干湿循环下改良全风化红层泥岩的溶蚀-崩解特性与微观结构演化

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Dissolution-disintegration characteristics and microstructural evolution of improved fully weathered red-bed mudstone under drying-wetting cycles

　　

全风化红层泥岩（WRM）在干湿（D-W）循环作用下易发生溶蚀、体积膨胀与收缩，常诱发地质灾害。本研究探索采用钢渣粉（SSP）、脱硫石膏粉（DGP）和硫酸钙晶须（CSW）对WRM进行改良，并通过干湿循环崩解试验，结合灰色关联分析与分形理论，研究了在氢氧化钠（NaOH，NH）、碳酸钠（Na₂CO₃，NC）和硅酸钠（Na₂SiO₃，NS）作用下改良WRM的溶蚀崩解行为与孔隙结构演化。结果表明：干湿循环通过胶结物的渐进溶蚀改变WRM的孔隙结构，降低黏聚力并驱动孔洞与微裂隙扩展。适量激发剂与SSP、CSW、DGP协同作用可有效提升WRM的抗崩解性。经5次循环后，掺入2.5%和5%激发剂的NH+SSP、NS+SSP和NH+CSW试样未完全崩解；随激发剂掺量增加，NH+SSP和NH+SSP+CSW试样几乎不发生崩解，其孔隙率分别降低47.92%和45.02%，孔径分布向小孔径方向偏移。离子交换与水化作用驱动的双电层厚度减小促进了胶凝化合物的形成。通过微观参数与崩解抗力之间的相关分析确定，孔隙率对WRM崩解抗力的影响最为显著。研究结果对认识泥岩地区地质灾害机理及推进工程防护策略具有重要的理论意义。

全风化红层泥岩（WRM）是一种在中国南方及众多亚热带地区广泛分布的高膨胀性黏土，由碳酸盐岩、玄武岩等岩石在湿热条件下经溶蚀风化作用形成，具有高膨胀性和高压缩性，易软化崩解。降水持续侵蚀会消耗土体骨架中的胶结氧化物，降低抗拉强度，触发浅层滑坡和泥石流。尤其在干湿（D-W）交替频繁地区，泥岩崩解及其对边坡稳定性的影响已成为紧迫问题。干湿循环中的干燥作用在土体表面产生拉应力，诱发内部开裂，裂隙改善颗粒连通性从而改变土的力学行为；强降雨期间孔隙水压力升高进一步加剧边坡失稳。已有研究关注土体软化的内在机理，如胶结作用对土体宏观力学响应与微观结构特征的控制、初始含水率与循环环境条件对红土应变模式的影响、干燥温度对黏土性质的影响以及 rainwater入渗与地表径流侵蚀对WRM边坡失稳的协同效应等。WRM的结构特性，尤其是松散孔隙和水溶性胶结氧化物的存在，加速了土体溶蚀崩解，其孔径与分布等微观结构特征为水分和溶质运移提供通道，进一步影响干湿循环下土体稳定性。尽管对土壤孔隙率及其控制因素已有广泛研究，但微观特征与宏观力学性质之间的明确关联仍探讨不足，建立微观结构变化与宏观崩解抗力之间的联系对提高循环干湿环境下土体耐久性至关重要。在改良方面，研究人员 increasingly 采用化学方法，石灰、水泥、地质聚合物和粉煤灰等材料已被探索用于稳定土体，但传统稳定剂的碳足迹和资源强度促使人们寻求更可持续的替代方案，钢渣、石膏等工业副产品因此受到关注。在碱性环境中，钢渣粉（SSP）和石膏释放离子参与黏土表面离子交换和火山灰反应，生成水化硅酸钙（C-S-H）、水化铝酸钙（C-A-H）和水化硅铝酸钙（C-(A)-S-H）等胶凝凝胶，填充孔隙并形成更坚固致密的基质；脱硫石膏粉（DGP）和硫酸钙晶须（CSW）也可作为胶结材料提高土体力学强度和耐久性。然而，关于SSP、DGP和CSW改良WRM的水力-力学性质研究仍有限，这些材料与黏土颗粒之间的催化机理和相互作用尚未深入探讨。因此，本研究通过对比分析SSP、DGP和CSW的加固机理及其与WRM在干湿循环中的相互作用，揭示其协同效应；采用NaOH、Na₂CO₃和Na₂SiO₃作为激发剂，评估SSP、CSW和DGP对循环湿热条件下WRM崩解行为和微观结构演化的影响，并研究微观特征与改良WRM崩解抗力性能之间的关系。研究成果为岩土加固工作提供重要技术支撑。

