Al3+ 、Fe3+ 和Si4+ 改性胶凝材料稳定软土的机制对比与分子模拟研究

为解决软土工程风险（低剪切强度、高压缩性）问题，研究人员通过开发Al3+ 、Fe3+ 和Si4+ 改性固废基胶凝材料，结合FTIR、SEM-EDS和分子动力学模拟（MSD），揭示了离子尺度稳定机制。结果表明，Al3+ 改性体系抗压强度达15 MPa，Fe3+ /Al3+ 通过降低zeta电位和双电层厚度加速絮凝，为低碳土体加固提供新策略。

　　

沿海地区广泛分布的软土因低承载力、高敏感性和易液化特性，长期威胁城市基建安全。传统微生物修复和纤维加固成本高、效率低，而普通水泥存在高碳排问题。如何通过固废资源化开发高效低碳稳定剂，成为岩土工程领域的关键挑战。

中国研究人员通过设计四种Al³⁺
、Fe³⁺
和Si⁴⁺
改性胶凝材料，结合宏观力学测试与微观表征技术，系统解析了离子尺度稳定机制。研究采用北京某地典型软土（塑性指数18.24，液限25.67%），通过行星式搅拌机标准化制备混合试样，利用BET比表面积分析、傅里叶红外光谱（FTIR）、扫描电镜-能谱联用（SEM-EDS）和X射线衍射（XRD）表征微观结构，并创新性引入径向分布函数（RDF）和均方位移（MSD）分子模拟技术，定量揭示了离子-土壤界面相互作用。

Soft soils
采集自东经116°20′26″–116°29′11″、北纬40°07′03″–40°09′10″区域的软土，其最大干密度1.64 g·cm^?3
，最优含水率18.0%，符合中国《土工试验方法标准》（GB/T 50123–2019）特性要求。

Mixing experiment
行星式搅拌机分阶段干混60秒后加水湿混180秒，确保Al³⁺
、Fe³⁺
改性材料均匀分散，固化后试样养护54天。

Molecular simulation
力场参数优化的分子动力学模拟显示，Fe³⁺
和Al³⁺
可使土壤表面zeta电位降低至-22,000 kJ/mol相互作用能，显著压缩双电层厚度。

The results of the compressive strength
Al³⁺
改性组抗压强度达15 MPa，为Si⁴⁺
组的2–3倍；Fe³⁺
改性组性能次之但满足工程需求。强度提升与4–5 nm孔隙限域效应和Al–O/Fe–O键形成（FTIR验证）直接相关。

Conclusion
研究证实Al³⁺
通过促进凝胶相均匀生成（SEM-EDS显示铝浓度梯度分布）和抑制钙矾石结晶，实现最优稳定效果；Fe³⁺
则通过加速絮凝动力学（MSD模拟扩散系数降低）增强结构稳定性。该成果为固废基低碳胶凝材料的分子设计提供了理论框架，论文发表于《Science of The Total Environment》。