1、三合土

石灰的使用是古代建筑材料和建筑技术的一次重大飞跃,它是水泥发明之前最广泛使用的胶凝材料。我国使用石灰作为建筑材料,可追溯到距今五六千年的仰韶文化时期。古代人将石灰、碎石(或细砂)加入粘土中混和压实,可以获得较好的固化效果,俗称三合土。这种三合土出现在公元5世纪中国南北朝时期。到明代有石灰、陶粉和碎石组成的三合土,清代还出现了以石灰、炉渣和砂子组成的三合土。石灰的使用产生了较好的固化效果,尤其是它较好的水稳定性是单纯依靠人工夯实所不能达到的。三合土是古代化学方法固化土壤最成功的例子。三合土因可以就地取材、施工方便且造价低廉而被广泛使用,一般用作地面、屋面、房基和地面垫层以及水坝。

古人在使用石灰的同时,还掺入了有机物如糯米汁、羊桃藤汁、桐油、牛马血等形成复合胶凝材料。明代天工开物记载:灰一分入河砂,黄土二分,用糯米、羊桃藤汁和匀,经筑坚固,永不隳坏,名曰三合土。有机物的掺入大大提高了土壤加固的强度,在石桥建筑史中记载,用糯米和牛血拌三合土砌筑石桥,凝固后与花岗石一样坚固。糯米汁拌三合土的建筑物非常坚硬。

2、现代的土壤固化剂

在当今建筑和道路交通领域中,应用最为广泛的土壤固化方法是在常温下掺加化学土壤固化剂来满足工程建设的要求。这些土壤固化剂可以分为两类:钙基类固化剂和非钙基固化剂。

1)钙基类固化剂。

钙基类固化剂是目前使用最广泛的传统固化剂,主要有石灰、水泥、粉煤灰、矿渣、水泥窑灰以及其他石灰类产品等。其中在路用固化材料中以石灰、水泥和粉煤灰最为常见。

石灰是使用最为广泛的粘土路基固化剂。石灰固化土具有成本低、适用范围广和施工简便等特点,因而,目前在公路路面结构中被广泛作为高级和次高级路面的基层、底基层和垫层。试验研究表明,用石灰加固粘土、腐殖土及酸性土等要比水泥优越,特别是用来加固过湿土效果尤为显着。但是石灰加固土壤往往早期强度低,强度发展慢。因此单独使用效果往往不如与其他材料如粉煤灰复合使用好。

水泥是继石灰之后在胶凝材料史上最重要的发明,而且它的使用量和应用范围以及由此带来的人类社会建筑活动的变革都具有划时代的意义。

最早使用水泥加固土壤大约在20世纪一二十年代,经过80多年的发展,水泥加固土形成了较为完备的试验方法和规程。由于水泥本身的适应性较强,因此水泥加固土应用范围广,使用方法灵活多样。但是水泥加固土往往收缩较大,开裂风险较高。而且,在加固某些土壤尤其是含粘粒多的土壤,水泥的加固效果往往不如那些以矿渣、钢渣、粉煤灰等火山灰材料为主要组份的土壤固化剂。

用粉煤灰固化土壤作为路基越来越普遍,通常粉煤灰必须与石灰或者水泥混合使用。虽然含有20%~30%的CaO粉煤灰具有自胶凝性,但是这些CaO中仅有一小部分是游离石灰,不足以充分激发粉煤灰的火山灰反应,因而需要掺入石灰或水泥,其作用是双重的:改性粘土和激发粉煤灰。粉煤灰在石灰固化土中的关键性作用则是为不具有碱激发活性的粘土提供所需要的火山灰材料。因此,石灰-火山灰综合固化效果比单纯利用石灰好。

石灰粉煤灰加固土俗称二灰土,作为路面基层,除有材料来源广、经济等优点外,同石灰加固土相比更具有强度高、水稳性和抗冻性好的显着优点,而且在收缩上也较水泥加固土小。但是,二灰土一个明显的缺点是早期强度偏低,因此国内外均有研究其早强技术的工作。研究表明,在二灰土中少量掺加化学物质如氯化钙、硫酸钠、氢氧化钠、磷酸钠、硅酸钠等,能够在不同程度上提高其早期强度。
一般认为,钙基类固化剂的加固机理主要是钙离子交换和火山灰反应。同时,Ca(OH)2的结晶及其碳化也能增强加固效果。

2)非钙基固化剂。

非钙基固化剂作为一类新型土壤固化剂近几十年来发展迅速,方兴未艾。这类固化剂涵盖的范围很广,产品种类繁多,固化机理各不相同。非钙基固化剂的出现,为土壤加固提供了另一种可供选择的技术方案。从理论上讲,它可以避免出现钙基类固化剂在用于富含硫酸盐土壤时可能出现的因石膏和(或)钙矾石生成而引起的土体膨胀,这是非钙基固化剂的一个重要的技术优势。