试验材料方面，WRM样品取自中国昆明市一在建工地，呈棕红色，主要由高岭石、赤铁矿、石英、蒙脱石和绿泥石组成，其中高岭石含量最高（58.2%），绿泥石最低（3.2%）。SSP为灰黑色颗粒，平均粒径约50 μm，比表面积约430 m²/kg，富含钙、硅、铁；DGP为淡黄色粉末，比表面积770 m²/kg；CSW主要由CaSO₄组成，为白色纤维状固体，相对密度2.61 g/cm³，单斜晶系结构。NH为白色颗粒状物质，强碱性，溶于水释放大量热；NS溶液为无色透明液体，固含量43.5%，模数2.3，pH值10–13；NC为白色粉末，易溶于水。碱性条件触发SSP、DGP和CSW释放Ca²⁺、Al³⁺等离子，驱动水化和与表面结合Na⁺、K⁺的交换机制，从根本上改变黏土颗粒化学性质。样品制备时，原状WRM先在105 °C±2 °C恒温烘箱中脱水48 h，研磨过2 mm筛；将SSP、DGP、CSW先与干土预混均匀，再加入蒸馏水和激发剂溶液进一步拌合，静置使水分充分渗透，最后在涂有凡士林的钢模中静压成型，20 °C±3 °C室温养护3 d后进行干湿循环崩解试验，共制备56个试样。

研究方法方面，采用定制试验装置实时监测崩解过程动态特征，将一次干湿循环严格定义为从浸水崩解到完全干燥的完整过程，利用计算机和高速摄像机同步获取的原始数据定量计算崩解量、崩解速率和崩解抗力指数，比较不同改良剂、激发剂和干湿循环次数对崩解特性的影响。试验装置设置中，向崩解筒注入适量蒸馏水并置于20 cm×20 cm×40 cm机械升降平台上，底部排水阀紧闭，筒正上方架设支撑架，样品篮通过尼龙绳悬挂于超高灵敏度数显拉力计上，严格校准拉力计垂直度和篮体水中水平度，高速摄像机置于装置前方连续记录崩解演化。设备校准与数据采集中，空篮悬挂并调零以消除自重影响，放入干样后启动采集系统，以0.1 s采样间隔实时记录拉力数据，读数恒定不再波动时判定完全崩解或达到稳定崩解状态。干湿循环控制过程中，调整升降平台使样品完全浸没，初始浸水时间设为600 s，浸水试验后取出剩余样品置于75 °C±2 °C恒温烘箱24 h至恒重，立即转入真空干燥器冷却至室温，再进行下一轮测试，重复浸水-崩解-干燥过程直至完成5次完整干湿循环。试验原理与数据转换中，样品浸水时竖向力学状态受拉力（T）、浮力（F）、自重（G）及土体内部气体逸出扰动共同作用，忽略气体逸出微小影响，基于连续三力平衡原理建立理论计算模型，通过力学转换精确推导样品实际崩解量。基于三力平衡分析，按公式计算实际崩解指标，包括崩解量、实时崩解速率、吸水增量、平均崩解速率和崩解抗力指数。SEM测试选取15个典型样品，65 °C烘干24 h后取芯制备10 mm×10 mm×3 mm块样，表面喷金10 min，在500×、1000×、5000×和10000×四种放大倍数下每样品四个区域成像，利用PCAS软件二值化提取孔隙几何数据，采用分形维数、孔隙形状因子和概率熵进行定量评估，并运用灰色关联理论分析土体结构与崩解特性的相关性。XRD测试将样品研磨成细粉（每样最少150 mg），65 °C烘干2 h，以Cu-Kα辐射源在40 kV、200 mA、波长1.54059 ?条件下采集5°至90°的2θ范围数据，扫描速度10°/min，采样间隔0.02°，每步停留0.12 s，衍射峰经41次迭代拟合收敛。MIP测试将样品精密切削成直径和高度均为10 mm的圆柱体，浸入–150 °C液氮后真空干燥24 h以脱水并保持内部结构，置于压汞仪中逐级增加进汞压力，依据Washburn方程确定孔径体积分布，量化孔径分布（PSD）曲线、总进汞体积和中值孔径，分析干湿循环对土体微观结构的影响，孔隙直径与进汞压力关系由公式定义，进汞孔隙率由公式确定，孔径密度函数由累积进汞数据推导。

研究结果方面，干湿循环下WRM溶蚀致灾机理分析表明，红层泥岩在干湿交替和降雨侵蚀频繁环境中极易发生滑坡、崩塌和路基沉降等地质灾害。降雨作为溶蚀关键驱动力，大气降水入渗深层土体过程中溶解大量二氧化碳和二氧化硫形成弱酸性溶液，与地层中可溶性盐发生化学反应，促进泥岩颗粒的水流运移和溶解，扩大溶蚀空间并显著增强土体溶蚀能力，即酸性环境提高WRM崩解性。溶蚀本质是化学溶解与物理侵蚀相结合的过程，导致岩体孔隙率增加和结构松散；以泥岩中碳酸钙为例，溶解后岩体内形成裂隙和洞穴，直接造成微观结构损伤并降低抗压抗拉强度。溶蚀主要发生在WRM粒间和粒内孔隙，这些微小变化逐渐累积导致岩体孔隙率进一步增加、结构更松散，并沿裂隙和节理发展，最终形成复杂溶蚀裂隙网络。反复干湿循环下黏土矿物膨胀收缩，微裂纹逐渐扩展贯通，最终形成宏观裂隙，促进泥岩内部连通孔隙系统形成，加剧胶结物损失；胶结弱化进一步促进复杂溶蚀裂隙网络发育，不仅为地下水储存提供空间，还增强其运移。WRM溶蚀致灾机理受可溶性矿物类型与含量、温度、湿度和干湿循环频率等因素共同影响：可溶性矿物含量越高越易溶蚀；温度和湿度升高加速溶蚀；干湿循环越频繁泥岩损伤累积越快，触发更严重崩解。该机理表现为：长期干燥环境中土体水分蒸发，泥岩内部脱水收缩开裂，当胶结物表面黏聚力不足以抵抗颗粒间张力（吸力）时产生裂缝；长期降雨侵蚀下泥岩中可溶性矿物（如黏土颗粒、胶结氧化物等盐类）逐渐被水溶解，颗粒间水膜增厚，颗粒胶结减弱；溶解矿物可能在孔隙或泥岩颗粒表面再沉淀，但该过程往往不均匀，导致泥岩结构内集中应力发育，促进微裂纹和孔隙形成，这些微小结构变化在重力或外力作用下易触发滑坡或崩塌等地质灾害。

