wěn)定性和抗沖刷能力， 近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者聚焦黃泛區(qū)粉土的工程特性和改性固化方法，開展了針對(duì)性的研究工作。 目前針對(duì)粉土的改性方法主要有摻拌無(wú)機(jī)類固化劑、 有機(jī)類固化劑、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合類固化劑和生物酶類固化劑。

本文將從黃泛區(qū)天然粉土的工程力學(xué)特性、改性方法及效果等方面對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)， 以期對(duì)黃泛區(qū)粉土的路基適用性研究提供借鑒。

1 黃泛區(qū)粉土地理分布和物理性質(zhì)

1.1 黃泛區(qū)粉土的成因和分布

黃泛區(qū)粉土是由黃河泛濫、 改道， 導(dǎo)致攜帶的黃土高原泥沙沉積形成， 主要分布于山東、 河南、 安徽和江蘇等黃河泛濫地區(qū)。 黃泛區(qū)可分為廢黃河泛濫沖積地區(qū)、 黃河三角洲和黃河水下三角洲。 廢黃河泛濫沖積地區(qū)的粉土屬于第四紀(jì)松散河流湖泊堆積物， 表層為低液限粉土， 中部為夾淤泥質(zhì)薄層黏土， 下部為低液限黏土， 土層構(gòu)造在垂直方向和水平方向上， 均由粉砂、 粉土夾薄層黏土、 黏土構(gòu)成， 粉粒含量高， 黏土礦物含量低［3］。 黃河三角洲地區(qū)粉土是由河流沖積物反復(fù)於淀形成， 顆粒級(jí)配集中， 海水沖刷作用導(dǎo)致其黏粒含量極低， 含鹽量高， 土層結(jié)構(gòu)為河流沖積物覆蓋海相層的二元相結(jié)構(gòu)［4］。 黃河口水下三角洲土層受到風(fēng)暴潮的影響， 導(dǎo)致土體液化產(chǎn)生擾動(dòng)土層， 與未擾動(dòng)土相比， 擾動(dòng)土的重度較大、 孔隙比較小、含水率較低、 強(qiáng)度有一定程度的提高［5］。

1.2 礦物組成

黃泛區(qū)天然粉土主要由原生礦物砂、 粉粒組成， 含有較少的次生粘土礦物， 其中非粘土類礦物主要為石英、 長(zhǎng)石和云母等， 黏土礦物主要為伊利石和蒙脫石； 粉土的化學(xué)元素成分主要為硅（Si）、 鋁（Al）， 其次為鐵 （Fe）、 鉀 （K）、 鈉（Na）， 其余化學(xué)元素含量較少［1，3，4，6-7］。 粉土的比重介于2.64～2.70 之間。

1.3 粒徑分布

黃泛區(qū)粉土的顆粒磨圓度高（圖1）， 顆粒均勻， 粒徑分布曲線整體上呈較陡的形狀， 顆粒粒徑主要集中于0.074 mm～0.005 mm （表1）。 不均勻系數(shù)Cu一般小于5， 屬于以粉粒為主的級(jí)配不良土［1，14］。

表1 黃泛區(qū)粉土試樣粒徑分布Table 1 The particle size distribution of the powder soil in the Yellow River flood area

圖1 普通粉土顆粒與黃河沖淤積粉土顆粒對(duì)比Fig.1 Comparison of ordinary silt particles and the Yellow River alluvial silt particles

圖2 MgO 碳化固化粉土過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the process of MgO carbonization and solidification of silt

1.4 界限含水率

采用落錐法開展的粉土液限與塑限測(cè)定結(jié)果表明， 黃泛區(qū)天然粉土主要為低液限粉土， 塑性指數(shù)IP 值在9 左右， 如表2 所示。

表2 黃泛區(qū)粉土的物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of silt in the flooding area of the Yellow River flood area

1.5 壓實(shí)特性

由于天然粉土顆粒級(jí)配不良， 顆粒間的接觸以粉粒為主， 壓實(shí)后的粉土不能形成緊密的填充，達(dá)到最大干密度時(shí)仍有較多的孔隙， 導(dǎo)致壓實(shí)路基在動(dòng)荷載作用下仍會(huì)產(chǎn)生較大的變形［6，15］。 在擊實(shí)過(guò)程中， 粉土表現(xiàn)出較強(qiáng)的水敏感性， 含水率較低時(shí)出現(xiàn)起皮， 含水率較高時(shí)呈“橡皮土”， 路基浸水情況下易吸水發(fā)生凍脹翻漿［4，16］。

