顺序水化对水泥稳定非饱和土持水与收缩的调控作用：孔喉细化与水化产物分布机制

《Soils and Foundations》：Effects of sequential hydration on water retention and shrinkage of cement-stabilized unsaturated soil

　　

早龄收缩开裂常削弱由水泥稳定土（CSS）建造的基础设施耐久性。研究人员评估一种顺序水化（SH）策略，旨在抑制收缩，同时维持与渗流控制和使用极限状态设计相关的水力响应（如饱和度）和力学性能。研究考察三种水化路径：OH-100，即在100 %最优含水率（OMC）下一次水化；SH-80和SH-60，分别在80 %和60 % OMC下压实，随后进行第二阶段润湿。采用应力可控压力板装置测量零应力和竖向应力下的土水特征曲线（SWRCs），并对一种CSS进行三个循环的干湿收缩追踪。结果表明，SH显著降低早龄自由收缩，同时改变持水行为、滞回和应力相关水力响应。在所研究的处理中，80 % OMC下的SH在收缩缓解与水力性能之间产生最有利平衡。扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱（SEM/EDX）分析表明，分级水化促进孔喉细化并改变水化产物分布，尤其是铝硅酸盐水合物（A-S-H）形成。这些发现表明，SH可作为施工阶段策略，在保持足够水力性能的同时减少水泥处理路面基层的收缩开裂。

水泥稳定土（CSS；cement-stabilized soil）广泛用于路面基层和底基层，可提高刚度、强度和施工性，但早龄干缩可产生微裂缝并扩展至面层，降低服务性。CSS收缩由失水、水化、吸力增加和约束体积变化耦合控制，因此仅关注水泥用量和养护不足，还需关注施工期水分路径。现有缓解措施包括配合比调整、养护控制和施工阶段微裂纹处理等，但微裂纹现场效果受水泥含量、时机、湿度、设备和气候影响；低于最优含水率（OMC；optimum moisture content）压实的稳定层有时裂缝少于接近OMC压实段，尽管偏离实验室压实目标。这些局限促使在稳定层形成连续硬化骨架前采取更早的施工阶段策略。顺序水化（SH；sequential hydration）先在亚OMC的压实含水率（CMC；compaction moisture content）下压实，保持规定时间以发生有限早期水化和应力松弛，再补水至目标总含水率；OH-100为100 % OMC一次水化，SH-80和SH-60分别为80 %和60 % OMC压实后二阶段润湿。SH改变早期水化水可用时点，可能影响水化产物形成位置、孔喉演化和干湿响应。已有配套工作显示SH可降低约束收缩和裂缝萌生，但其水力机制仍不充分明确，尤其对SWRC滞回、应力相关持水、干缩速率和水化产物分布的认识有限。因此，研究人员测量零应力土水特征曲线（SWRC；soil-water retention curve）、应力相关土水特征曲线（SDSWRC；stress-dependent SWRC）、干湿收缩响应和SEM/EDX化学趋势，以量化SH对持水和滞回的影响、确定竖向应力如何改变OH和SH试样SWRC、评价SH是否降低早期干缩和干缩速率，并将水力与收缩行为联系到微观结构和化学指标。研究结论表明，SH显著降低早龄自由收缩，同时改变持水行为、滞回和应力相关水力响应；SH-80在收缩缓解与水力性能间最有利；SEM/EDX提示分级水化促进孔喉细化并改变水化产物分布，尤其A–S–H形成。其意义在于SH可作为施工阶段策略，在保持足够水力性能的同时减少水泥处理路面基层收缩开裂。

关键技术方法概括（不超过250字）：土样来源于美国华盛顿州东部Pullman，分类为含粉土级配良好砂（SW–SM），非塑性，采用过2 mm土与8 wt% Type I/II硅酸盐水泥混合，目标干密度1.92 g/cm³。设置OH-100、SH-80和SH-60三条水化路径；用应力可控压力板装置测定零应力和100 kPa竖向应力下SWRC与SDSWRC；用新研制的气密饱和控制腔实施SH并模拟现场润湿；进行三个30天干湿循环的干缩监测；对选定试样开展SEM/EDX元素分布分析。