激发剂+SSP改良红层泥岩崩解规律研究表明，未处理样品浸水后迅速崩解成泥并完全分散，185 s内崩解率达100%。SSP掺量3%、5%和7%时样品约300 s完全崩解，崩解曲线呈线性增长，表明低掺量SSP水化产物未能有效包裹胶结土颗粒。SSP掺量增至15%、18%和20%时，样品前200 s仅轻微崩解，水相对清澈，表明处于吸水阶段；600 s时崩解率分别达91.2%、89.7%和84.8%，虽有大碎块脱落并逐渐形成泥质沉积物，但内部结构已完全破坏；第一次干湿循环后这些样品再次浸水迅速完全崩解溶解。进一步分析表明，SSP掺量低于15%时完全崩解时间与掺量正相关，表明该范围内抗崩解性提高主要归因于样品密度变化；掺量超过15%时崩解抗力指数持续增加，表明水化产物开始形成但胶结效果有限。为区分SSP稳定机理中的"掺量效应"和"密度效应"，用等量原状WRM替代SSP进行对照试验，结果表明纯WRM的崩解量和崩解速率显著高于SSP稳定土，证实SSP主要通过改善微观结构而非仅增加样品密度来提高抗崩解性。激发剂掺量2.5%时，SSP改良WRM的抗崩解性在干湿循环下显著提高，所有激发体系（NC+SSP、NH+SSP和NS+SSP）均优于无添加剂对照组；NC+SSP和NH+SSP样品第3次干湿循环时完全破坏，NS+SSP样品第5次循环后仍保持结构完整。观察表明渐进循环干湿逐渐恶化土体内部结构，促进孔隙连通性增加。初始循环（0–200 s）样品达到水饱和且损失极小，但NC+SSP组崩解速率最高，600 s时累积损失79.4%；NH+SSP和NS+SSP样品该阶段累积速率较低，接近20%。值得注意的是，第2至第5次循环（尤其浸水前100 s）样品快速破坏，这是由于干燥阶段形成大量裂隙和松散片状表面形态，再水化时促进快速崩解。NH+SSP组崩解速度虽呈下降趋势，但总质量损失仍较高，第3次循环时通过阶梯式增量完全破坏；NC+SSP样品第3次循环前30 s内完全破坏，峰值崩解量28.9 g。激发剂浓度增至5%进一步增强稳定土抗崩解性，NH+SSP和NS+SSP组稳定性显著提高，5次干湿循环后仍部分完整；NC+SSP样品仍在第3次循环完全崩解，最大损失28.9 g，过程时间约100 s。随干湿循环次数增加，NH+SSP和NS+SSP处理土崩解率稳步下降，主要破坏发生在初始100 s内，表现为松散表面碎屑脱落而周围水保持清澈；NS+SSP改良土表现最稳固，5次循环后总崩解率仅23.8%；NH+SSP组前3次循环崩解率相对较高，样品破碎成块状，第3次循环后崩解显著减慢，最终累积速率66.8%。这些观察表明NH和NS激发剂作用下SSP水化增强，生成大量胶凝产物填充粒间孔隙并包裹土颗粒，形成致密稳定骨架结构。激发剂含量达7.5%时，干湿试验结果表明NS+SSP稳定土仅发生可忽略损伤，5次循环后仅出现轻微表面裂隙和沟槽，累积崩解率极小，为8.7%；NH+SSP改良土同样表现出优异耐久性，几乎无破坏迹象，仅有微小表面裂缝；NC+SSP样品5次循环后仍完全崩溃，大部分崩解发生在约100 s内，峰值质量损失26.7 g。这些发现表明7.5%掺量下NH和NS的存在显著增强SSP化学反应性，促进SSP与黏土矿物表面间离子交换和复杂化学作用，产生丰富胶结剂，特别是钙矾石和硅酸钙、铝酸钙水化物，通过有效连接土颗粒赋予稳定土显著更高的结构完整性和抗崩解性。

激发剂+石膏产物改良WRM崩解规律研究表明，基于DGP和CSW水化特性和矿物组成分析，系统研究了不同石膏粉含量对改良WRM崩解行为的影响。CSW掺量超过3%时崩解率显著降低，该阈值下改性泥岩结构耐久性明显增强；前100 s内样品同时发生水饱和和初始崩解，除底部轻微崩解外整体结构相对完整；1% CSW样品约200 s达到最大崩解量24.3 g；CSW含量增至9%时样品一次循环约580 s完全崩解，即使12%含量600 s内也仅达92.6%崩解率，干燥再浸水后迅速分散溶解于水。相比之下，DGP含量低于5%时样品快速崩解，水浊度明显增加，约400 s完成崩解，崩解率随时间线性增加，记录最大崩解量26.8 g；7%和9% DGP含量时改良泥岩抗崩解性较高，但几乎所有样品600 s内完全崩解。