同時(shí)， 在黏粒含量對(duì)粉土壓實(shí)性能影響研究方面。 姚占勇［1］指出黏粒含量對(duì)粉土壓實(shí)性能的影響較大， 當(dāng)黏粒含量為9%～17%時(shí)， 粉土的壓實(shí)性能較好， 可達(dá)到較高的密實(shí)度。

由于礦物組分、 級(jí)配及黏粒含量的不同， 天然粉土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果也表現(xiàn)出顯著差異。 由文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)的粉土的最大干密度在 1.65 ～1.95 g·cm-3， 平均值為1.77 g·cm-3， 最優(yōu)含水率wop小于塑限wP。

2 黃泛區(qū)粉土工程特性

2.1 靜力學(xué)特性

黃泛區(qū)粉土的強(qiáng)度與壓實(shí)度和含水率密切相關(guān)。 壓實(shí)度越大， 土粒間的引力和水膜連接作用越強(qiáng)， 黏聚力越大， 但內(nèi)摩擦角變化幅度較小；當(dāng)含水率高于粉土最優(yōu)含水率后， 隨著含水率的增加， 土中基質(zhì)吸力顯著降低， 大量自由水會(huì)減弱顆粒間的膠結(jié)作用， 使得粉土黏聚力降低， 當(dāng)粉土接近飽和時(shí)， 內(nèi)摩擦角降低明顯［6-9，15］。

與此同時(shí)， 借助土三軸試驗(yàn)儀， 針對(duì)粉土在靜荷載下的應(yīng)力及變形特性的研究主要圍繞密實(shí)度、 含水率和圍壓等影響因素開展。 彭麗云等［6］指出高圍壓下壓實(shí)粉土的應(yīng)力變形呈現(xiàn)硬化型，低圍壓下壓實(shí)粉土的變形呈軟化型。 肖軍華等［15］指出最優(yōu)含水率下壓實(shí)系數(shù)小于0.85 的粉土在不同圍壓下的應(yīng)力變形均趨于硬化型； 隨壓實(shí)系數(shù)的增大才會(huì)在低圍壓下的應(yīng)力變形呈現(xiàn)軟化型。董山等［9］指出含水率的增大減弱土顆粒間的膠結(jié)作用， 水分的潤(rùn)滑使摩擦力減小， 表現(xiàn)為主應(yīng)力峰值的減小。

此外， 土體的強(qiáng)度和變形同樣受應(yīng)力路徑的影響。 董金梅等［20］研究了常規(guī)三軸壓縮、 減壓三軸壓縮和等壓壓縮3 種不同應(yīng)力路徑下的粉土力學(xué)特性， 結(jié)果表明常規(guī)三軸應(yīng)力路徑下應(yīng)力-應(yīng)變特性受圍壓影響明顯， 低圍壓為應(yīng)變軟化型， 高圍壓為應(yīng)變硬化型， 而等壓應(yīng)力路徑和減壓應(yīng)力路徑下粉土應(yīng)力-應(yīng)變特性均為應(yīng)變軟化型。

2.2 動(dòng)力學(xué)特性

由于黃泛區(qū)粉土顆粒均勻， 相互之間的咬合作用差， 加之黏粒含量低， 在地震和交通荷載作用下極易發(fā)生破壞甚至液化， 使工程地基存在嚴(yán)重破壞的可能。 因此關(guān)于黃泛區(qū)粉土的動(dòng)強(qiáng)度和液化特性方面的研究十分必要且較為豐富。

李曉靜等［21］根據(jù)黃泛區(qū)飽和粉土的動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為， 飽和粉土的動(dòng)強(qiáng)度與密度和黏粒含量密切相關(guān)， 干密度相同條件下， 粉土的動(dòng)強(qiáng)度隨黏粒含量的增加而增大。 在相同黏粒含量、 固結(jié)比和固結(jié)應(yīng)力條件下， 動(dòng)強(qiáng)度隨著密實(shí)度的增大而增大。 許天增等［22］基于動(dòng)三軸試驗(yàn)探究了開封、 新鄉(xiāng)和中牟等地區(qū)粉土的動(dòng)剪切模量和阻尼比的關(guān)系， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域粉土的動(dòng)剪切模量隨固結(jié)圍壓（100 kPa ～200 kPa） 的增大而增大；粉土在最優(yōu)含水率時(shí)的動(dòng)剪切模量最大， 阻尼比最小。 邵燕妮［18］研究了行車荷載作用下粉土路基動(dòng)力特性響應(yīng)規(guī)律， 認(rèn)為路基土體中產(chǎn)生累積應(yīng)變、 孔壓比以及動(dòng)模量的衰減幅度均隨行車荷載的增大而增加， 且隨路基深度的增加， 土體的動(dòng)力響應(yīng)逐漸減弱。