研究结果：3.1 零应力下顺序水化对SWRC的影响：通过零应力SWRC测得，试样初始饱和度S_r=1.0，干燥过程中OH-100持水最多，SH-80次之，SH-60最少；再润湿时SH-80吸水最少、滞回更大，表明SH降低储水能力，孔隙几何而非孔隙比单独控制持水。3.1.1 SWRC测量中的体积响应：通过孔隙比e与吸力关系，所有处理e随吸力增加而降低；OH-100响应较硬且总e变化较小，但在中高吸力下e较高并持水较高；SH-60在高吸力下e高于SH-80，反映较开放松散孔隙结构。3.1.2 OH与SH样品SWRC干湿滞回：通过干湿分支差异，SH-80滞回环最大，SH-60次之，OH-100最小；零净应力下差异主要归因于水化产物引起孔喉细化和连通性降低。3.2 施加应力下顺序水化对SDSWRC的影响：通过100 kPa竖向应力下SDSWRC，SH-80在干燥和润湿持水增加，OH-100润湿持水明显降低；SH-80应力下滞回减小，OH-100低吸力滞回增大。3.2.1 SWRC与SDSWRC空气进入值比较：通过空气进入值（AEV；air-entry value），零应力下OH-100为4.7 kPa、SH-80为6.0 kPa、SH-60为4.0 kPa；100 kPa下OH-100的AEV增约54%，SH-80增约25%，表明SH预先改造孔喉。3.2.2 SDSWRC体积变化：通过e变化，100 kPa下OH-100体积减小更大；零应力吸力致体积变化SH-80和SH-60约1.1%，OH-100约0.4%；加载后SH-80总变化6.7%，OH-100吸力致0.5%、应力致8.7%、总约9.2%。3.2.3 竖向应力对分段和总滞回度影响：通过分段归一化滞回和平均归一化滞回指数，峰值近AEV；100 kPa下SH-80滞回受抑，OH-100低吸力滞回增强；测试吸力至200 kPa，未观察二次峰。3.3 用SWRC模型量化水力响应：通过Fredlund和Xing（1994）（FX1994）与van Genuchten（1980）（vG1980）拟合干燥分支，FX1994更优，决定系数R²约0.975–0.982、均方根误差（RMSE）0.0056–0.0144；vG1980的R²约0.948–0.966、RMSE 0.0075–0.0222；制备路径影响大于荷载，OH-100持水最高，SH-60失水最快，SH-80居中。3.4 顺序水化对干缩影响：通过三循环干湿收缩，最大收缩在Cycle-1；相对OH-100，最大Cycle-1收缩SH-80降低约56.6%、SH-60降低约63.7%；SH-80在收缩缓解与持水间较平衡。3.4.1 干缩：通过累积长度变化和干缩应变，OH-100的Cycle-1最大，SH处理显著较低；单调趋势表明较低初始CMC带来更大收缩缓解。3.4.2 OH与SH样品干缩速率比较：通过前10天区间干缩速率，OH-100的Cycle-1最高，最大日收缩率约为Cycle 2和3的5–7倍；SH-80和SH-60降幅约4倍和2倍，表明分级水化减少早期水分梯度和毛细应力。3.5 微观结构与化学解释：通过SEM/EDX，SH-80的Al和Si信号较高、A–S–H较多；SH-60富Ca相更多；干缩后SH-80的Al超过4倍、Si近4倍，SH-60的Ca比OH-100高54%、比SH-80高36%；水化产物分布和孔喉细化支持水力与收缩行为。3.5.1 化学分析：通过EDX元素分布，Si、Al、Ca为主；SH-80可能A–S–H比例高，SH-60水化硅酸钙（C–S–H；calcium–silicate–hydrate）凝胶体积更大；水化产物充填和孔喉细化解释低收缩和高滞回。3.5.2 Si/Ca和Si/Al比值对SWRC和干缩的影响：通过EDX摩尔比，Si/Ca近1.0关联更致密低孔结构，较高Si/Al促进更致密水化网络；比值作为相对水化化学指标，不单独控制，SH-80低收缩归因于水化产物分布、孔喉细化和水分传输限制的综合。3.6 实际应用指导：通过实验室结果，SH-80较有利；OMC为11 %时SH-80初始约8.8%、二阶段水约2.2%干土质量，SH-60初始约6.6%、需约4.4%；二阶段应均匀施水，3–7天窗口后及时覆盖保护层，并需现场试验校准。

讨论总结：讨论强调SH改变早期水化水可用时点，孔喉细化、水化产物分布和水分传输改变共同影响持水、滞回、应力敏感性和干缩；SH-80取得收缩缓解与水力稳定的较好平衡，但需及时覆盖保护，且二阶段水量应按目标OMC与施工前实测含水率之差计算并均匀施用，现场时机需依温度、湿度、风、水泥含量和水分损失校准。研究结论翻译：1. 开发了可在实验室实施SH的新饱和腔，可研究不同尺寸样品，监测温湿度和体积变化（仅矩形棱柱）。2. SH显著改变CSS水力行为；SH-80零应力AEV最高，100 kPa下保持较高AEV，表明孔结构演化而非孔隙比单独控制持水和滞回变化。3. SH降低早龄干缩；相对OH-100，最大Cycle-1收缩SH-80降低约56.6%、SH-60降低约63.7%，表明改变水化序列可限制关键早养护期水分损失诱导变形。4. SWRC模型证实SH改变水力行为；FX1994比vG1980更准确描述测试CSS的SWRC；制备路径显著影响持水，外载改变但不消除差异，支持在评估持水、收缩敏感性和长期性能时考虑SH。5. 微观化学支持水力观察；Si、Ca、Al水化产物变化提示水化产物化学和孔网络演化差异；SH处理性能改善归因于水化产物分布、孔喉细化和水分传输改变的综合。6. 实际SH是收缩缓解的水分管理策略；对该材料，约80 % OMC压实后延迟补水在收缩降低和水力性能间最有利，为现场指南提供基础；未来应优化SH日程、水分输送系统和不同气候耐久性，现场实施类似3–7天窗口，最佳时机取决于温度、湿度和水泥含量，并需大规模试验校准。