水泥-硅灰协同稳定膨胀土的机理与耐久性研究：微观结构演变与工程性能优化

《Results in Engineering》：Synergistic Effects of Cement–Silica Fume Composite on Expansive Soil Stabilization: Mechanisms, Microstructure, and Durability

本研究针对膨胀土在干湿循环下体积不稳定、工程性能差的问题，系统探讨了水泥-硅灰复合稳定技术。研究人员通过不同配比实验，发现C1S1（水泥:硅灰=1:1）复合体系在3-5%掺量下能显著降低塑性指数、提升无侧限抗压强度(UCS)和剪切强度，并有效控制膨胀率。微观表征证实，该体系通过形成协同凝胶网络（C-S-H），优化孔隙结构（总孔体积0.166 ml/g），从而赋予改良土体卓越的长期耐久性（UCS保留率84.4%）。该研究为工业固废资源化利用和低碳土体改良提供了关键技术支撑。

　　

在中国，每年产生超过33亿吨的工业固体废弃物，如何安全有效地处置这些废弃物已成为一个紧迫的环境和工程难题。与此同时，另一种“问题土壤”——膨胀土，因其含有蒙脱石等黏土矿物，在湿度变化时会表现出剧烈的胀缩行为，给道路、边坡和建筑地基等基础设施带来严重的破坏风险。传统的土壤稳定方法主要依赖水泥，虽然效果显著，但其生产过程中的高碳排放与环境影响不容忽视。因此，寻找能够部分替代水泥、兼具高效与环保的土壤稳定材料，成为岩土工程领域的一个重要研究方向。

在此背景下，将工业固废（如硅灰，Silica Fume）用于改良膨胀土，被视为一种“一石二鸟”的可持续解决方案。硅灰是硅铁合金生产过程中的副产品，其二氧化硅含量超过90%，具有优异的火山灰活性，能在水泥水化提供的碱性环境中发生反应，生成额外的胶凝物质。已有研究表明，水泥与硅灰复合使用能产生协同效应，但其对膨胀土，尤其是在模拟真实环境变化的干湿循环条件下的长期耐久性影响，尚缺乏系统性的深入研究。

为了填补这一空白，发表在《Results in Engineering》上的研究论文《Synergistic Effects of Cement–Silica Fume Composite on Expansive Soil Stabilization: Mechanisms, Microstructure, and Durability》应运而生。该研究由扬州工业职业技术学院建筑工程学院的李文伟等人完成，他们系统性地评估了水泥-硅灰复合材料对膨胀土工程特性与耐久性的增强效果，并深入揭示了其微观作用机理。

研究人员为开展此项研究，综合运用了多种关键的实验技术方法。研究采用了来自中国江苏省南京市高淳区的膨胀土作为原材料，并使用了P.O 42.5水泥和产自河南的工业硅灰作为稳定剂。实验设计包含了单组分（水泥或硅灰，掺量1%, 3%, 5%）和复合组分（水泥与硅灰比例1:1 (C1S1) 和 1:3 (C1S3)）共13组处理。关键技术方法包括：依据国家标准（GB/T 50123-2019，等效于ASTM相关标准）进行液塑限试验、标准普氏击实试验、自由膨胀率测定；通过无侧限抗压强度(UCS)试验和直剪试验评估力学性能；利用扫描电子显微镜(SEM)和压汞法(MIP)表征微观结构；并通过加速干湿循环试验（共6个循环，每个循环包含12小时60°C烘干和12小时室温浸水）来模拟长期环境作用，综合评价改良土体的耐久性。

3.1. 液塑限

研究表明，所有稳定剂均能降低膨胀土的塑性指数(PI)。单独使用5%水泥(CA)效果最显著，将PI从28.4降至4.28。而水泥-硅灰复合材料在相同总掺量下，能以更少的水泥用量达到相近甚至更优的效果。例如，5%的C1S1混合物使PI降至12.5。这证实了复合材料在降低土壤塑性、改善其工程性质方面的协同优势。

3.2. 压实特性

压实试验结果揭示了复合材料对土壤密实度的优化作用。5%的C1S1混合物获得了最高的最大干密度(MDD)1.68 g/cm3和最低的最优含水率(OMC)19.80%。即使在3%的掺量下，C1S1和C1S3的压实性能也优于5%的单一水泥或硅灰处理。这表明复合材料能形成更致密的凝胶网络，减少颗粒间排斥力和孔隙空间。

