土壤固化剂研究进展及其在温室修建中的应用前景

［摘 要］ 传统日光温室的墙体和地基在使用中存在土体黏合力差、承载能力弱、易坍塌等问题，使得温室使用性能降低、维护成本增加。因此，基于土壤固化技术的应用情况，对固化剂固化机理及实际应用情况等进行探究，为日光温室修复和加固提供必要的技术手段和方法，助力设施农业发展。

［关键词］ 土壤固化；日光温室；墙体；固化剂

［中图分类号］ TU52 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1674-7909（2022）03--3

0 引言

随着现代高效农业的快速发展，我国设施农业发展面积不断扩大，随之而来的是老旧温室的维护和修复问题日益突出。在此背景下，国家明确设施农业发展方向由耕地向非耕地转移。非耕地设施农业主要是指利用沙漠、荒滩戈壁、盐碱土及旱沙地等不适宜耕作的土地发展设施农业。风沙土是非耕地地区最为常见和最廉价的建筑资源，具有颗粒细小、均匀等特点，但同时风沙土颗粒松散，凝聚力较差，在工程应用中易出现结构不稳定、施工困难等问题。

土壤固化技术是指通过调节土壤中胶质和有机质的比例，改变土的工程性质，提升土体的整体抗载荷能力。多年来，土壤固化技术被广泛应用于各行各业。例如，在建筑施工中使用固化剂对路桩等部位进行加固；在公路施工中对路基、边坡周边土壤进行加固；在水库建设中对坝体进行加固；在河道、水塘等淤泥处理方面的优越性也逐步显现。而将土壤固化技术应用于温室建设，尚处于起步阶段。

1 土壤固化剂固化机理

土壤固化是一种通过外界干预来改变土壤原有空间排布结构的手段。土壤固化剂是土壤改良剂的一种，能显著改善土壤抗渗、抗缩、抗冻性能，能提高土体强度和耐久度，并且具有施工便捷、工期短、工程造价低等优点。土壤固化剂的作用机理就是通过固化剂这种媒介，使土壤中的水、颗粒胶团发生工程性质的改变。即在一系列物理、化学反应的综合作用下，土壤中的一部分水被强制失去与土壤颗粒之间的作用力，一部分以结晶水的形式形成具备胶凝性能的结晶水合物。结晶水能减小颗粒胶团表面的电流，颗粒胶团在电解质质量浓度增加的情况下吸附、凝聚，继而体积膨胀，使得颗粒胶团之间的结构表面力发生改变，从而形成一种稳定的结构。

在固化机理方面，我国相关人员开展了各类试验和研究。沈飞等［1］从土体的组成、结构角度，分析并总结了固化剂的固化机理和影响因素。樊恒辉等［2］研究得出，土壤固化剂的固化性能可以通过力学性能、耐久性能和变形性能来反映。李琴等［3］从土壤成分在固化剂作用下发生的离子吸附作用，化学反应改变颗粒之间的胶凝连接及外力作用导致的固化效应等方面阐述了固化剂的固化机理，以及在多种协同作用下的固化机理，并指出掌握固化剂固化机理对新型固化剂研发和针对不同固化土体配制相应的固化剂的工程实践具有重要的意义。吴丹［4］在研究红层土的加固中，对比了不同固化和不同加固方法的作用，分析了影响边坡坡面稳定性的主要因素，由固化红层土的抗压强度、抗剪强度、抗渗性及水稳性的影响因素确定水泥和黏土石化剂的最佳掺量比例。宋兵伟等［5］选取了适合新疆维吾尔自治区戈壁土的3种类型4个固化剂样品，分析固化剂种类、固化剂掺量、水泥掺量等因素对新疆维吾尔自治区非耕地戈壁土力学性能的影响，得出掺入固化剂后的土样最大干密度增加，最优含水率也有所提高，无侧限抗压强度增大；在水泥掺量相同的情况下，掺0.02%的1#离子型固化剂比掺其余3种固化剂固化的土体的无侧限抗压强度提升1.10～1.19倍。王凤华［6］选用不同比例的掺砂膨润土作为研究对象，研究不同膨润土含量下的土体膨胀规律，结果表明：土壤固化剂可以增强土体的压实度，降低土体的水敏感性，有效改变土体的密度，并增强其承载力、凝聚力。鲍恩财等［7］对戈壁土添加固化剂后的固化土的热学性能进行研究，结果表明：添加固化剂后戈壁土的吸热性得到了增强。张玉乐［8］研究得出4种固化土体的抗剪强度、抗压强度均因为固化剂的掺量增加而增强，抗压强度在养护龄期3 d达到70%，养护龄期14 d达到90%。