综合分析表明石膏粉含量7%时对WRM固化效果最显著，有效增强土体抗崩解性；但石膏粉含量进一步增加（9%和12%）时样品抗崩解性并未持续提高，主要由于石膏粉水化活性固有局限。据此本研究提出进一步探讨在石膏粉中添加碱性激发剂（NH、NC和NS）对提高WRM抗崩解性的影响，以克服石膏粉水化活性不足。不同激发剂+DGP方面，随NC含量增加，样品累积崩解率分别降至71.8%、50.4%和22.3%，整体表现出较强抗崩解性；7.5% NC时样品抗崩解性较2.5% NC样品提高68.94%；然而第二次浸水时所有样品400 s内完全崩解。进一步分析表明这与颗粒间胶结物溶解损失有关：第一次干湿循环后样品内部结构因水解反应损伤而松散，干燥后再遇水迅速软化崩解；2.5% NC样品最大崩解量25.8 g，表明NC激发剂对DGP改良土抗崩解性具有双重影响。NS含量2.5%或5.0%时样品第一次干湿循环中完全崩解，崩解率曲线呈线性增长，5% NS时最大崩解量23.8 g；7.5% NS样品第一次浸水崩解率较低，累积崩解率63.4%，崩解曲线相对平缓，但第二次浸水崩解率显著增加，约300 s达100%。随NH含量增加，样品抗崩解性逐渐提高，崩解率先快速增加后减缓；第一次浸水时2.5% NH样品最大崩解率72.3%，对应崩解量18.6 g，样品经一次环境循环后完全破坏；5% NH样品需2次干湿循环完全崩解，最大崩解量24.8 g；7.5% NH激发剂时样品第3次干湿循环后约400 s完全崩解。这些现象表明NH激发剂含量显著影响DGP改良WRM抗崩解性，较高NH激发剂含量显著增强DGP反应性，提高颗粒密度和颗粒间完整性。不同激发剂+CSW方面，随NS含量增加，CSW改良WRM崩解率和崩解量均降低；第一次浸水时7.5% NS改良WRM 600 s崩解率仅19.8%，整体崩解水平较低；2.5% NS样品崩解较高，试验结束时崩解率48.7%。随干湿循环次数增加，最显著结构破坏集中在初始100 s间隔内，数据表明最大崩解物质量峰值13.7 g；7.5% NS样品保持较低崩解率仅39.5%，2.5% NS样品崩解速率快，约530 s完全崩解；第2次循环时5% NS样品500 s内完全崩解，7.5% NS样品抗崩解性最佳，仅600 s时完全崩解。NC含量2.5%时CSW样品抗崩解性差，600 s时崩解率94.8%，浸水283 s时记录最大崩解量11.5 g；5%和7.5% NC含量样品抗崩解性较高，前者第一次循环结束时崩解率仅41.3%，后者22.6%。随干湿循环进展，初始100 s间隔内崩解速度线性增加，该趋势主要归因于浸水时土体内部骨架快速破坏；干燥后样品呈松散片状和颗粒状堆积；5% NC含量时样品第一次循环完全崩解，7.5% NC样品抗崩解性最佳，第2次循环约570 s才完全崩解。随NH含量增加，样品抗崩解性逐渐增强，尤其7.5% NH含量条件下样品5次干湿循环后仍保持部分未崩解状态；较高NH含量（5%和7.5%）样品抗崩解性优异，前2次循环几乎无崩解。值得注意的是，初始干湿循环中5%和7.5% NH含量样品几乎不崩解，2.5% NH样品崩解率较低为6.2%；随干湿循环进展，2.5%和5% NH样品累积质量损失和崩解率急剧增加，2.5% NH样品第2次循环600 s内完全崩解，5% NH样品第3次循环崩解率达78.8%，第4次循环450 s内完全崩解，7.5% NH样品此时开始出现显著退化，第5次循环崩解率攀升至28.1%，峰值质量损失12.6 g。这些结果表明随干湿循环进展，土颗粒间稳定结构逐渐恶化，整体崩解性能增强；但掺入高NH含量显著增强CSW对WRM固化效果，收紧土颗粒间胶结并延迟崩解发生。调整激发剂掺量显著提高CSW和DGP处理WRM抗崩解性，7.5% NH样品在多次干湿循环中抗崩解性最佳。石膏提供硫酸根离子与Al³⁺和Ca²⁺反应形成C-A-(S)-H凝胶；掺入NH促进石膏中Ca²⁺与土胶体表面吸附Na⁺间置换反应，生成不溶性化合物和胶结材料，这些产物通过颗粒填充、胶结和包裹等机制显著增强WRM结构稳定性，有效提高抗崩解性。