在地震荷載作用下， 土體液化是影響粉土工程特性的重要因素。 大量的室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 飽和度、 荷載、 圍壓和細(xì)粒含量等均會(huì)對(duì)粉土液化產(chǎn)生不同程度的影響［23-26］。 吳波等［24］指出粉土的飽和度小于60%不會(huì)發(fā)生液化， 動(dòng)強(qiáng)度和抗液化能力隨飽和度的增加而降低。 劉紅軍等［26］研究發(fā)現(xiàn)粉土的滲透系數(shù)較小， 動(dòng)荷載作用下孔壓不易消散和轉(zhuǎn)移， 初期孔隙水壓力急劇上升， 后期增長(zhǎng)較慢， 最終趨于穩(wěn)定。 安亮等［27］根據(jù)黃土滲透液化CT 掃描試驗(yàn)和動(dòng)荷載液化試驗(yàn)的結(jié)果認(rèn)為， 粉土的孔隙尺寸和特殊的膠結(jié)物質(zhì)導(dǎo)致強(qiáng)烈吸水現(xiàn)象是產(chǎn)生黃土液化的主要因素。 董正方等［28］研究了圍壓、 干密度和細(xì)粒含量對(duì)動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度的影響， 認(rèn)為黃泛區(qū)粉砂土動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度隨圍壓和干密度的增加而增大， 而細(xì)粒含量的增加， 強(qiáng)度均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。 趙心濤［7］通過(guò)數(shù)值模擬地震荷載下粉土路基液化特性發(fā)現(xiàn)， 地基的表層粉土層發(fā)生液化的可能性較小，沿深度的增加發(fā)生液化可能性增大。

2.3 凍融強(qiáng)度特性

凍融作用可導(dǎo)致粉土的強(qiáng)度先降低后趨于穩(wěn)定。 凍融循環(huán)后， 土體表面破壞比較嚴(yán)重， 黏聚力、 彈性模量、 壓縮模量、 液限和塑限指數(shù)均有一定程度的減小， 土中大、 中孔隙含量增加， 微孔隙含量基本不變， 微觀結(jié)構(gòu)上骨架顆粒連接方式發(fā)生改變， 形成架空孔隙， 土體的滲透性能增強(qiáng)［29-35］。

許健等［36］開展原狀和重塑黃土的電鏡掃描觀測(cè)和三軸固結(jié)滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 凍融作用對(duì)原狀和重塑黃土表面結(jié)構(gòu)破壞均較嚴(yán)重， 但原狀黃土表面結(jié)構(gòu)破壞程度較重塑黃土更為強(qiáng)烈。 劉寒冰等［37］根據(jù)不同圍壓下三軸試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為， 同種土在相同凍融循環(huán)次數(shù)下， 抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增加而增加， 相同圍壓下抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。 倪萬(wàn)魁等［38］根據(jù)黃土在反復(fù)凍融作用下的電鏡掃描觀測(cè)、 單軸壓縮試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 黃土的原始膠結(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸破壞， 并且顆粒重新排列，土體結(jié)構(gòu)變?yōu)槭杷桑?孔隙比不斷增大， 黏聚力不斷降低， 多次凍融循環(huán)后， 黃土的抗剪強(qiáng)度與重塑黃土的強(qiáng)度接近。 許健等［39］通過(guò)凍融作用下粉土的三軸剪切和CT 掃描試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 凍融作用對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型及特征無(wú)明顯影響， 均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型； 破壞偏應(yīng)力隨著凍融次數(shù)增加逐漸減小， 同時(shí)降低速率逐漸減小， 且破壞偏應(yīng)力隨著含鹽量增加逐漸減小， 表現(xiàn)出線性或加速劣化特征。

金青等［40］則通過(guò)凍融循環(huán)下粉土的動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 動(dòng)剪切強(qiáng)度和動(dòng)模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低， 而阻尼比增加， 并且含鹽量為3%粉土的動(dòng)剪切強(qiáng)度和動(dòng)模量的衰減更顯著。 鄭英杰等［17］研究了凍融循環(huán)和含鹽量對(duì)路基粉土動(dòng)力性能的影響， 認(rèn)為路基土動(dòng)模量隨含鹽量增加呈減小趨勢(shì)， 且減少程度較均勻， 阻尼比則隨含鹽量增加有明顯增加趨勢(shì)； 初始動(dòng)模量損傷度隨含鹽量增加呈線性遞增， 并根據(jù)數(shù)值模擬擬合方法提出了凍融次數(shù)、 含鹽量致初始動(dòng)模量損傷度的計(jì)算公式。

