膨胀土改良技术的实验研究与可持续性评估：地质聚合物与硅微粉的创新应用及工程实践

针对膨胀土(expansive soils)在交通基础设施中的胀缩破坏问题，研究人员通过地质聚合物(Geopolymer, GP)稳定化、硅微粉(silica fines)协同处理及新型土工合成材料(geosynthetics)应用等创新技术，系统评估了工程性能与可持续性效益。研究发现30% GP处理可形成稳定三维网络结构，显著提升无侧限抗压强度(UCS)至3123 kPa并降低膨胀应变；硅微粉协同石灰处理能有效抑制钙矾石(Ettringite)生成；现场试验证实土工格室(geocell)和导水土工布(wicking geotextile)可提升路基模量58-63 ksi。该研究为膨胀土地区基础设施建设提供了环保高效的解决方案。

　　

在全球基础设施建设中，膨胀土(expansive soils)就像"地质界的叛逆者"——这些富含蒙脱石的高塑性黏土会在雨季吸水膨胀、旱季收缩开裂，导致路面龟裂、桥梁错位，每年仅美国就需投入数十亿美元进行维修。更棘手的是，当膨胀土含有硫酸盐时，传统石灰稳定会生成"膨胀杀手"钙矾石(Ettringite)，反而加剧工程破坏。如何驯服这种"反复无常"的土壤，成为困扰土木工程师数十年的难题。

针对这一挑战，美国德克萨斯大学阿灵顿分校的研究团队在《Soils and Foundations》发表了一项突破性研究。团队创新性地采用地质聚合物(GP)和硅基材料协同稳定技术，结合新型土工合成材料应用，系统解决了硫酸盐膨胀土的工程难题。通过实验室宏微观测试与现场验证相结合，发现30% GP处理能形成M_n[-(SiO₂)_z-AlO₂-]·wH₂O三维网络结构，使无侧限抗压强度(UCS)提升17倍；而硅微粉(CS)的棱角颗粒可额外生成钙硅水合物(C-S-H)，有效抑制有害膨胀。现场监测更显示，土工格室加固的路基模量达63 ksi（千磅/平方英寸），导水土工布使基层含水量降低30%，显著延长了路面使用寿命。

关键技术方法包括：采用ASTM标准进行土工试验（D4546膨胀试验、D5102 UCS测试）；通过场发射扫描电镜(FESEM)观察微观结构；按AASHTO T-307规范完成重复荷载三轴试验(RLT)获取回弹模量(M_R)；在德州FM-1807公路建立5个试验段，采用地球压力计(EPC)和湿度传感器进行长期监测。

在地质聚合物稳定化研究中，团队发现：30%偏高岭土(MK)基GP处理的硫酸盐土，28天养护后UCS达2100 kPa，较石灰处理提高42%。FESEM显示其形成均匀包覆层，完全避免了Ca²⁺参与的钙矾石生成。通过建立的通用模型M_R=k₁P_a(θ/P_a)^k₂(τ_oct/P_a+1)^k₃，证实GP处理使k₁参数提升至3123，显著增强应力硬化效应。可持续性指数(I_SUS)评估显示，尽管当前GP成本略高(51.2 vs 石灰48.8)，但规模化生产后优势显著。

硅微粉协同处理研究则揭示：30%CS与7%石灰联用，可使高硫酸盐土(14000 ppm)膨胀应变从23%降至2%。微观分析发现，硅微粉的破碎边缘提供了C-S-H沉淀位点，而纳米硅(NS)的快速反应在3天即形成胶结层。但经济性分析表明，30%CS处理I_SUS达54.58，略逊于纯石灰处理(44.42)，需进一步优化配比。

土工合成材料现场试验取得突破：双层层4英寸土工格室使RAP(再生沥青路面)基层模量提升至63 ksi，变异系数降低40%；导水土工布通过亲水纤维的毛细作用，有效控制路基含水量。监测数据显示，加固路段车辙深度仅1.27cm，远低于传统路段。

这项研究开创性地构建了"化学-机械"协同的膨胀土处治体系。GP的环保特性(碳足迹降低30%)、硅微粉的固废利用(美国年利用数百万吨)、以及土工合成材料的快速施工优势，为基础设施可持续建设提供了全新范式。特别是对"一带一路"沿线膨胀土分布区，该技术可减少50%路基换填量，具有重大工程价值。未来研究将聚焦GP工业化生产优化和纳米硅成本控制，推动这些技术从实验室走向工程实践。