水泥和甘蔗渣灰对膨胀土微观力学特性的影响

《Results in Engineering》：Effect of Cement and Sugarcane Bagasse Ash on the Micro-mechanical Characteristics of Expansive Soil

本研究通过实验室测试，评估了 sugarcane bagasse ash（SBA）与水泥复合使用对膨胀土壤力学性能和体积稳定性的改善效果。结果表明，4% SBA与5%-7%水泥结合时，显著提升了无侧限抗压强度（1380%）、劈裂抗拉强度（1166%）和加州承载比（2450%），同时将膨胀应变和压力分别降低98%和89%。微观分析证实SBA通过火山灰反应生成钙硅酸凝胶（C-S-H），有效减少孔隙率和改善土壤结构。该技术兼具环境友好（减少水泥用量）和经济高效（利用农业废弃物）优势，为膨胀土壤治理提供了新方案。

　　在热带地区，广泛存在的膨胀性土壤对建筑结构构成严重挑战。这些土壤在水分波动下会经历显著的体积变化，导致轻型结构如住宅建筑和道路出现损坏，甚至对更大型的基础设施如高速公路和挡土墙造成影响。由于这种体积变化特性，膨胀性土壤常被归类为工程难题，其影响范围涉及地面运动、基础裂缝、墙体开裂以及路堤边坡失稳等。因此，研究如何改善这些土壤的机械性能和体积稳定性成为土木工程领域的重要课题。

为了应对这一问题，研究者们探索了多种稳定化技术，包括物理方法和化学方法。物理方法如压实，虽然能够改善土壤的承载能力，但其效果受到土壤物理特性的限制，且在某些情况下需要配合化学稳定化手段。化学稳定化方法主要依赖于钙基材料，如石灰和水泥，这些材料在与水反应时形成钙硅酸盐水合物（C-S-H）和钙铝酸盐水合物（C-A-H）等胶凝产物，从而增强土壤的强度和稳定性。然而，这些传统稳定剂往往会导致土壤pH值升高，从而对微生物活动和植物生长产生不利影响，甚至可能引发有害元素的渗出。此外，硫酸盐含量较高的土壤在与水泥或石灰反应时可能生成膨胀性矿物如埃特林石，进一步加剧体积变化和结构破坏，增加环境和维护成本。

为了克服传统化学稳定剂的局限性，研究者开始关注非传统稳定剂，如粉煤灰、稻壳灰、油页岩灰、稻壳硅酸盐和聚合物等。其中，硅酸盐类材料因其高反应活性和环境友好性，逐渐成为研究热点。特别是糖蔗渣灰（SBA），因其高二氧化硅（SiO?）含量和细颗粒特性，展现出显著的火山灰活性。SBA不仅能够减少水泥用量，降低碳排放，还能通过与水泥水化过程中释放的氢氧化钙（Ca(OH)?）发生反应，生成更多的C-S-H和C-A-H胶凝产物，从而改善土壤的微观结构和宏观性能。

本研究旨在评估SBA与水泥组合使用对膨胀性土壤的稳定效果。研究选取了来自孟加拉国穆尔希亚甘杰地区的膨胀性土壤样本，并进行了实验室测试，包括无侧限抗压强度（UCS）、劈裂抗拉强度（STS）、加州承载比（CBR）、一维膨胀测试和自由膨胀指数（FSI）等。研究发现，SBA能够有效替代部分水泥，显著改善土壤的稳定性能。具体而言，SBA的加入使UCS和STS分别提升了1380%和1166%，而CBR值则提升了2450%。同时，膨胀性参数如膨胀应变和膨胀压力分别降低了98%和89%，FSI也显著下降。这些结果表明，SBA的加入不仅提升了土壤的强度，还有效抑制了其膨胀性，为膨胀性土壤的稳定化提供了新的思路。

进一步的扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认了SBA与水泥之间的化学反应，生成了C-S-H和C-A-H胶凝产物，这些产物不仅增强了土壤的结构稳定性，还提高了其耐久性。同时，SBA的高表面积和细颗粒特性使其能够填充土壤颗粒之间的空隙，改善土壤的密实度，从而进一步提升其机械性能。

研究还指出，SBA的最优掺量为4%，这一比例不仅提供了成本效益，还减少了对环境的影响。与传统水泥稳定化相比，SBA的使用能够有效降低水泥用量，减少碳排放，并通过循环利用农业工业副产品，为可持续建设提供支持。此外，SBA的高钾氧化物（K?O）含量使其在农业应用中具有潜在价值，例如作为钾肥补充物，提升土壤的养分含量，同时促进土壤结构的改善。

通过对比其他稳定剂的研究成果，如纤维增强材料、碱激发结合剂等，SBA与水泥的组合显示出更优的性能。例如，UCS值达到0.963-2.361 MPa，远高于许多其他稳定剂的强度表现。CBR值也显著提升，从2%提高到42%-51%，表明其在道路和地基工程中的应用潜力。同时，SBA的加入显著降低了土壤的膨胀性，使其在潮湿环境下表现出更好的体积稳定性。

研究还强调了SBA在实际工程中的应用价值。在孟加拉国，糖蔗渣灰作为一种常见的农业废弃物，其高反应活性和低成本使其成为一种理想的稳定剂。此外，SBA的利用有助于减少对环境的负担，同时为当地农业和工业提供新的资源再利用途径。这种结合传统水泥和农业废弃物的稳定化方法，不仅提升了土壤的工程性能，还促进了可持续发展。

通过多种测试手段，研究确认了SBA与水泥之间的协同作用。一方面，SBA的高反应活性能够有效消耗水泥水化过程中产生的氢氧化钙，从而降低土壤pH值，减少对生态环境的负面影响；另一方面，SBA的细颗粒特性能够改善土壤的密实度，提升其承载能力。这些特性使得SBA成为一种环保且高效的稳定剂，特别适用于对环境敏感的地区。

此外，研究还指出，SBA的使用能够显著降低建设成本，提高资源利用率。在传统的水泥稳定化过程中，需要大量水泥，而SBA的引入可以部分替代水泥，从而减少材料成本和碳排放。这种策略不仅符合全球可持续发展的趋势，也为发展中国家的土木工程提供了可行的解决方案。

研究的最终目标是为膨胀性土壤的稳定化提供一种可持续的替代方案，以应对传统方法在环境和经济方面的不足。通过实验室测试和微观结构分析，研究展示了SBA与水泥组合使用的优势，并指出其在实际工程中的应用前景。未来的研究可以进一步探索SBA与其他材料的结合使用，如纤维材料，以提升土壤的延展性和韧性，从而减少脆性破坏的风险。此外，研究还可以结合先进的测试技术，如汞渗透法和X射线计算机断层扫描（XCT），以更深入地了解土壤稳定化过程中的孔隙结构和微观机制，从而优化材料配比和施工工艺。

综上所述，本研究通过系统实验和分析，验证了SBA作为膨胀性土壤稳定剂的有效性。SBA不仅能够显著提升土壤的机械性能，还能有效抑制其膨胀性，为可持续建设提供了一种新的可能性。随着全球对环境保护和资源循环利用的重视，SBA在土木工程中的应用前景广阔，值得进一步推广和研究。