王謙等［41］針對(duì)黃土進(jìn)行了室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)和動(dòng)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 凍融循環(huán)導(dǎo)致了飽和黃土的抗液化性能的劣化， 并指出凍融循環(huán)引起的土體顆粒與結(jié)構(gòu)變化是導(dǎo)致土體液化特性變化的主要原因。 劉澤群［11］指出土體的動(dòng)剪切強(qiáng)度和最大彈性模量在二次凍融循環(huán)下略有恢復(fù)， 在四次凍融之后保持下降趨勢(shì)。

3 粉土改性固化方法

鑒于天然粉土上述不良的工程特性， 當(dāng)其作為路基填料時(shí)， 通常會(huì)通過(guò)添加改性固化劑來(lái)提高粉土的適用性和耐久性。 固化劑的類型、 摻量對(duì)改良土的強(qiáng)度、 耐久性影響顯著。 固化劑所起的作用可分為復(fù)合膠凝和填充增強(qiáng)兩大效應(yīng)［42］。按材料類型可分為無(wú)機(jī)類固化劑、 有機(jī)類固化劑、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合類固化劑和生物酶類固化劑（表3）。

表3 粉土改性固化劑的類型及固化原理Table 3 Types of silt modified curing agent and curing principle

3.1 無(wú)機(jī)類固化劑

目前道路工程中常用的無(wú)機(jī)類固化劑主要有石灰、 水泥、 粉煤灰、 活性氧化鎂、 礦渣（鋼渣）以及上述材料混合物。 從工程應(yīng)用效果來(lái)看， 無(wú)機(jī)類固化劑對(duì)粉土的固化效果在早強(qiáng)、 水穩(wěn)性和凍穩(wěn)性等方面存在明顯差異。

3.1.1 石灰、 水泥

石灰改良粉土主要通過(guò)火山灰反應(yīng)來(lái)提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性， 但粉土中的黏粒含量較少， 導(dǎo)致火山灰反應(yīng)較弱。 同時(shí)， Ca （OH）2結(jié)晶作用形成的膠結(jié)顆粒在潮濕環(huán)境下溶解導(dǎo)致水穩(wěn)定性差［1］。石灰改良粉土的7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低， 不能滿足公路路面基層相關(guān)性能要求。 經(jīng)添加水泥后， 可有效改善土體的工程特性， 使改良粉土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性大幅提高， 但破壞時(shí)的偏應(yīng)力峰值非常明顯， 殘余強(qiáng)度急劇降低， 傾向于脆性破壞［54-55］。

朱志鐸等［56］通過(guò)三軸試驗(yàn)探討了不同摻量石灰水泥改良粉土， 發(fā)現(xiàn)摻2 %水泥＋2%石灰的粉土在7 d 養(yǎng)護(hù)下的Ccu比摻4%石灰的粉土提高了32.5 kPa， 內(nèi)摩擦角提高了2°。 宋博文等［57］指出水泥石灰改良粉土的強(qiáng)度大幅度提高， 具有較強(qiáng)的抵抗變形能力； 摻量為3%消石灰和5%水泥的聯(lián)合改良粉土能夠滿足路基填料的設(shè)計(jì)要求。

除了單純利用水泥石灰穩(wěn)定粉土， 近年來(lái)研究人員也采用添加無(wú)機(jī)材料的方式復(fù)合穩(wěn)定粉土。馬文寧［58］、 朱文旺等［59］指出石灰水玻璃改良粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR 值均隨石灰的摻量、 齡期和壓實(shí)度的增加而增大。 段麗軍等［60］通過(guò)石灰和水玻璃改良粉土發(fā)現(xiàn)， 石灰摻量為1%的改良土的水穩(wěn)定性和抗沖蝕性能較差， 提高石灰摻量能有效提高改良土的水穩(wěn)定性和抗沖蝕性能。 此外，張艷美等［10］通過(guò)納米二氧化硅和石灰改良粉土發(fā)現(xiàn)， 納米SiO2與石灰在土中反應(yīng)是生成水化硅酸鈣， 起到黏結(jié)顆粒和填充作用， 大幅提高土體的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。 李國(guó)勛等［61］研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的摻入可以改善納米二氧化硅石灰改良粉土脆性。 當(dāng)纖維摻量為0.4%、 纖維長(zhǎng)度為2 cm 時(shí)， 改良效果最好。