激发剂+SSP+CSW改良WRM崩解行为研究表明，最佳碱性激发下SSP和CSW均增强WRM抗崩解性；在此基础上进一步研究SSP和CSW复合增强效果，重点关注两种特定激发剂掺量（7.5%和10%）对15% SSP和7.5% CSW复合改性土样抗崩解性能的影响。初始浸水时SSP+CSW复合处理WRM样品质量损失21.3%，较单一添加剂处理土体稳定性显著提高；第2次干湿循环时样品约570 s才完全崩溃，表明抗崩解性提高49.7%。添加7.5%激发剂后，NH处理样品崩解可忽略，5次干湿循环后崩解抗力指数仍保持1；相比之下NC改性样品第4次浸水约480 s内完全破坏，观察表明随循环次数增加崩解速率加快，5次循环内结构完全破坏；NS样品前两次浸水无明显质量损失，但第3至第6次浸水阶段开始轻微破坏，崩解率约30%，虽5次干湿循环后未完全崩溃，但表面形态松散成片状结构，伴有大量裂隙和孔洞，表明内部结构显著损伤。进一步分析表明增加激发剂掺量显著增强SSP+CSW活性，促进更多胶凝物质形成包裹土颗粒，有效减缓干湿循环中吸水膨胀和干燥收缩开裂速率，减轻内部侵蚀损伤。10%激发剂掺量时NH样品无崩解，浸水时仅少量气泡逸出，表明样品完整性最佳；NS样品前两次浸水未崩解，但表面出现裂缝和膨胀，第3至第6次浸水胶凝材料逐渐损失，导致轻微表面崩解；相比之下NC对SSP+CSW激发有限，样品5次循环内完全崩解；虽水解产生的碳酸根离子可与SSP+CSW表面钙离子反应形成碳酸钙沉淀，但溶液中氢氧根离子不足，无法与黏土颗粒表面有效离子交换，导致胶凝材料较少，改良土在长期水侵蚀下仍易崩解。

讨论部分，干湿循环对改良WRM崩解抗力的影响方面，无激发剂时低掺量SSP样品主要依靠物理填充，因水硬性胶结能力不足，崩解率快速线性增加；SSP掺量超过15%时虽因水化产物形成抗崩解性提高，但600 s内仍近完全崩解，即使20%掺量也无法在单次干湿循环中存活。相比之下同等掺量CSW和DGP样品早期稳定性更优，仅5%掺量即通过物理增强和化学胶结协同效应显著提高抗崩解性；掺量高于7%时其增强效率明显优于同水平SSP，表明机理从简单密度驱动填充向物理增强与化学胶结协同演化根本转变。然而所有改良样品初始浸水600 s内均完全崩解。不同碱性激发剂下改良WRM崩解行为差异显著，较高浓度碱性激发剂逐步增强稳定WRM抗崩解性；激发剂掺量7.5%和10%时，7.5% NH+SSP+CSW、10% NH+SSP+CSW和7.5% NH+SSP处理样品崩解极小，表面仅出现少量微裂纹，崩解抗力指数均为1。反复干湿循环中稳定WRM因水化诱导膨胀和干燥诱导裂隙导致孔隙连通性增强，这些结构变化增厚颗粒间水膜，当内部胶结强度不足以抵抗膨胀力或重力荷载时改良WRM结构完整性受损导致崩解。低掺量2.5%时NS+SSP改良土5次干湿循环后累积崩解率92.4%，其他样品第3次浸水试验中均完全崩解；NS+DGP和NS+CSW样品甚至初始浸水阶段即完全失稳。激发剂掺量增至5%时NH+SSP、NS+SSP和NH+CSW样品累积崩解率分别降至63.5%、41.2%和100%，其他样品前5次循环内完全崩解。虽增加激发剂掺量总体提高改良土抗崩解性，但对NC激发石膏的影响未呈线性正相关。试验结果表明7.5%激发剂掺量时NH+SSP和NH+SSP+CSW样品抗崩解性最佳，累积崩解率0%，崩解抗力指数最高；相比之下NS+SSP、NS+SSP+CSW和NH+CSW样品崩解抗力指数分别为0.87、0.86和0.33。综上，适量碱性激发剂显著提高反复干湿循环下改良WRM稳定性，7.5%激发剂掺量时改性效果最佳，有效抑制崩解并增强改良土工程适用性。孔隙结构随干湿循环次数变化方面，0次干湿循环时未经历干湿循环样品孔隙率较低，孔径以中孔和微孔为主，部分样品含大孔；SSP、CSW和SSP+CSW改良土孔隙尺度特征受改性剂选择强烈影响。孔隙率方面原状WRM初始孔隙率达46.89%，掺入改性剂后孔隙率总体降低；激发剂作用下样品孔隙率呈现SSPCSW（3次循环）>SSP+CSW（5次循环）>SSP（5次循环）>SSP（3次循环）>SSP+CSW（3次循环）。相对于崩解前样品，改性WRM孔隙结构经3次和5次干湿循环后发生实质性重构，大孔（D>50 nm）数量增加，微孔（D<2 nm）逐渐扩展至中孔范围，表明干湿循环松散土体结构并增加大孔比例。试验结果表明稳定土抗崩解性根本上受孔隙率变化及其孔隙网络排列控制，较高孔隙率和较大孔径通过促进胶结损失、团聚体开裂和整体结构损伤降低土体水分作用下稳定性，从而削弱抗崩解性。

