纳米硅溶胶改良分散性盐渍土的物理化学特性与微观结构机制研究及其工程应用价值

推荐：针对分散性土壤遇水易崩解、工程灾害频发的问题，研究人员创新性采用环保型纳米硅溶胶（nano-silica sol）处理盐渍土，通过UCS、DST、SEM等技术手段，证实5%添加量可使土壤无侧限抗压强度提升523%，黏聚力增加116%，并彻底消除分散性。该研究为土壤改良提供了绿色可持续解决方案。

　　

分散性土壤因富含钠离子（Na⁺），遇水极易崩解成原始颗粒，导致灌溉渠道、土坝等工程结构失稳，全球每年因此造成的工程灾害损失巨大。传统化学改良剂存在污染环境、易造成土壤板结等问题，而物理和生物改良方法又难以满足工程需求。如何从根本上降低土壤交换性钠离子含量，同时实现环保高效的土壤加固，成为岩土工程领域亟待突破的难题。

吉林大学（原文第一作者单位）的研究团队创新性地提出采用纳米硅溶胶这一环境友好材料改良分散性盐渍土。研究人员采集吉林乾安地区典型分散性盐渍土，通过掺入0.5%-5%质量比的纳米硅溶胶，系统研究了改良后土壤的物理化学性质、微观结构和力学性能变化规律。相关成果发表在农林科学领域权威期刊《Soil and Tillage Research》上。

研究采用多尺度技术手段：通过激光粒度分析（particle size analysis）和液塑限联合测定仪（Atterberg limit test）表征土壤颗粒分布变化；利用无侧限抗压强度试验（UCS）和直剪试验（DST）评估力学性能；结合扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析微观机制；采用数字图像相关技术（DIC）实时监测样品应变演化。

3.1 土壤物理性质
粒度分析显示纳米硅溶胶使黏粒（<5μm）含量从30.97%降至7.24%-8.68%，大量黏粒被胶结成砂粒（>75μm）。渗透系数先增后降，2.5%含量时土壤完全丧失分散性，浸泡2.8小时仍保持结构完整，较原土（200秒完全崩解）提升50倍抗崩解能力。

3.2 土壤分散性
针孔试验和碎块试验证实，0.5%硅溶胶即可使高分散性土（D1级）转为过渡性土（ND3级），2.5%含量时分散性完全消失（ND1级）。这与孔隙水Na⁺浓度从8.80 mmol/L降至6.26 mmol/L、pH从8.2降至7.0密切相关。

3.3 土壤力学性能
5%硅溶胶处理使UCS达416.97 kPa（原土66.97 kPa），黏聚力提升至46.03 kPa（原土21.29 kPa）。DIC分析揭示改良后土体破坏模式从鼓胀型转变为沿45°剪切面破坏，刚度显著提高。

3.4 微观结构与矿物组成
SEM观察到硅溶胶生成的钙硅水合物（C-S-H）将黏粒胶结成团（图12），XRD在2θ=25.6°处检出C-S-H特征峰。FTIR显示1080 cm^-1处Si-O-Si键振动增强，证实硅氧网格结构对Na⁺的固定作用。孔隙水离子测试显示Ca²⁺、Mg²⁺浓度下降与强度提升呈强相关（图16）。

该研究揭示了纳米硅溶胶改良分散性土壤的双重机制：一方面通过Si-O三维网格固定Na⁺，降低孔隙水pH值；另一方面通过生成C-S-H和无定形硅胶填充孔隙，形成"颗粒-凝胶"复合结构。相比传统改良剂，硅溶胶具有粘度低（接近水）、可注浆施工、环境友好等工程优势，为盐渍土地区基础设施建设提供了创新解决方案。研究团队特别指出，2.5%的硅溶胶添加量即可实现分散性消除与力学性能的平衡，这对降低工程成本具有重要指导意义。未来研究可进一步探索硅溶胶与其他纳米材料的协同改良效应。