3.3. 体积变化

3.3.1. 自由膨胀率

经过28天养护，所有稳定处理均显著降低了土壤的自由膨胀率。5%的C1S1和C1S3混合物将膨胀率分别降至约13.80%和14.18%，效果明显优于同等掺量的单一稳定剂。这表明硅灰不仅加速了水泥水化，其火山灰反应生成的额外C-S-H凝胶有效限制了水分侵入，降低了土壤的膨胀潜能。

3.3.2. 胀缩变形特性

在干湿循环试验中，未处理的膨胀土出现了严重的开裂和结构破坏。而经复合材料稳定的试件，即使在3%和5%掺量下，表面也未见明显的裂纹网络，保持了良好的完整性。其绝对膨胀率和绝对收缩率被有效控制在较低水平（如3% C1S1的膨胀率<1.1%）。复合材料展现了远超单一材料稳定的抗裂能力和体积稳定性。

3.4. 抗压强度特性

无侧限抗压强度(UCS)测试结果表明，复合材料在提供较高初始强度的同时，展现了卓越的耐久性。经过6次干湿循环后，3%的C1S1混合物仍能保持其初始UCS的84.4%（从541.9 kPa降至457.2 kPa），其强度保留率是所有试件中最高的。相比之下，5%水泥处理的试件强度保留率仅为43.4%。这凸显了复合材料凝胶网络在抵抗循环胀缩引起的微裂纹扩展方面的有效性。

3.5. 剪切强度特性

直剪试验分析了黏聚力(c)和内摩擦角(φ)的变化。复合材料同样表现出色。例如，3%的C1S1初始黏聚力为51.9 kPa，内摩擦角为32.8°。经过6次循环后，其黏聚力保留率超过70%，内摩擦角保留率超过90%。这表明复合材料不仅能显著提升土壤的初始抗剪强度，还能在环境循环荷载下保持其强度参数的稳定性。

3.6. 孔隙分布

压汞法(MIP)孔隙分析从微观层面解释了宏观性能提升的原因。在3%掺量下，C1S1复合材料的总孔隙体积(0.166 ml/g)低于单一水泥(0.182 ml/g)或硅灰(0.189 ml/g)处理的试件。经过6次干湿循环后，复合材料试件的孔隙体积增长也更为缓和。这表明复合材料有效地优化了土壤的孔隙结构，使其更加密实。

3.7. 扫描电镜分析

扫描电子显微镜(SEM)图像直观地展示了不同稳定剂处理后的微观结构差异。水泥单独处理(CA)的水化产物分布不均，呈块状或絮状。而C1S1复合材料则显示出更致密、连续的胶结网络，土壤颗粒表面和孔隙被更均匀的胶凝产物覆盖和填充。在经过干湿循环后，复合材料试件的微观结构仍能保持相对完整，证明了其优异的抗劣化能力。

3.8. 可持续性与成本效益分析

研究还进行了一项简明的可持续性分析。对比5%水泥处理和3% C1S1复合材料处理（两者性能相当甚至后者更优）发现，使用复合材料仅使材料成本增加约5%，但却能减少近70%的二氧化碳排放。这凸显了该技术在实现工程性能提升的同时，兼具显著环境效益和成本可行性。

综上所述，该项研究通过系统的宏观性能测试与微观机理分析，清晰地揭示了水泥-硅灰复合材料在稳定膨胀土方面的巨大潜力。其核心优势在于通过物理填充和化学协同作用（水泥水化提供初始骨架，硅灰火山灰反应生成二次C-S-H凝胶），形成了更致密、更均匀、更稳定的双C-S-H凝胶网络结构。这一微观结构的优化是改良土体获得高强度、低膨胀率和卓越耐久性（尤其在抵抗干湿循环方面）的根本原因。

该研究的结论具有重要意义。首先，它为工业固体废弃物硅灰的高价值资源化利用提供了明确的技术路径，符合可持续发展的要求。其次，它证实了中等掺量（3%-5%）的水泥-硅灰复合材料能够以更经济环保的方式，实现对膨胀土工程性质的全面优化，其综合性能超越了传统的单一水泥稳定方法。最后，研究强调的耐久性指标和微观机理关联，为未来类似土体改良材料的设计和长期性能预测提供了重要的理论依据和实践参考。这项研究成果为推动绿色岩土工程发展和提升基础设施长期安全稳定性提供了有力的科学支持。