微观结构特征对土体崩解抗力的影响方面，改良WRM微观形态定性分析表明土体宏观力学行为根本上受内部微观结构排列控制。未处理天然WRM颗粒结构相对松散，孔隙较大，主要由于颗粒间胶结主要依靠黏土颗粒和游离氧化铁衍生的凝胶状物质，这些物质无法有效填充粒间孔隙或包裹黏土颗粒，导致天然土水稳定性差，浸水后立即强度损失和崩解。添加20% SSP后水化反应胶凝凝胶固化颗粒基质，有效减少整体孔隙体积，但样品中仍存在一些裂隙为水分入渗提供通道。进一步添加7.5%激发剂显著改善SSP改良WRM微观结构：NH激发下SSP改良WRM颗粒紧密结合，几乎无孔隙形成；相比之下NC激发下虽样品颗粒连接相对紧密，但仍存在一定数量中孔和小孔；NH激发下形成的致密结构是其5次干湿循环后仍不崩解的主要原因；相比之下NC激发下虽颗粒紧密结合，但样品中残余孔隙增加渗透性和吸水性，导致胶结快速损失，使土颗粒在反复干湿循环下易滑动和结构破坏。石膏改良土方面，不同激发剂作用下CSW和DGP改良WRM微观结构差异显著；无激发剂时CSW改良土中观察到大量未反应短棒状晶体结构，相互交错形成大空隙空间；添加7.5% NH后CSW样品主要呈现层状和絮状结构特征，颗粒密度显著增强，整体结构稳定性提高；相比之下DGP改良土中NH激发也促进颗粒紧密排列，但微观结构含大量微小孔隙，这些孔隙在干湿循环下易扩展发育最终形成连通孔隙；7.5% NS处理时DGP样品大小孔隙和裂隙分布相对均匀，但土体密度未显著提高，侵蚀条件下快速崩解。值得注意的是无激发剂CSW改良土中大孔结构减少，主要表现为小孔和中孔，土体结构变密实，因此抗崩解性优于DGP样品；相比之下NC+DGP样品抗崩解性无明显改善；但CSW改良土中添加7.5% NC显著改善微观结构，不仅孔隙数量显著减少，粒间孔隙被碳酸钙有效填充和包裹，形成更紧密均匀结构，显著增强土体整体性能包括渗透性和抗裂性，进一步验证NC+CSW样品第一次湿循环中表现出的良好抗崩解性。SSP+CSW复合改良土方面，CSW主要由半水石膏组成，通过生成钙矾石等水化产物显著增强SSP反应性；因此在SSP和CSW复合改良体系中土体孔隙和裂隙显著减少，主要以微小孔隙存在，土体密实度优于单独使用SSP或CSW；NH和NS等激发剂通过提供碱性环境或促进胶凝产物形成促进水化反应，帮助SSP和CSW更好参与水化反应；7.5% NH作用下SSP+CSW水化反应显著加速，生成丰富C-S-H和钙矾石（AFt）矿物有效结合黏土颗粒成连贯整体，改良土样密度显著增强，SEM图像中除少数微裂纹外几乎无可辨孔隙；SSP+CSW+7.5% NS体系水化胶结效应增加土颗粒间黏聚力，样品形成更复杂稳定内部结构，有效提高土体抗结构破坏能力。SSP+CSW+7.5% NC改良体系中NC添加显著改变土颗粒排列，形成致密絮状结构，不仅增加土体密度还增强颗粒相互作用进一步提高土体稳定性；值得注意的是NC作为碱性激发剂时可能与SSP和CSW反应形成碳酸盐产物，这些盐类干燥时可能结晶导致土体开裂，且其高水溶性可能引起淋滤，影响改良土水稳定性。综上NH、NC和NS三种激发剂在SSP和CSW复合改良WRM体系中发挥关键作用，调节土体孔隙分布、酸碱环境、表面性质和颗粒排列，形成不同微观结构增强土体抗崩解性；具体而言NH主要通过促进粒间胶结和优化孔隙分布改善结构性能，NC主要通过减少孔隙数量增强结构密度，NS侧重于提高均匀性和最小化孔隙结构。微观结构与土体崩解内在关系建立方面，WRM长期水侵蚀下发生显著膨胀变形，黏土矿物含量与膨胀性正相关，与孔隙率、孔径和分形维数负相关。基于微观形态证据将内部孔隙排列与样品整体崩解模式关联，利用PCAS软件提取微观参数分析区域孔隙率、概率熵、分形维数和形状因子变化。区域孔隙率定量反映SEM图像中观察到的孔隙和颗粒结构特征，孔隙率越高表明颗粒聚集体越少、孔隙网络越连通；原状WRM颗粒结构松散，孔隙率高达57.89%，对其快速崩解贡献显著；处理后WRM孔隙率显著降低，改良样品中SSP+NH和SSP+CSW+NH处理样品孔隙率最低（分别为8.57%和5.44%）；相比之下单独CSW（DGP）结合各种激发剂处理样品孔隙率较高，DGP+NS样品达37.59%；高孔隙率结构固有问题削弱土体宏观稳定性，增加其对侵蚀剂和环境扰动的敏感性。平均形状因子反映颗粒形态特征，颗粒越圆润形状因子越高；外部水压力下形状因子较高的颗粒易发生相对滑动，增强孔隙连通性降低土体稳定性；原状土（0.6306）和SSP及CSW（DGP）处理样品形状因子均高于0.5，浸水条件下更易崩解；相反其他改良样品形状因子低于0.5，SSP+NH和SSP+CSW+NH样品最低分别为0.2539和0.2159，较低形状因子表明这些样品颗粒形状更不规则，有助于增强抗崩解性。