地质聚合物与废铸造砂协同稳定滨海卡纳塔克邦锂蒙脱石黏土路基的工程性能提升机制研究

针对印度卡纳塔克邦滨海地区高侵蚀性锂蒙脱石黏土（LS）路基稳定性差的问题，研究人员创新性地采用地质聚合物（GP）与废铸造砂（WFS）协同稳定技术。通过优化Na2O/粘结剂比（3.0%）和WFS掺量（15%），显著提升土体最大干密度（+30.65%）、无侧限抗压强度（UCS）和加州承载比（CBR），并验证了冻融循环下的耐久性。该研究为沿海软土路基加固提供了环保解决方案，推动工业固废资源化利用。

　　

在印度卡纳塔克邦滨海地区，每年超过3500毫米的降雨量使得当地特有的锂蒙脱石黏土（Lithomargic Clay，简称LS）成为道路建设的噩梦。这种被称为"Shedi soil"的土壤具有高粉粒含量（60-75%）和低黏土活性（塑性指数仅14.6%），遇水后强度骤降70%以上，导致路基塌陷、边坡滑移等灾害频发。传统水泥稳定法虽有效但成本高昂，且每吨水泥生产伴随0.9吨CO₂排放。面对这一困境，NMAM理工学院的研究团队独辟蹊径，将冶金工业废渣——高炉矿渣（GGBS）与粉煤灰（FA）合成的环保地质聚合物（Geopolymer, GP），联合铸造业废弃物废铸造砂（Waste Foundry Sand, WFS），开发出兼具力学性能与环境效益的新型稳定技术。

研究团队采用标准普氏压实试验确定最佳配比，通过UCS和CBR测试评价力学性能，结合扫描电镜（SEM）揭示微观机制。特别设计了12次湿干循环和8次冻融循环的加速老化实验，模拟严酷环境下的耐久性。样本来自卡纳塔克邦典型LS土层，其基本特性显示黏粒含量仅18.7%，液限39.2%，属CL-ML型土。

Proctor压实、CBR、UCS及应力-应变行为
当GP掺量达20%（Na₂O/粘结剂比3.0%）时，土壤最大干密度（MDD）提升至1.82 g/cm³，最优含水率（OMC）降至16.3%。复合添加15% WFS后，MDD进一步增加30.65%，形成"骨架-凝胶"双重稳定结构。UCS试验显示，28天养护后GP-WFS组强度达1450 kPa，较纯LS提高8倍，且经冻融循环后保留率达92%。CBR值从原生土的2.1%跃升至19.8%，满足印度道路议会（IRC）对低交通量路面的要求。应力-应变曲线表明，改性土体从脆性破坏转变为延性变形，能量吸收能力提升300%。

微观结构分析
SEM图像清晰显示GP生成的钙矾石（C-A-S-H）和钠铝硅酸盐（N-A-S-H）凝胶包裹土颗粒，填充孔隙率达65%。WFS的棱角颗粒与凝胶形成互锁结构，孔隙直径从原生土的15-50 μm缩减至5-10 μm。EDX谱图证实Si/Al摩尔比从1.2增至2.4，标志三维网状结构的形成。

耐久性验证
经过12次湿干循环后，GP-WFS组质量损失仅1.2%，远低于水泥稳定组的5.8%。冻融循环中，得益于GP的低渗透性（10^-8 cm/s），未出现明显冻胀裂缝。长期强度测试表明，180天后UCS仍保持初始值的95%，证明反应持续进行。

这项研究开创性地证明：GGBS-FA基GP与WFS的协同作用，可通过化学胶结（geopolymerization）和机械嵌锁（particle interlocking）双重机制改造LS的工程性能。按IRC:37-2012标准计算，采用该技术可使低流量道路基层厚度减少40%，节约建设成本25%。更重要的是，每公里道路可消纳120吨工业废渣，减少CO₂排放35吨，为发展中国家滨海软土地区提供了"以废治土"的典范。研究团队建议后续探索稻壳灰（RHA）等农业废弃物替代部分GP原料，进一步降低成本和碳排放。