摘要:
膨胀土壤由于土壤中亲水性较强而与水接触时会膨胀，水分蒸发时会收缩，这些土壤在建筑、农业活动中会带来较大的危害。本文综述了使用成本低廉的天然固化剂对土壤进行固化结果，结果表明，使用石灰、稻壳灰–石灰、稻糠灰–粉煤灰、黄麻等天然物质对于膨胀土壤固化作用具有良好的效果，此外，稻壳灰、稻糠灰、废弃黄麻纤维等多为废弃物，因此也为废物资源化利用提供了良好的思路。
Abstract:
Due to the strong hydrophilicity in the soil, expansive soil will expand when it comes into contact with water, and contract when water evaporates, which will bring great harm to construction and agricultural activities. This paper summarizes the results of soil solidification with low-cost natural solidifying agents. The results show that lime, rice husk ash lime, rice bran ash fly ash, jute and other natural substances have good effect on the solidification of expansive soil. In addition, rice husk ash, rice bran ash, jute fiber and other waste materials are mostly wastes. Therefore, it also provides a good idea for the utilization of waste resources.
1. 引言
膨胀土壤由于土壤中含有亲水性较强的伊利石、蒙脱石等矿物，因此与水接触时会膨胀，水分蒸发时会收缩，这些土壤在各种建筑、农业活动中均会带来较大的危害 [1] [2] [3]。因此为了改变膨胀土在实际中的危害，必须提高其抗荷载作用强度，并改变其在潮湿条件下的行为。膨胀土壤的溶胀能力主要取决于其矿物质组成以及原位水分含量和密度，此外土壤的多孔性也会影响溶胀能力。通常，塑性指数大于25、液限大于40、天然含水量接近或小于塑性极限的粘土更容易膨胀，含有粗颗粒(如鹅卵石、沙子等)的土壤可能也会膨胀，这取决于其细粒含量中粘土矿物的百分比和类型。粘土属于酸盐矿物，其主要元素是硅、铝和氧，然而，许多元素同样可以存在于粘土矿物中，如氢、钠、钙、镁、硫等，例如一些粘土矿物表现出膨胀行为，其组成包括蒙脱石、膨润土、蒙脱石、贝得利石、蛭石、凹凸棒石、方解石和绿泥石等 [4]。
基于上述膨胀土或粘土矿物带来的危害，使用合适的固化剂来固化土壤是解决此类问题的有效方法 [5] [6]。目前国内外改善膨胀土主要是通过火山灰反应进行改善，通过利用石灰、水泥、矿渣等含钙制剂进行凝胶化等反应，从而降低膨胀土的含水率、液塑限等指标，从而改善膨胀土膨胀特性。通过研究膨胀土特性、土壤固化技术，使用不同固化剂研究固化膨胀土的效果，并通过微观结构的相互作用分析，筛选出具有良好固化效果的固化剂。本综述总结了实际工程中常用、固化效果好且廉价易得的土壤固化剂，包括石灰、稻壳灰、壳粉、废弃纤维等，这些材料能够提高土壤抗剪强度，同时通过机械稳定和化学稳定提高土壤稳定性，改变土壤的颗粒级配与土壤性质。
2. 固化剂类型
2.1. 石灰
石灰与膨胀土壤中存在的粘土矿物可发生反应，并形成坚硬的胶结基质，使用石灰作为固化剂可以提高土壤的剪切强度，同时提高土壤的体积稳定性 [7]。Nadgouda等人 [8] 研究表明，石灰含量在2.5%到7.5%之间，与土壤重量的比值为0.5%，未处理土壤的液限为59.8%，随着石灰含量的增加，液限变化为53.2%~59.5%，对于4.5%的石灰含量，液限值最小，石灰添加量超过4.5%液限值开始增加，因此，石灰含量为4%~4.5%为最佳掺量。未经石灰处理的土壤的塑限为33%，并且随着石灰含量的增加，塑限由32%变为40%，而对于稳定土壤的塑性极限值没有太大变化，但据报道，添加4%的石灰时，塑性极限的最低值为32%。可塑性指数值随着石灰含量的增加而降低。标准压实结果表明，不管添加的石灰含量如何，土壤的最大干密度与添加石灰量无关，保持恒定，但随着石灰含量的增加，最佳水分含量呈下降趋势，介于23%至30%之间，因此土壤的干重没有明显增加。此外，随着石灰含量的增加，自由膨胀率减小，对于原始土壤，报告的膨胀率为39%，当添加2.5%的石灰时，其膨胀率变为34%，未添加石灰时，膨胀压力为1.06 kg/cm2，在石灰含量为2.5%时，溶胀压力值降低至0.42 kg/cm2，并且在石灰含量为3.5%时，溶胀压力值趋于降低，此后在石灰含量为7.5%时再次升高至0.6 kg/cm2。