概率熵作为微孔空间排列和有序性指标，较低值表明孔隙分布更有序规则，通常对应更稳定结构；SSP+NS、SSP+NH、SSP+CSW+NS和SSP+CSW+NH改良样品概率熵均低于0.9，范围0.8626至0.59，表明孔隙分布相对均匀、颗粒排列更有序，可能有助于雨水侵蚀下更好稳定性；相比之下原状土和CSW（DGP）改良样品概率熵超过0.98，表明干湿循环下倾向于形成更多孔隙通道，可能增加渗透性降低土体稳定性，促进微观结构演化、增加渗透性并降低土体稳定性；具体而言概率熵高于0.98的原状土和CSW（DGP）处理样品在干湿循环下更易孔隙扩展和形成额外通道，从而增强土体渗透性，渗透性增加促进颗粒脱离和崩解，如孔隙连通性增强所观察到的。分形维数是分形理论中定量表征改性土孔隙网络结构复杂性和空间填充能力的关键指标；从分形几何角度看改性WRM孔隙网络具有特征性多尺度自相似性，分形维数作为内部空隙空间排列和结构复杂性的定量指标，较高分形维数表明孔隙系统更复杂不均匀，反映高度卷曲和分割结构有效阻碍内部渗流路径；值得注意的是SSP+NH和SSP+CSW+NH稳定改良土样孔隙率最低（主要由不连通微孔和小孔组成），分形维数最高分别达1.8689和1.9523；这些较高分形值表明化学固化过程有效将大连通空隙分割成复杂多尺度离散微孔网络，这种微观结构细化为此类改性土样优异抗崩解性提供坚实物理基础，因为分形复杂性增加增强抗水分入渗和结构软化能力。综上微观参数（包括区域孔隙率、形状因子、概率熵和分形维数）共同控制WRM宏观响应，这些因素突出增强土体基质稳定性并降低其水力-力学退化敏感性的深刻结构和形态改善。为进一步验证这些微观结构特征在预测宏观行为中的数学意义，采用灰色关联分析量化崩解抗力与关键微观参数间耦合关系；结果表明所有灰色关联系数均超过0.5，表明改性土微观结构与宏观耐久性间强相关；关联系数越高表明该参数对崩解过程影响越强；原状样品孔隙结构以孔隙率系数1为特征排列最松散，导致快速水分入渗和随后的土体崩溃；SSP+NH和SSP+NS改良土中灰色关联系数趋势一致，SSP+NH样品分形维数关联系数最高（0.738），孔隙率最低（0.5736），表明孔隙网络几何复杂性对该特定改良土抗崩解性影响最显著；各种激发剂结合DGP（CSW）改良土中所有关联系数均超过0.6，除CSW+NH样品（0.676）外，其他样品孔隙率和平均形状因子均超过0.7，表明这两个参数是稳定性的主要决定因素。激发剂加SSP和CSW处理样品中，SSP+CSW+NH样品孔隙率关联系数最低但分形维数最高（0.7508）；该组中关联重要性总体顺序为孔隙率<平均形状因子<概率熵<分形维数。广义而言分形维数增加反映孔隙均匀性降低和结构复杂性增加，从根本上改变改性土毛细吸力和水力稳定性；通过建立这些微观指标与宏观抗力间综合关系，得出总体影响层级为孔隙率>平均形状因子>概率熵>分形维数，该层级表明稳定WRM崩解主要受内部孔隙几何控制，因此构建更高分形维数的致密结构为最大化抗结构破坏能力和增强土-稳定剂体系长期可靠性提供可行途径。

改良水化产物与WRM微观机理方面，XRD观察到添加SSP、CSW、SSP+CSW及SSP和CSW与不同激发剂组合后矿物组成显著变化，这些矿物物质变化对改良WRM抗崩解性有关键影响。未改良WRM矿物组成主要为石英、高岭石、赤铁矿和蒙脱石；高岭石作为层状硅酸盐矿物具有优异胶结性能，可在土颗粒间形成稳定聚集体，从而显著增强黏聚力提高土体抗崩解性；蒙脱石具有强亲水性和低堆积密度特征，加剧其膨胀潜势并在饱和情况下导致明显流变变化。鉴于SSP和NS含一定量二氧化硅，掺入SSP和NS后石英含量分别增至27.2%和33.4%，蒙脱石含量显著降低；各种激发剂作用下样品中观察到少量（约5%）钠长石，水环境对钠长石致密晶格影响极小，有效抵抗水化诱导软化和膨胀；方解石出现在SSP+NH和SSP+NC样品中分别为4.1%和5.6%，可填充孔隙并在溶解时释放钙离子，这些钙离子促进与黏土颗粒离子交换形成更强胶结物有效增强土体密度和抗侵蚀性。掺入9% CSW时未检测到蒙脱石，可能由于取样偏差；同时高岭石、石英和赤铁矿稳定在51.2%、23.5%和12.9%；激发剂驱动下结构胶结剂形成依赖CSW积极参与化学过程，这解释其适度体积减少，该机理显著提高WRM抗崩解性；具体而言CSW+NC样品含1.7%菱铁矿和5.9%方解石，CSW+NH样品含7.3%方解石，这些矿物与针铁矿和三水铝石构成WRM复杂胶结体系，表明NH和NC有效催化离子交换、硅酸盐矿物转化和碳酸化反应，进一步增强WRM胶结性能。