2 低成本土壤固化剂在我国的发展进展

我国的低成本土壤固化剂主要是利用工业固体废物混入各类激发剂，从而达到土壤固化目的。工业固体废物主要包含工矿企业在生产活动中排放出来的采矿废渣、燃料废渣及化学废渣等。这些工业废渣数量庞大，容易获取，而且成本低廉，是不可或缺的原料。通过对工业废渣的再利用，可以发挥土壤固化剂转化利用、原料回收、废物交换等作用。由于这些工业废渣工程效益显著，加之其应用具有绿色环保和节能减排等重要意义，受到广大专家学者的关注和追捧。

胡伟［9］开展了脱硫灰与高炉渣的耦合机理研究，测定了材料的物化特性，分析了混合材料的水化反应，通过大量的试验数据，最终确定了一种新型墙体标准砖的材料配比方案。梁文泉等［10］研制了一种白色粉末状的土壤固化剂，该无机盐类固化剂由二氧化硅、活性铝等工业材料构成，可以固化粉砂和风化沙，对淤泥和废渣也具有一定的固化效果。宋东方［11］针对工业废渣中的煤炭、钢铁在道路结构中的综合利用，提出不同外掺剂、不同剂量与级配的组合，以满足道路工程的材料性能、路用性能及长期、稳定、耐久的要求，实现了对废弃物的综合利用。SIYU等［12］提出，在高温、高湿、高压硫化条件下制成的固化剂的胶凝块性能最好。荣传新等［13］验证了改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构具有较好的承载能力和抗变形能力。黄晓明等［14］研制了一种基于石灰、矿渣、水泥耦合物的主固化料和各类无机盐作用的激发助力剂构成的新型土壤固化剂，在公路施工方面表现出较好的性能。刘顺妮等［15］针对石灰固化土开展了一系列研究，结果表明，添加硫酸钠和硫酸铝等无机盐，再混合添加石膏外加剂后，石灰土的稳定性显著增强。彭波等［16］研究一种以工业废渣——钢厂水淬渣为原料的土壤稳定剂，试验结果表明，其无侧限饱水抗压强度、水稳定性良好，在抗融冻和劈裂强度方面都优于石灰固化土的效果。王奕博等［17］采用矿粉作土壤固化剂，固化红黏土，得出在最优含水率下红黏土的固化土强度能达到最大，掺入20%固化剂时渗透系数最小（5.30×10^-7），流变应力最大（22.310 Pa）。

3 土壤固化剂在实际生产中的应用

土壤固化剂在工程施工中得到了广泛的普及和应用，其加固用途小到对路基、基石的加固，大到对大坝、石油钻井、温室墙体的加固，在防尘固沙及环境治理等方面具有显著作用。而土壤固化剂的处理对象也扩大至黄土、红黏土、戈壁土、盐渍土、沙质土及淤泥等，在实际生产中得到了较好应用和推广。

3.1 在边坡加固中的应用

徐鹏飞［18］阐述了高分子固化剂SH加固黄土边坡的方法，有效解决了黄土滑坡问题，增加了安全系数，确定了固化机理影响因子的排序，提出了实际工程中的最佳掺量比。户轩庆［19］试验表明，生物酵素酶土壤固化剂对边坡工程具有更好的固化作用，可以缩短施工工期。

3.2 在堤坝水库中的应用

王天华［20］将土壤固化剂应用在堤坝渗漏处理中，不仅解决了堤坝渗漏问题，而且降低了施工成本，实现了保护环境的目的。庄中霞［21］结合实际生产，在广东省中小型水库施工现场开展水库土坝加固试验，结果表明，土壤固化剂能增强水库的坝体防渗性和抗压性，非常实用，建议推广。

3.3 在道路路基中的应用

董博闻等［22］采用NS-SL型土壤固化剂对道路路基进行固化，其28 d无侧限抗压强度较传统水泥固化土强度提升79.7%，同时具有较好的水稳定性和抗冻性能。张慧清［23］提出，土壤固化剂对道路路基的应用优势在于强度好、固化效率快、收缩量小及经固化剂作用下的土壤不会产生二次流化等。

4 土壤固化剂实际应用存在的问题

从国内外土壤固化剂研究及应用现状来看，用无机土壤固化剂对淤泥、粉砂、风化砂、戈壁土等进行固化，取得了一定的成果，该方向的研究日益受到学术界和工程界的广泛关注，但也存在一些不足。