3.1.2 活性氧化鎂

蔡光華等［62］通過(guò)無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 活性氧化鎂改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著活性氧化鎂含量的增加而增大， 而改良土的含水量和裂縫數(shù)量減少， 并指出活性氧化鎂的閾值含量約為25%，臨界碳化時(shí)間約為10 h。 同時(shí)， 蔡光華［43］通過(guò)活性氧化鎂碳化固化粉土發(fā)現(xiàn)， 氧化鎂改良土在碳化3 h 可達(dá)到相同摻量水泥7 d 的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度， 碳化6～12 h 的氧化鎂改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于相同摻量下28 d 水泥土的強(qiáng)度； 氧化鎂碳化固化土隨摻量和碳化時(shí)間增加呈現(xiàn)出由彈塑性破壞向脆性破壞發(fā)展的趨勢(shì)。 并基于滲透試驗(yàn)， 對(duì)碳化活性氧化鎂穩(wěn)定粉土的滲流特性進(jìn)行探究，認(rèn)為碳化后摻氧化鎂粉土的滲透系數(shù)與經(jīng)聚碳酸酯處理的粉土相似， 碳化6 h 后試樣的滲透系數(shù)最小， 并指出摻氧化鎂粉土的孔隙率隨水鎂比的增加而增加［63］。

3.1.3 礦渣、 鋼渣

Mozelko 等［64］通過(guò)鋼渣改良黃土發(fā)現(xiàn)， 壓實(shí)過(guò)程中添加鋼渣會(huì)提高土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度， 并且鋼渣在有水情況下產(chǎn)生堿性環(huán)境， 有利于火山灰反應(yīng)的發(fā)生。 王振軍等［65］通過(guò)礦渣粉改良粉土發(fā)現(xiàn)， 礦渣粉改良土的強(qiáng)度、 穩(wěn)定性和路用性能均高于石灰土； 礦渣粉改良土的機(jī)理如圖3 所示，降低礦渣粉的粒徑能提高微集料的填充效應(yīng)， 提高改良土的強(qiáng)度。

3.1 組培苗煉苗 苗高2.0 cm，葉片數(shù)2葉1心，根數(shù)2～3條時(shí)，組培苗達(dá)到出瓶移栽標(biāo)準(zhǔn)。將組培瓶移入大棚煉苗3～5 d，適當(dāng)遮陰，將光照強(qiáng)度控制在6 000～10 000 lx。

圖3 礦渣粉改良粉土機(jī)理Fig.3 Mechanism of slag powder to improve silt soil

3.2 有機(jī)類固化劑

3.2.1 乳化瀝青

樊亮等［46，66］利用乳化瀝青穩(wěn)定黃泛區(qū)粉土，發(fā)現(xiàn)乳化瀝青的復(fù)合膠凝效應(yīng)和填充作用提高了改良土的強(qiáng)度； 乳化瀝青和水泥復(fù)合穩(wěn)定粉土的抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)得到了良好的改善。 孫兆云等［67］通過(guò)燒結(jié)法赤泥和瀝青粉改良粉土發(fā)現(xiàn)， 改良粉土的抗壓強(qiáng)度、 水穩(wěn)定性和抗凍性提升明顯；且瀝青分子在高溫下具有損傷修復(fù)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)功能。

3.2.2 橡膠

張正甫［51］對(duì)廢舊輪胎橡膠改良土的改性情況進(jìn)行探討， 認(rèn)為橡膠粉的摻入使改良土的最優(yōu)含水率和最大干密度降低； 膠條和膠粉均可增加粉土的抗剪強(qiáng)度， 5%摻量的膠條改良效果最佳。 宗之鑫［68］通過(guò)橡膠顆粒改良粉土發(fā)現(xiàn)， 橡膠土的毛細(xì)效應(yīng)減弱， 毛細(xì)水上升速度減慢， 高度降低；動(dòng)彈性模量降低， 動(dòng)彈性模量比隨著動(dòng)應(yīng)變的增大而衰減速度增快， 阻尼比增大。

