纳米化学稳定剂联合微量水泥强化软黏土地基的力学性能与微观机制研究

推荐：为解决传统水泥/石灰稳定剂的环境污染问题，印度理工学院研究人员通过掺入0.03-0.05%有机硅烷纳米化学剂(Terrasil)和1%水泥，系统评估了软黏土的UCS(无侧限抗压强度)和CBR(加州承载比)提升效果。研究发现0.045%纳米剂使UCS提升400%，CBR提高14-22倍，SEM和FTIR证实了硅氧烷(Si-O-Si)键的形成机制，为绿色地基改良提供了新方案。

　　

随着全球基础设施建设加速，软黏土地基的处理成为工程界持续面临的挑战。传统水泥/石灰稳定方法虽能提升土壤强度，但其生产过程中产生的高碳排放（每吨水泥约排放0.9吨CO₂）和化学污染问题日益凸显。更棘手的是，这类传统添加剂还存在雨季淋溶、维护成本高等缺陷。在此背景下，印度理工学院的研究团队将目光投向新兴的纳米技术领域，探索用有机硅烷纳米化学剂(Terrasil)部分替代水泥的可能性。

这项发表在《Soils and Foundations》的研究创新性地采用"0.045%纳米剂+1%水泥"的复合配方，使软黏土的28天无侧限抗压强度(UCS)达到250 kPa，不仅远超未处理土壤的50 kPa，更比单独使用4%水泥的204.4 kPa高出22%。通过系统的微观表征，研究人员首次揭示了纳米剂通过形成硅氧烷(Si-O-Si)键实现"疏水改性"的强化机制，为绿色岩土工程提供了重要理论支撑。

关键技术包括：采用场发射扫描电镜(FESEM)观察微观形貌，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学键变化，以及标准化的UCS和CBR测试。所有土样均取自印度喀拉拉邦Pantheerankavu地区1.5-2米深的软黏土，经风干筛分后与不同比例的纳米剂/水泥混合，在30±5°C条件下养护28天。

【Geotechnical characterization of clay soil】
基础测试显示原状土液限(LL)达78.7%，塑性指数(PI)为34.7，属于高压缩性MH类土。其天然含水量高达40%，未处理状态的UCS仅50 kPa，CBR值低至2.16%，完全不符合道路基层要求。

【Geotechnical stabilization of soil – Cement mixture】
单独使用水泥时，4%掺量使28天UCS提升至204.4 kPa，但研究人员指出这仍不符合经济环保要求。1%水泥掺量的对照组UCS为102 kPa，证明微量水泥可作为纳米剂反应的"催化剂"。

【Consistency limits of stabilized soil mixtures】
纳米剂的加入使液限降低20-30%，塑性指数锐减95%。0.045%纳米剂+1%水泥的配方使PI从34.7降至<2%，意味着土壤从塑性体转变为近似弹性体。FTIR在3698 cm^-1处检测到Ca(OH)₂特征峰，证实水泥水化产物与纳米剂产生协同效应。

【Unconfined compressive strength (UCS)】
强度发展呈现明显剂量效应：0.045%纳米剂使UCS达峰值250 kPa，过量添加则因纳米颗粒团聚导致强度下降。值得注意的是，该强度值比单独使用4%水泥还高22%，相当于节省75%水泥用量。

【California bearing ratio (CBR) strength】
最佳配方的28天浸水CBR达47.5%，是原状土的22倍。SEM显示纳米剂填充了土壤孔隙，形成致密结构，这与渗透系数降低41%的测试结果相互印证。

【Microstructural and chemical analysis】
FESEM图像揭示，纳米剂处理组土壤颗粒间形成"真菌状"沉积物，孔隙率显著降低。FTIR在1096 cm^-1和1030 cm^-1处的Si-O键振动峰增强，证实硅氧烷网络的形成。特别在535 cm^-1处出现的Fe-O峰，说明纳米剂还能促进铁氧化物的胶结作用。

这项研究的重要意义在于：首次定量确定了有机硅烷纳米剂在软黏土稳定中的最佳掺量阈值(0.045%)；通过微观表征阐明了"疏水改性-颗粒胶结"的双重强化机制；工程应用方面，该技术可使道路基层厚度减少25%，每公里道路节省300吨水泥。研究团队特别指出，纳米剂处理后的土壤具有永久改性特性，不同于传统添加剂的时效性缺陷，这对热带多雨地区的道路建设具有特殊价值。未来研究可进一步探索纳米剂在不同矿物组成黏土中的普适性，以及长期服役性能。