SSP和CSW复合使用时高岭石和石英含量较单独使用呈轻微下降趋势，可能由于添加剂用量增加时取样中黏土矿物相对减少；但复合改良样品中均存在石膏和方解石，且随激发剂添加石膏含量逐渐降低而方解石含量相应增加；值得注意的是SSP+CSW+NC样品中方解石含量升至13.1%，石膏含量降至5.9%，为该过程中发生显著化学反应和广泛离子交换提供有力证据。改良微观机理与崩解机理方面，由于高岭石和蒙脱石等层状硅酸盐普遍存在，WRM具有显著亲水性，导致大量膨胀和固结能力受限；黏土颗粒有序分布，粒间和聚集体水膜增厚，胶结物质逐渐溶解分散于水，从而增加孔隙率；此时粒间结合和吸力减弱，膨胀力逐渐增加；微观尺度吸附能大小主要受静电力支配，当粒间吸力和膨胀力达到一定极限平衡状态时发生软化和崩解。NH、NC和NS等化学刺激剂触发SSP、DGP和CSW形成胶凝凝胶，堵塞间隙并粘结黏土颗粒成稳定整体团簇；该多尺度多阶段协同反应过程涉及离子交换、水化反应、胶结、碳酸化和微观结构重构等多个维度。激发剂引入开始SSP中玻璃态硅氧和铝氧四面体结构碱性诱导降解，该碱性环境还增加DGP/CSW混合物中CaSO₄化学势，促进广泛离子释放包括Ca²⁺和硫酸根离子；随后溶解Ca²⁺与活性硅酸盐单体相互作用促进C-S-H胶结剂沉淀；所得凝胶相具有无序分子排列、高表面活性和独特纳米级孔隙层级特征，均有助于其有效胶结能力；掺入胶凝相有效封闭泥岩颗粒间通道，触发剪切和拉伸性能显著提高，同时延缓收缩诱导裂隙扩展。值得注意的是NS提供的硅酸根离子直接参与水化反应，缩短SSP中C₂S和C₃S水化诱导期，加速凝胶产物生成速率；同时活性铝酸盐与Ca²⁺反应形成水化铝酸钙和钙矾石。CSW作为高长径比（>50 nm）纤维材料随机分布在土基质中，形成"桥接锚固"结构，通过界面摩擦和机械互锁抑制裂纹萌生和扩展，从而增强土体抗拉强度和韧性；CSW还填充微观孔隙，特别是大于10 μm的连通孔隙，从而阻断水分迁移路径降低渗透系数。CSW提供硫酸根离子驱动的C-A-(S)-H凝胶形成引入高强度胶结剂，减轻CSH体系典型干燥开裂，从而增强抗崩解性。在更细观层面，用二价Mg²⁺和Ca²⁺替代一价阳离子（K⁺和Na⁺）中和颗粒电荷密度，该离子重排使水化壳变薄，增强黏土颗粒间吸引力，促进微碎屑结构发育；胶结物质编织穿过基质形成空间晶格，将泥岩结构转变为高度交联耐久架构，有效阻止崩解；同时黏土颗粒被约10–50 nm厚C-S-H层包裹，减少水分侵入路径，降低界面能，减轻温度和湿度变化诱导的收缩膨胀应力，从而增强土体抗崩解性。然而值得注意的是NC快速吸附和包裹SSP和CSW释放的钙离子形成AFt填充孔隙和裂隙，虽该过程显著增强土体抗压强度，但遇水易崩解，因为尚未形成足够胶结物质有效包裹土颗粒，且水分侵蚀下碳酸钙易部分水解，导致土颗粒在水中快速分散溶解。

结论部分，本研究采用定制试验装置分析干湿循环下SSP、DGP和CSW改良WRM的崩解行为，主要发现如下：（1）增加SSP含量显著提高抗崩解性，15%、18%和20% SSP时600 s崩解率分别为91.2%、89.7%和84.8%；添加碱激发剂尤其7.5% NS+SSP后崩解极小（5次干湿循环后8.7%），7.5% NH+SSP样品几乎不崩解，崩解抗力指数接近1。（2）低掺量CSW和DGP对抗崩解性影响极小，掺量增至9%时崩解持续时间逐渐延长，但所有样品600 s内完全崩解，即使12% CSW 600 s崩解率仍高达92.6%；碱激发显著提高抗崩解性，尤其7.5% NH+9% CSW样品5次干湿循环后崩解抗力指数保持0.33。（3）碱激发进一步分化SSP+CSW复合材料性能，基础SSP+CSW改良抗崩解性提高49.7%，但样品第二次浸水570 s时完全崩解；相比之下7.5% NH+SSP+CSW样品各循环后几乎完整，显著优于NC+SSP+CSW（第4次浸水480 s完全崩解）和NS+SSP+CSW（第3至第6次循环崩解率30%）；增加NH掺量证实其在确保长期抗崩解性方面优势。（4）原状WRM孔隙率最高（46.89%），改良后孔隙率显著降低，总体顺序为SSP>SSP+CSW>CSW，NH+SSP和NH+SSP+CSW样品分别降低47.92%和45.02%；3次和5次干湿循环后孔隙率顺序为CSW+NH（5次循环）>CSW+NH（3次循环）>SSP+CSW+NH（5次循环）>SSP+NH（5次循环）>SSP+NH（3次循环）>SSP+CSW+NH（3次循环）。（5）离子交换中和黏土颗粒表面负电荷，减小双电层厚度，增强颗粒间范德华力和静电引力，促进丰富水化产物形成填充孔隙改善胶结；孔隙率、形状因子和分形维数等微观参数与崩解抗力强相关，影响抗力的关键因素顺序为孔隙率>形状因子>概率熵>分形维数。