3.2.3 聚丙烯酰胺

董金梅等［45，69］通過(guò)聚丙烯酰胺和硅酸鈉混合改性粉土發(fā)現(xiàn)， 粉土與聚丙烯酰胺、 硅酸鈉通過(guò)離子交換、 聯(lián)結(jié)、 包裹、 凝膠作用， 與粉粒表面產(chǎn)生了較大的分子力， 形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 有效降低了粉土的毛細(xì)水上升作用、 滲透特性， 提高了粉土抗沖刷能力及抗干濕循環(huán)能力； 硅酸鈉與聚丙烯酰胺的共同作用， 在粉粒表面形成高分子材料保護(hù)層， 顯著提高了粉土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。 周和春等［70］指出聚丙烯酰胺和硅酸鈉與粉土發(fā)生反應(yīng)， 降低了粉土原有孔隙率和滲透系數(shù)，提高了抗?jié)B能力。

3.2.4 木質(zhì)素

3.2.5 表面活性劑

王艷等［78］通過(guò)表面活性劑改良粉土發(fā)現(xiàn)， 隨著表面活性劑濃度的增大， 內(nèi)摩擦角減小的幅值變大， 陽(yáng)離子表面活性劑改性后粉土黏聚力增大，陰離子表面活性劑改性后的粉土黏聚力大幅度減小， 同時(shí)表面活性劑的酸堿程度對(duì)土樣內(nèi)摩擦角影響較小。

3.2.6 纖維

Vakili 等［79］通過(guò)木質(zhì)素磺酸鹽和聚丙烯纖維改良高分散性黏土發(fā)現(xiàn)， 木質(zhì)素磺酸鹽的穩(wěn)定化顯著降低了土體的分散性， 而聚丙烯纖維的增強(qiáng)則顯著提高了土體強(qiáng)度， 并指出用2%木質(zhì)素磺酸鹽和0.35%聚丙烯纖維同時(shí)處理可使土體分散性顯著降低。

3.3 生物酶類固化劑

3.3.1 MICP 技術(shù)

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP） 是通過(guò)在土顆粒接觸處和土顆粒表面生成碳酸鈣沉淀來(lái)改善土體工程性質(zhì)的一種方法， 其固化機(jī)理見圖4。

圖4 MICP 固化機(jī)理Fig.4 MICP curing mechanism

許朝陽(yáng)等［81-82］利用碳酸鹽礦化菌和多糖黏膠菌對(duì)粉土改性， 發(fā)現(xiàn)代謝物與粉土發(fā)生一系列反應(yīng)，通過(guò)吸附、 包裹和膠結(jié)細(xì)小顆粒， 填充土顆粒之間的孔隙， 可改善粉土的工程性質(zhì)。 邵光輝等［49，83］通過(guò)對(duì)粉土恒壓注入巴氏芽孢桿菌和膠結(jié)溶液研究發(fā)現(xiàn)， 微生物注漿固化粉土的強(qiáng)度受微觀膠結(jié)結(jié)構(gòu)和CaCO3含量影響， 且會(huì)明顯減少吹填土中10 μm 以上的孔隙， 同時(shí)將菌液稀釋注入粉土能使固化菌分布均勻， 也較好的改善固化土體的均勻性。 付佳佳等［84］采用拌和的方法研究了加固液和菌液濃度的影響， 發(fā)現(xiàn)加固液濃度的變化對(duì)固化粉土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升效果最為顯著。 韋張林等［85］指出微生物注漿加固粉土存在著CaCO3分布不均勻的情況， 只注入一遍菌液然后注入多遍膠結(jié)液可以有效的解決CaCO3分布不均勻情況。

3.3.2 EICP 技術(shù)

酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)（EICP） 是利用脲酶將尿素水解成NH4＋和CO32-， CO32-和Ca2＋結(jié)合生成CaCO3沉淀， 通過(guò)碳酸鈣的膠結(jié)作用將土體連接在一起， 提高土體的強(qiáng)度［86］。

張建偉等［19］利用EICP 和木質(zhì)素聯(lián)合固化粉土， 并開展三軸壓縮和微觀試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 木質(zhì)素可為碳酸鈣的形成提供成核位點(diǎn)， 在土顆粒間隙中將無(wú)規(guī)律的碳酸鈣聚攏成型； 與單純EICP 改良土相比， EICP-木質(zhì)素改良土的抗剪強(qiáng)度、 黏聚力和內(nèi)摩擦角更高。 Yuan 等［87］提出了在脲酶溶液中加入適量的有機(jī)物質(zhì)改進(jìn)EICP 的方法， 可為碳酸鈣沉積提供成核位點(diǎn)， 改善碳酸鈣晶體的尺寸、 形態(tài)和結(jié)構(gòu)（圖5）； 加入有機(jī)質(zhì)的EICP 改性粉土強(qiáng)度比單純EICP 改性粉土提高33%， 比未改性處理的土體提高近4 倍。

