路基是保证正常交通秩序的关键因素之一，一 旦损毁，将阻断交通，危及行车安全。其中边坡稳 定性对路基结构的整体性能具有很大影响。工程实 践表明，地质要素是公路边坡开挖和防护决策的根本依据。对于砂质边坡而言，风积砂黏聚力几乎为 零，边坡稳定性差，易受雨水冲刷而发生滑坡等 地质灾害。砂质边坡一般采用常规防护措施，包 括工程类防护和植物类防护。工程类防护主要为 土工合成材料防护，沥青类防护，水泥混凝土类 防护，卵石、砾石、片石类防护，土类防护，柴 草类防护等；植物类防护主要为种植乔木、灌木、 草本植物等 [1,2]。

使用常规防护措施存在许多不足之处。片石、 混凝土、沥青等易发生老化，增加后期的维修费用， 不易进行绿化。柴草类防护和土类防护只能应用于 低等级公路。单纯采用植物类防护，在植物长成之 前，边坡不够稳定，边坡坡面在雨水的冲刷作用下 容易损坏，使植物防护失去效果 [3~5]。

为了提高砂质边坡的防护效果，笔者研究了砂 质边坡安全保障新技术。该技术采用化学固砂方法 在边坡表层形成 10~30 cm 的砂土固化层，增加了 边坡稳定性与抗风蚀、水蚀性能。之后结合客土喷 播技术，在边坡表面植草，增强生态效应。近年来， 化学固砂技术日益得到关注。我国在 20 世纪 60 年 代也开始出现了化学固砂的研究。李婷等 [6] 使用 钠水玻璃作为固砂材料，选用 AlCl3 溶液作钠水玻 璃固化剂，固化后形成的固化体的耐酸性能较好。 蒋富强等 [7] 研制了一种由水玻璃、山梨醇、碳酸 锂等组成的固砂剂，抗老化性能较好，提高了冻融 稳定性。Dong Z 等 [8] 在造纸废液中提取出木质素 磺化盐，在木质素磺化盐溶液中加入甲醛和丙烯酸， 使其发生共聚反应得到固砂剂。该种固砂剂具有良 好的抗风蚀性和生物降解能力。Achilias 等 [9] 利用 废塑料生产固砂材料，把废弃产品和塑料聚合物溶 解再沉淀，之后提取出高密度的聚乙烯和聚丙烯。 使用其固砂后，得到的砂土固化层具有较高的强度。 多数固砂剂室内试验效果较好，但制作相对复杂， 耐水性相对较差，不适应野外的恶劣环境。

针对现有化学固砂方法的局限性，笔者研究出 了一种新型的固砂剂——TD–1。TD–1 的原材料易 得，施工方便，可在野外大面积使用。TD–1 的主 要材料由钾水玻璃溶液和新型磷酸硅配制而成，还 加入了硅酸锂溶液和硅溶胶溶液 [10]。TD–1 固砂 剂固化后的产物可促进植物生长，固砂效果良好。 另外，笔者还提供了一种改性剂，可以在环境恶劣、 植物不易生长的地区配合固砂剂使用，增强固砂强 度。为研究其固砂效果，笔者进行了配比优化试验、 渗透试验、干湿循环试验。在张承高速公路试验段 试用此固砂剂，并结合客土喷播技术进行植草，取 得了良好的防护效果。

《一、室内试验材料及试验方案》

一、室内试验材料及试验方案

《（一）试验材料》

（一）试验材料

（1）风积砂：取自张家口沽源地区，为级配不 良的中砂；最优含水率为 12.8 %，对应的最大干密 度为 1.627 g/cm3 。

（2）钾水玻璃溶液：取 6 种不同模数的钾水玻 璃（M=3.20、3.25、3.30、3.35、3.40、3.45）。

（3）固化剂：新型磷酸硅，是无毒无味的白色 粉末晶体，可充分溶于水，促进固化反应的进行。

（4）硅酸锂溶液：模数为 4.8，浓度为 0.2 g/mL。 硅酸锂溶液具有自干性，不需要固化剂的固化作用。 硅酸锂与钾水玻璃混合使用能够降低成本，并改善 硅酸锂的成膜反应。