一是自然界的土质因地域不同而存在很大差异，土壤的颗粒成分、矿物质成分、盐碱含量和pH值在实际施工过程中反应差异较大，造成固化效果不同。二是使用土壤固化剂时需要将水、水泥、激发剂和固化剂按照一定比例称取质量、拌和，辅助机械较少，工程量较大，施工成本较高。三是对土壤固化机理的研究工作薄弱，对固化剂中各胶凝体系在固化过程中的协同水化反应机制等方面的研究尚有较大的空间。

5 土壤固化剂在温室建设中的应用前景

一方面，土壤固化技术能有效解决温室墙体、地基在建造过程中出现的黏合力差、承重能力低、沙体坍塌等诸多问题，但在固化剂的选择上应综合考虑固化效果、耐久性、抗盐碱性、最优掺配比、力学承载结构特性及热传导性能等影响温室性能的因素。另一方面，应针对土体类别，更加细化、更加有针对性地研制出适宜圆粒土、沙质土、黏土等不同类别的土壤固化剂，让土壤固化技术的适用领域更宽泛、使用效果更好。

综上所述，土壤固化剂应用前景广泛，尤其是在温室建设中的应用，能够有效降低温室维护成本，为温室建设施工中出现的问题提供了新的解决方法，也为温室修复和加固提供了必要的技术手段和方法，对我国设施农业发展具有一定的意义。

参考文献：

［1］沈飞，曹净，曹慧.土壤固化剂的发展现状及其前景展望［J］.岩土工程界，2008（12）：62-66.

［2］樊恒辉，高建恩，吴普特.土壤固化剂研究现状与展望［J］.西北农林科技大学学报，2006（2）：141-146.

［3］李琴，孙可伟，徐彬，等.土壤固化剂固化机理研究进展及应用［J］.材料导报，2011（9）：64-67.

［4］吴丹.土壤固化剂改善红层土边坡抗冲刷性试验研究［D］.绵阳：西南科技大学，2017：28.

［5］宋兵伟，吴乐天，慈军，等.不同固化剂对新疆非耕地戈壁土的力学性能影响［J］.新疆农业科学，2020（3）：572-580.

［6］王凤华.基于掺砂膨润土的离子固化剂加固机理研究［D］.武汉：中国地质大学，2018：16.

［7］鲍恩财，邹志荣，张勇.日光温室墙体用相变固化土性能测试及固化机理［J］.农业工程学报，2017（16）：203-210.

［8］张玉乐.福建省生态土壤固化剂的固土机理与耐久性研究［D］.福州：福州大学，2017：44.

［9］胡伟.脱硫灰与矿渣耦合制备新型墙体材料的研究［D］.马鞍山：安徽工业大学，2018：13.

［10］梁文泉，何真，李亚杰，等.土壤固化剂的性能及固化机理的研究［J］.武汉水利电力大学学报，1995（6）：675-679.

［11］宋东方.工业废弃物在道路工程中的利用研究［J］.山西建筑，2018（9）：77-78.

［12］SIYU D，HONGQIANG L，FANGQIN C，et al. Effect of curing condition and carbonization enhancement on mechanical properties of fly ash-desulfurization gypsum-steel slag blocks［J］.Journal of CO2 Utilization，2020（38）：282-290.

［13］荣传新，孙世成，王彬，等.改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构及其应用［J］.广西大学学报（自然科学版），2020（1）：67-74.

［14］黄晓明，张书生.TR型土壤固化剂路用性能试验研究［J］.公路交通科技，2002（3）：23-27.

［15］刘顺妮，林宗寿，陈云波.改性石灰粘土固化剂的研究［J］.矿物学报，1998（2）：169-173.

［16］彭波，李文瑛，陈忠达.固化剂加固土性能的研究［J］.内蒙古公路与运输，2001（l）：27-29.

［17］王奕博，唐正光，杨玉龙.矿粉土壤固化剂改良高原红粘土试验研究［J］.中北大学学报（自然科学版），2020（5）：443-449.

［18］徐鹏飞.固化剂对黄土边坡稳定性的影响研究［D］.太原：太原理工大学，2020：27.

［19］户轩庆.生物酶固化剂在边坡工程中的试验研究［D］.沈阳：沈阳大学，2018：40.

［20］王天华.土壤固化剂在治理堤坝渗漏中的应用探讨［J］.科技资讯，2020（9）：22-23.

［21］庄中霞.固化土料的特性试验及其在水利工程中的应用研究［D］.武汉：武汉大学，2004：43.

［22］董博闻，王修山，周恒宇.应用NS-SL型土壤固化剂固化淤泥的路用性能试验研究［J］.公路，2021（8）：13-17.

［23］张慧清.浅谈土壤固化剂在道路工程中的应用［J］.四川水泥，2020（12）：61-62.