圖5 有機(jī)物質(zhì)改進(jìn)EICP 的固化機(jī)理Fig.5 Organic substances improve the curing mechanism of EICP

4 改性粉土的工程特性

目前， 在粉土作為基層的公路工程中常用的固化劑類型主要為復(fù)合類固化劑， 具有成本低，可滿足使用要求等特點(diǎn)。 生物酶類固化劑由于技術(shù)成熟度尚待提高， 較少在公路基層工程中大規(guī)模推廣應(yīng)用。 本節(jié)將從力學(xué)強(qiáng)度、 耐久性等方面對(duì)固化粉土的工程特性進(jìn)行總結(jié)。

4.1 壓實(shí)特性

與天然粉土相比， 固化劑穩(wěn)定粉土的最大干密度在一定程度上會(huì)減小， 最優(yōu)含水率則會(huì)上升。胡再?gòu)?qiáng)等［88］指出， 石灰改良土隨石灰摻量增加，最優(yōu)含水量逐漸增加， 最大干密度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。 姚占勇［1］指出石灰改良土對(duì)含水量敏感， 干則起皮， 濕則涌起， 壓實(shí)困難。 馬啟郁［89］通過(guò)草木灰-石灰改良土發(fā)現(xiàn)， 摻加草木灰、 石灰均可增加試樣最優(yōu)含水率， 降低最大干密度。 朱文旺等［59］指出石灰和水玻璃均可增加改良土的最優(yōu)含水率， 降低最大干密度。 張艷美等［10］通過(guò)納米二氧化硅改良土擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 納米二氧化硅可使最優(yōu)含水率略有增加， 摻加石灰會(huì)降低改良土的最大干密度， 但最優(yōu)含水率會(huì)提高。 蔡光華等［43］開展氧化鎂固化粉土發(fā)現(xiàn)， 氧化鎂改良土的最大干密度有所增加， 最優(yōu)含水率有所減小。 宗之鑫［68］開展橡膠土擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 摻入橡膠顆粒后，混合土的最優(yōu)含水率減??； 混合土的最大干密度減小， 并且隨著橡膠含量的增加， 混合土的最大干密度不斷減小。 張正甫［51］開展橡膠改性粉土擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 膠粉和膠條的摻入會(huì)使改性土最大干密度下降， 隨摻量增加， 下降越明顯。

4.2 凍融強(qiáng)度特性

研究表明， 改性粉土的力學(xué)性能也會(huì)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸衰減， 但在等同條件下， 優(yōu)于天然粉土［90-91］。 胡再?gòu)?qiáng)等［88］指出石灰改性黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線在凍融循環(huán)次數(shù)增加趨于強(qiáng)軟化型； 石灰摻量越高， 抵抗凍融的性能越強(qiáng)。 鄭旭等q［92］通過(guò)室內(nèi)三軸碳化裝置研究了活性氧化鎂碳化固化土的凍融耐久性能， 發(fā)現(xiàn)碳化試樣的密度和干密度基本不變； 碳化固化土經(jīng)6 次凍融循環(huán)后， 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度最低， 由5 MPa 左右降低到4.5 MPa左右。 張建偉等［53］指出木質(zhì)素改良粉土經(jīng)歷11 次凍融循環(huán)后強(qiáng)度改變量遠(yuǎn)低于素土。 不同凍融循環(huán)次數(shù)后木質(zhì)素改良粉土的SEM 照片如圖6 所示。 黃道軍等［93］指出凍結(jié)的溫度越低， 水泥和煤矸石復(fù)合改良粉土的極限強(qiáng)度、 彈性模量、黏聚力的劣化程度越嚴(yán)重， 8 次凍融循環(huán)后強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下木質(zhì)素改良粉土的SEM 照片（放大100 倍）Fig.6 SEM pictures of lignin-improved silt under different freeze-thaw cycles （Magnify 100 times）