（5）硅溶胶溶液：碱性硅溶胶（pH=7.5~9）， 浓度为 0.3 g/mL。硅溶胶溶液的分散性好、黏度低， 可以充分填充到孔隙中。硅溶胶粒子比表面积为 50 ~ 400 m2 /g，粒径范围在 10~20 nm [11]。硅溶胶 比表面积大，表面能大，有自动减少表面能的趋势， 小粒子能够凝聚成大颗粒，进而形成凝胶，并凝聚 成黏结膜 [12]。

《（二）试验方案》

（二）试验方案

将钾水玻璃、磷酸硅、硅酸锂溶液、硅溶胶溶 液加水混合配制成固砂剂浆液。为优化固砂剂配比 及研究其固砂效果，制定以下试验方案。

（1）钾水玻璃的固含量分别为所需固化风积 砂质量的 2 %、3 %、4 %；添加的磷酸硅固含量为 钾水玻璃固含量的 6 %；硅酸锂固含量为钾水玻璃 固含量的 2 %；硅溶胶固含量为钾水玻璃固含量的 3 %。磷酸硅、硅酸锂、硅溶胶添加比例固定。

（2）使用 6 种模数的钾水玻璃配制固砂剂（每 种模数的钾水玻璃固含量分别为 2 %、3 %、4 %） 制作试样，进行无侧限抗压强度试验，根据结果优 化固砂剂配比。

（3）使用 6 种模数的钾水玻璃制作试样（钾水 玻璃固含量为 3 %），每个试样添加 5 g 改性剂。进行无侧限抗压强度试验，研究改性剂对固砂试样强 度的影响。

（4）使用两种模数的钾水玻璃 (M=3.20、3.45， 钾水玻璃固含量为 3 %) 配制固砂剂，制作试样。进 行渗透试验和干湿循环试验。

（5）进行强度测试的试样规格为 70.7 mm× 70.7 mm×70.7 mm，压实度为 97 %；进行渗透试 验的试样使用环刀制作，环刀内径为 61.8 mm，高 40 mm，压实度为 97 %。

《二、室内试验结果分析》

二、室内试验结果分析

《（一） 钾水玻璃模数和固含量对固化砂强度的影响》

（一） 钾水玻璃模数和固含量对固化砂强度的影响

使用不同模数和固含量的钾水玻璃制作试样。分 析试样 14 d 时的无侧限抗压强度，试验结果见表 1。

表 1 试样 14 d 时的无侧限抗压强度

《表 1》

由试验结果可知，风积砂在固砂剂 TD–1 的作 用下形成了一定的强度，试样在 14 d 时的固砂强度 均超过了 700 kPa。磷酸硅在钾水玻璃溶液中水解 出 H+ ，代替钾水玻璃中易引起水解的 K+ ，并与钾 水玻璃溶液中的硅酸离子反应生成硅酸二聚体，并 进一步融合生成多硅酸，多硅酸聚合形成 SiO2。当 形成的 SiO2 含量超过一定量时便凝聚形成凝胶网 络结构。形成的凝胶与砂粒混合后，在砂粒表面形 成一层黏结膜，使松散的砂粒黏结在一起，产生一 定的强度。没有参与反应的钾水玻璃、硅酸锂、硅 溶胶也会在砂粒表面形成黏结膜，增加固化砂试样 的强度。

由图 1 可知，添加相同固含量的钾水玻璃和磷 酸硅，固化砂试样的强度随着钾水玻璃模数的增大 呈现增长的趋势。钾水玻璃的模数越高，在混合溶 液中形成的凝胶网络结构也就越多。固化砂试样的 表层先失水发生凝结硬化，形成一层坚硬的外壳， 之后由外向内逐步硬化。