上述研究结果表明利用石灰固化土壤是克服膨胀土中膨胀和收缩的有效方法，石灰固化土壤可增强土壤强度和体积稳定性。
2.2. 稻壳灰和石灰
火山灰是硅质和/或铝质材料，其本身具有较弱胶结特性，但是与氢氧化钙发生化学反应可形成具有胶结特性的化合物，火山灰中含有大量的硅与铝，而稻壳灰含有约90%的二氧化硅，这是植物残渣中二氧化硅含量的最大浓度 [9]，研究表明使用稻壳灰(RHA)、石灰和聚丙烯纤维(PPF)可以固化膨胀土壤 [10]，结果表明，RHA的最佳添加量为土壤干重的10%，石灰的最佳添加量为土壤干重的4%，此外，PPF的添加量会导致最大干密度值减少，而最佳含水量增加。无侧限抗压强度实验表明未经处理的黑棉土壤的UCS值为60 kN/m2，当添加RHA和石灰后，UCS值增加到68 kN/m2，固化28天后，UCS增加至571 kN/m2。在固化28天后，CBR值报告为19.1%。未固化膨胀土壤的溶胀压力为138 kN/m2，当土壤与最佳剂量的RHA和石灰混合时，溶胀压力降至54 kN/m2。然而，由于固化过程中添加了PPF，其最大干密度降低、最佳含水量增加，因此，这种固化剂存在部分缺点。
2.3. 稻糠灰和粉煤灰
草木灰是植物燃烧后的残余物，其含有大量的矿物质，目前草木灰的常用途径是作为钾肥用来还田 [11]。粉煤灰是由燃料燃烧产生的固体颗粒物，如发电厂中烟道气体中的细灰。粉煤灰中含有SiO2、Al2O3和Fe2O3等，目前粉煤灰已被用于制造水泥及建材等。基于上述材料的性质，其可被用于土壤固化剂用于固化土壤 [12]。
Laxmikant等人研究了粉煤灰和稻壳灰(RHA)作为固化剂 [10]，其中稻壳灰为3%至15%，粉煤灰为5%、8%、10%和12%。结果表明，未经处理的土壤的比重为2.63，土壤比重随着RHA增加而降低，RHA含量为15%时土壤比重为2.43，此外，由于土壤中RHA含量的增加，塑性指数开始下降，未经处理土壤的最大干密度为18.6 kN/m3，混合有RHA的土壤平均最大干密度降低，当土壤中RHA含量为15%时，最大干密度降至17.2 kN/m3，然而，当粉煤灰添加到土壤中时，最大干密度值急剧下降，而最大含水率增加，在12%的最大含水率时，粉煤灰含量为15%时的最大干密度为13 kN/m3，两种固化剂均未能为土壤提供较大干密度值。未经处理土壤的无侧限抗压强度值为118 kN/m2，在RHA含量为9%时，无侧限抗压强度值为170 kN/m2，之后随着RHA含量的增加而趋于降低。然而，在粉煤灰含量为12%时，土壤中无侧限抗压强度值为350 kN/m2，因此，粉煤灰作为固化剂可提高其无侧限抗压强度。以粉煤灰为固化剂将具有良好的抗剪切能力。
2.4. 黄麻
黄麻纤维是一种廉价的天然纤维，其种植量仅次于棉花，基于此，利用黄麻纤维作为土壤固化材料经济性能较强 [13]。然而传统仅将黄麻纤维添加入土壤中用于固化土壤其效果较差，且最佳使用量无法确定，因此研究纤维含量和纤维长度对于黄麻纤维增强膨胀土强度参数具有重要意义。
Wang等人 [14] 通过设置黄麻纤维使用量为0%~0.9%，并且使用6 mm、12 mm和18 mm三种不同纤维长度进行稳定膨胀土研究，研究结果表明，掺有0.6%纤维含量的土壤在400 kPa垂直压力下的剪切强度为240 kPa，此外，对于添加的纤维含量的不同百分比其粘聚力值均增加，而与纤维长度无关，在纤维含量为0.6%时，其最大粘聚力为129 kPa，而未处理土壤的粘聚力为85 kPa。在纤维含量超过0.6%时，无论纤维长度如何，粘聚力值都会大大降低。此外，未经处理的土壤的内摩擦角为25.50˚，当纤维含量为0.3%，纤维长度为6 mm时，内摩擦角为260˚。由于含水量在抗剪强度参数中起主要作用，因此研究了土壤密度为1.80 g/cc，纤维长度为12 mm时含水率。随着含水量的增加，纤维的粘聚力值增加到含水量的18%。然而，超过含水量的18%时，粘聚力趋于降低，随着土壤含水量的增加，不同纤维含量下的内摩擦角值逐渐减小。基于上述分析，黄麻纤维会导致土体密度增大，从而影响强度，此外较高的土体密度需更高的压实能量，这减少了与纤维接触的土壤颗粒的塑性变形，因此膨胀土中黄麻纤维最有效含量为0.6%，长度为6 mm。
3. 结论与展望
本文综述了通过使用部分废弃物对膨胀土进行固化，其中包括石灰、稻壳灰–石灰、稻糠灰–粉煤灰、黄麻等，结果表明，这些天然固化剂能够有效提高土壤抗剪切强度、增加土壤无侧限抗压强度、降低土壤溶胀性等，此外，稻壳灰、稻糠灰、废弃黄麻纤维等多为废弃物，因此也为废物资源化利用提供了良好的思路。
尽管这些天然产物用于规模化膨胀土固化成本较低且效果较好，然而这些材料仍有缺陷，例如粉煤灰中含有重金属，对土壤带来危害。此外，这些材料与高分子固化剂的固化效果相比仍然较差，因此筛选固化效果更佳的固化剂仍是未来的研究重点。同时，通过已有废弃物改善膨胀土物理强度与保水性能也是未来改善膨胀土梯田田坎垮塌的重要方向。
基金项目
陕西省土地工程建设集团内部科研项目(DJNY2020-17, DJNY2021-22)。