4.3 水穩(wěn)定性

粉土具有強(qiáng)烈的毛細(xì)作用和水敏感特征， 遇水呈現(xiàn)出不穩(wěn)定特征。 段麗軍等［60］指出石灰和水玻璃均能提高粉土的水穩(wěn)定性和抗沖蝕性能， 石灰摻量對(duì)粉土水穩(wěn)定性和抗沖蝕性能的提高更加顯著。 張艷美等［10］指出單摻納米二氧化硅的改良粉土水穩(wěn)定性較差， 摻加石灰復(fù)合穩(wěn)定粉土?xí)@著提高水穩(wěn)定性。 此外， 有機(jī)固化劑穩(wěn)定粉土的水穩(wěn)定性較好。 劉松玉等［47］通過(guò)木質(zhì)素穩(wěn)定粉土發(fā)現(xiàn)， 木質(zhì)素改良土的水穩(wěn)定系數(shù)高于石灰土，且木質(zhì)素?fù)搅繉?duì)改良土的水穩(wěn)定系數(shù)影響沒有明顯規(guī)律。 樊亮等［46］開展乳化瀝青水泥穩(wěn)定粉土發(fā)現(xiàn)， 穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性系數(shù)為0.75， 可以達(dá)到粉煤灰、 水泥綜合穩(wěn)定土的兩倍以上。 董金梅等［69］通過(guò)高分子材料改性粉土發(fā)現(xiàn)， 聚丙烯酰胺可以提高粉土強(qiáng)度和耐水性能， 但由于它在粉土中的潤(rùn)滑作用， 會(huì)使粉土的變形量增加， 浸水后聚丙烯酰胺與粉土的絮凝作用減弱， 潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，使得強(qiáng)度降低， 變形量增加； 硅酸鈉可以提高粉土強(qiáng)度， 降低粉土變形量， 但耐水性不好， 浸水后變形量急劇增加； 兩種改性劑同時(shí)改性粉土，不僅可以提高粉土強(qiáng)度， 增強(qiáng)粉土耐水性， 而且不會(huì)導(dǎo)致粉土變形量增加過(guò)大。 王天新等［94］通過(guò)低濃度的高分子聚合物乳液、 結(jié)合低劑量水泥復(fù)合固化粉土發(fā)現(xiàn)， 高分子乳液起到土體初期年節(jié)穩(wěn)定作用， 并顯著提高了土體的水穩(wěn)定性； 水泥對(duì)土體的強(qiáng)度貢獻(xiàn)更大， 決定了土體的后期強(qiáng)度。

5 結(jié)論和展望

（1） 黃泛區(qū)天然粉土的顆粒磨圓度高， 級(jí)配不良， 壓實(shí)比較困難； 壓實(shí)后粉土仍有較多孔隙，毛細(xì)管發(fā)育， 容易發(fā)生凍脹翻漿現(xiàn)象。 目前關(guān)于黃泛區(qū)粉土力學(xué)特性的研究基本以室內(nèi)試驗(yàn)為主，圍繞含水率、 密實(shí)度和黏粒含量等方面對(duì)黃泛區(qū)粉土的力學(xué)特性進(jìn)行分析。

（2） 在基于動(dòng)三軸試驗(yàn)和CT 掃描探究黃泛區(qū)粉土的液化特性和凍融特性試驗(yàn)中， 土中孔隙大小、 含量以及土體膠結(jié)結(jié)構(gòu)情況， 可作為表征參量， 詳細(xì)描述粉土的液化和凍融特性。

（3） 粉土的改性方法主要基于無(wú)機(jī)類固化劑、有機(jī)固化劑以及無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合固化劑， 生物酶類固化劑在路基工程中應(yīng)用較少。 目前， 路基工程中以復(fù)合類固化劑為主， 能夠在滿足強(qiáng)度和耐久性要求的前提下， 節(jié)約成本， 提高經(jīng)濟(jì)效益。

（4） 固化劑改良土的凍融強(qiáng)度和穩(wěn)定性均高于天然粉土， 經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度改變量小于天然粉土的強(qiáng)度改變量； 改良土的抗凍融性能和穩(wěn)定性受固化劑的摻量和配比等因素影響。

（5） 鑒于黃泛區(qū)粉土材料本身的復(fù)雜性， 關(guān)于黃泛區(qū)粉土改性固化方面的研究尚有較大的提升空間。 建議未來(lái)固化劑材料可側(cè)重?zé)o害的工業(yè)廢棄物、 建筑垃圾等， 采用無(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料混合配比的方法， 兼顧綠色與環(huán)保， 研發(fā)具有高性能和經(jīng)濟(jì)效益的粉土固化劑。

（6） 同時(shí)， 在夯實(shí)和擴(kuò)寬復(fù)合類固化劑類型及應(yīng)用范圍的基礎(chǔ)上， 可穩(wěn)步提升和改善生物酶類改性固化粉土技術(shù)。 發(fā)揮該種生物固化方法所具有的低碳、 環(huán)保等優(yōu)勢(shì)， 在保證改性粉土優(yōu)良的路用性能的同時(shí)， 為我國(guó)的2060 碳中和規(guī)劃做出貢獻(xiàn)。