《图 1 》

图 1 不同模数钾水玻璃对试样强度的影响曲线

 

由图 2 可知，在到达 14 d 龄期时，使用钾水玻 璃固含量为 3 % 的试样，试样强度大于使用钾水玻 璃固含量为 2 % 和 4 % 的试样。当添加的钾水玻璃 固含量从 2 % 提高到 3 % 时，试样强度有明显的增 长；当固含量超过 3 % 以后，试样强度增长速率 放缓，甚至强度有所下降。当钾水玻璃固含量为 3 % 时，已经基本能够在砂粒表面形成一层包覆的 黏结膜，并使相邻的砂粒通过黏结膜连接起来形成黏结桥。当钾水玻璃固含量超过 3 % 时，作为 骨料的风积砂相对含量有所降低，试样结构的稳 定性受到了影响，无法形成更高的强度。

《图 2 》

图 2 钾水玻璃固含量对试样强度的影响曲线

 

《（二） 改性剂对固化砂强度的影响》

（二） 改性剂对固化砂强度的影响

测定龄期 14 d 试样的无侧限抗压强度。添加改 性剂与不添加改性剂试样的强度对比如表 2 所示。

 

表 2 不添加改性剂试样与添加改性剂试样的强度对比

《表 2 》

 

添加改性剂后，龄期 14 d 的试样强度均能达到 1 000 kPa 以上，相对于不添加改性剂的试样强度增 长了 32.5 % ~ 60.8 %。添加的改性剂能够产生类似 于沸石的致密胶凝结构，使砂土颗粒之间的黏结力 增强。产生的胶凝产物填充于骨架之间，使孔隙变 小，界面趋于密实。添加改性剂后，在酸性环境下 不受腐蚀，有较好的耐酸性。

《（三） 固化砂的渗透性能》

（三） 固化砂的渗透性能

为了能与客土喷播植草结合使用，固化砂需要 有一定的渗透能力，为此进行了固化砂的渗透试验。 由于风积砂添加固砂剂后形成的固化砂与单纯的砂 土不同，所以对龄期 7 d 的试样使用变水头法进行 渗透试验。试验完成后，试样无明显孔隙，渗透试 验如图 3 所示。

《图 3》

图 3 渗透试验

 

使用模数为 3.20 钾水玻璃的试样渗透系数为 1.69×10–4 cm/s，使用模数为 3.45 钾水玻璃的试样 渗透系数为 8.25×10–5 cm/s，固化砂具有一定的渗 透能力。固砂剂在砂粒周围形成黏结膜，黏结膜互 相连接，但仍有孔隙存在。在渗透过程中，水从黏 结膜间的孔隙经过。使用高模数钾水玻璃的试样， 试样内部黏结膜较多，孔隙小于使用低模数钾水玻 璃的试样，所以渗透能力相对较低。

《（四）固化砂干湿循环特性》

（四）固化砂干湿循环特性

为模拟沽源地区夏季多雨情况，防止边坡表层固化砂经过雨水冲蚀和自然干燥后发生开裂、 坍塌的现象，采用常规的浸水饱和、自然蒸干的 方法进行干湿循环试验。固砂试样分别进行 0 次、 1 次、2 次、3 次、4 次、5 次干湿循环。进行 0 次 循环的试样不浸水，到 28 d 龄期后直接测试其强 度。其余每次干湿循环都将试样浸水饱和 24 h， 之后干燥 48 h 再测定其强度。饱水是将试样直接 放入水中，水面完全没过试样，经过饱水 24 h 后， 试样没有在水中溃散，表面有小部分砂粒脱落。 干湿循环后，对试样进行无侧限抗压强度试验， 结果如图 4 所示。

《图 4》

图 4 试样强度随干湿循环次数的变化

 

由图 4 可知，随着干湿循环次数的增加，试样 的强度逐渐下降。经过 1~3 次循环，试样强度下降 速率快；经过 3 次循环之后强度基本趋于稳定；经 过 5 次循环之后，试样强度均在 600 kPa 以上。

固砂试样经过多次干湿循环之后，能够保持一 定的强度。在配制固砂剂时，钾水玻璃与磷酸硅反 应生成的凝胶网络结构不易在水中溶解，硅溶胶和 硅酸锂形成的黏结膜耐水性良好。但是钾水玻璃自行脱水形成的黏结膜在饱水情况下容易被破坏。在 饱水过程中，固砂剂形成的黏结膜部分溶解于水中， 使试样的强度有所下降。在 3 次循环之后，剩余部 分的黏结膜不溶于水中，形成的结构不易被破坏。

《三、边坡固化试验》

三、边坡固化试验

在张承高速公路试验段试用此固砂剂。试验边 坡为砂质挖方边坡，坡高 13 m，长度 50 m，坡角 45°，坡面总面积为 920 m2 。

计算边坡表层需要固化的砂体质量，现场配制 固砂剂：钾水玻璃的固含量为固化砂体质量的 3 %； 磷酸硅的固含量为钾水玻璃固含量的 6 %；硅酸锂 的固含量为钾水玻璃固含量的 2 %；硅溶胶的固含 量为钾水玻璃固含量的 3 %；根据风积砂的最优含 水率添加一定量的水，搅拌均匀。使用喷涂设备将 固砂剂呈雾状均匀喷涂在砂质边坡表层。喷涂完成 后的效果如图 5 所示。

《图 5 》

图 5 喷涂完成后的效果

 

固砂剂在 2 h 之后开始凝结固化，24 h 之后形 成一定强度。固砂剂在边坡表面固化后，形成的固 化层表面平整。检查固砂剂在边坡表面的入渗、固 化情况，如图 6 所示。

《图 6 》

图 6 固砂剂边坡入渗、固化情况

 

喷洒固砂剂 7 d 之后检测边坡表面固化层强度。 每 100 m2 取一个试样，进行强度测试，结果见表 3。 由表 3 可知在野外使用固砂剂，7 d 后固化层的强度 在 800 kPa 以上，固化层密实，强度较高。之后结合 客土喷播技术进行植草，两年后效果如图 7 所示。

表 3 边坡测试点取样强度

《表 3 》

 

《图 7 》

图 7 两年后砂质边坡的固化效果

 

两年后砂质边坡坡面没有出现水蚀、开裂、坍 塌等现象。固化层具有良好的耐候性。固砂剂固化 后的产物可作为植物的肥料，促进坡面植物的生长。 使用客土喷播技术植草后，不但绿化了砂质边坡坡 面，而且增加了边坡的稳定性。

《四、结语》

四、结语

本研究通过对固砂试样进行配比优化试验、渗 透试验、干湿循环试验、现场试验，研究固砂剂的 固砂效果，提出了保障公路砂质边坡安全的新型化 学固砂技术。得到如下结论。

（1）试样的强度随钾水玻璃模数的增加而增加，添加钾水玻璃的最佳固含量为固化砂质量的 3 %。

（2）添加改性剂后试样强度相对于不添加改性 剂的试样强度增长了 32.5 % ~ 60.8 %。

（3）固砂试样具有一定的渗透能力。使用低模 数钾水玻璃制作的试样相对于高模数钾水玻璃制作 的试样渗透能力更好。

（4）固砂剂具有良好的耐水性。随着干湿循环 次数的增加，固砂试样的强度逐渐下降，3 次循环 之后，强度基本趋于稳定。

（5）在张承高速公路试验段，喷涂固砂剂固砂， 并结合客土喷播技术植草，不仅绿化了坡面而且增 加了边坡的稳定性。经过两年观测，效果良好。