《Journal of Hazardous Materials Advances》：Lime Stabilization of Expansive Subgrade Soils with Secondary Additives: A Critical Review and Numerical Modelling Perspectives
膨胀性路基土因其高塑性、低承载能力以及显著的胀缩特性，对路面性能构成持续性挑战。本关键性综述综合了有/无辅助添加剂条件下膨胀性土石灰稳定化的研究成果，并将讨论拓展至基于有限元的路面响应评估。依据PRISMA 2020框架，研究人员从主要科学数据库中系统筛选相关文献，以评估石灰单独处理及石灰-添加剂复合体系涉及的物理化学机理、工程性能、可持续性以及数值建模意义。综述结果表明，石灰处理通过阳离子交换和火山灰反应有效降低塑性和膨胀性，而工业副产物通常可增强强度与耐久性。农业废弃物提供了可持续替代方案，化学添加剂可改善早期性能和抗湿性，纤维则主要提升延性和抗裂性。代表性数值分析表明，路基刚度增加可降低沥青层拉应力和路基竖向位移，同时改变压应力与剪应力分布。在所考虑的稳定化体系中，石灰-水泥、石灰-粉煤灰-水泥及石灰-地聚物体系普遍表现出较优的路面响应。然而，上述结论基于文献所取的材料参数，应在数值模型所采用的假定范围内进行解读。总体而言，本综述强调了可持续石灰基稳定化方法的潜力，并指出了将试验研究与耦合水-力数值建模相结合的未来研究方向。
1. 引言
膨胀性土因其含水量变化时显著的体积变化行为，是岩土与路面工程中最具问题性的地质材料之一。大量研究致力于采用工业副产物、胶凝添加剂、纤维加筋及地聚物基稳定化技术改善其工程性能。膨胀性土的胀缩特性主要与高活性黏土矿物（尤其是蒙脱石）的存在有关，此类矿物具有巨大比表面积和较弱层间键合，易于吸水并进行阳离子交换。润湿时水分子渗入黏土层引起膨胀，干燥时则产生收缩和干缩裂缝。反复干湿循环逐渐劣化土体结构并产生差异性地面位移，对交通基础设施和浅基础的性能与适用性产生不利影响。
膨胀性土对路面系统危害尤为显著，路基是主要承载层。过大的膨胀压力和低承载能力常导致车辙、纵向裂缝、差异隆起、疲劳开裂和路面起伏等病害。膨胀性土造成的经济损失巨大，仅美国每年修复与维护费用就超过150亿美元。因此，改善膨胀性路基的工程性能是可持续路面基础设施发展的重大挑战。
为减轻膨胀性土的不利行为，已采用多种地基处理方法，包括力学稳定、换填、加筋和化学稳定技术。其中，化学稳定因能改变土的物理化学特性并提升长期工程性能，已成为最有效且经济的解决方案之一。石灰稳定因其成本低、来源广且在降低塑性和膨胀势（SP）同时提高强度与刚度方面效果显著，被广泛用于路面和基础工程。其稳定机理包括即时阳离子交换和絮凝-团聚反应，以及随后生成水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-A-H）等胶凝化合物的长期火山灰反应。
尽管石灰处理效果显著，但近年环境和工程方面的关注推动了辅助添加剂的掺入。常规钙基稳定剂的生产能耗高且排放大量温室气体；硫酸盐含量高的土经石灰处理后可能产生过量钙矾石，导致不利隆起和耐久性问题。因此，研究者探索了将工业副产物、农业废弃物、纳米材料、纤维及地聚物基添加剂与石灰联合使用，以提高稳定效率并降低环境影响。
尽管文献中已有大量试验研究，但多数集中于稳定土宏微观性能表征，而较少关注先进数值建模以理解其对路面结构响应的影响。现有综述通常侧重材料层面改良，如塑性降低、无侧限抗压强度（UCS）、加州承载比（CBR）、膨胀抑制及稳定机理，而较少将上述性能集成至路面尺度响应评估。然而，在实际路面工程中，评估应力分布、变形响应和荷载传递机制对理解交通荷载下路面性能至关重要。
近期有限元建模（FEM）和计算岩土力学进展为评估稳定路基特性变化如何影响关键路面响应提供了框架，包括沥青层拉应力、路基内压应力与剪应力，以及路基竖向位移。与此同时，低碳胶凝材料、工业副产物及其他替代材料的可持续稳定化日益受到重视。然而，将材料尺度稳定行为与路面尺度数值响应相结合，仍存在明确研究空白。
因此，本关键性综述旨在从试验与数值建模双重视角，全面评估有/无辅助添加剂条件下膨胀性路基土的石灰稳定化。综述系统考察石灰稳定的物理化学机理、辅助添加剂在改善工程与可持续性能方面的作用，以及数值模拟获得的稳定路基特性对路面结构响应的影响。与以往综述不同，本研究将工程性能、微观结构表征（SEM/XRD）与基于有限元的路面响应相结合，以提供对石灰稳定膨胀性土行为的全面认识。
1.1 文献检索策略与研究筛选
本综述遵循系统综述和荟萃分析优先报告条目（PRISMA 2020）指南，以确保文献筛选过程透明系统。研究从Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar中检索，采用布尔运算符组合关键词。纳入标准为英文同行评审出版物，研究石灰稳定膨胀性土（含或不含辅助添加剂），并采用试验、数值或两者结合的方法，且与路面路基相关。经标题和摘要筛选及全文合格性评估后，最终纳入105篇研究。
2. 膨胀性土的岩土特性
膨胀性土是体积随含水量变化显著的问题性地质材料，其行为主要与高活性黏土矿物特别是蒙脱石有关。润湿时水分子进入扩散双电层引起膨胀并降低抗剪强度；干燥时失水导致收缩和干缩裂缝，反复干湿循环加剧不稳定。在路面系统中，膨胀性路基的循环胀缩产生过大差异位移，导致车辙、纵向裂缝、边缘破坏、路面波浪和疲劳损伤等严重病害。收缩裂缝为雨水入渗提供优先通道，加速水分进入路基、降低刚度并增加孔隙水压力，引起浅层边坡失稳和路面过早劣化。
工程行为常用液限（LL）、塑限（PL）和塑性指数（PI）等指标评价。其中PI被广泛认为是膨胀势和体积不稳定的最可靠指标之一。PI超过35%的土通常归类为高膨胀性土，尤其易受湿度诱导变形和结构破坏。强度与承载能力通过UCS、CBR、自由膨胀指数（FSI）和膨胀压力等参数评估。未经处理的膨胀性土通常UCS和浸水CBR值低，浸水CBR低于3%被认为不足以支撑交通荷载。高活性膨胀性土的膨胀压力可超过250 kPa，造成差异隆起、结构变形和重大基础设施损坏。
3. 石灰作为稳定剂
石灰是最古老且应用最广泛的化学稳定剂之一。通常以生石灰（CaO）或消石灰（Ca(OH)
2）形式使用。生石灰通过石灰石高温煅烧生产，反应活性高，适用于湿软或高塑性土；消石灰则是生石灰水化产物。石灰稳定效率主要取决于其化学组成和可利用钙离子含量。钙质石灰因钙可利用性和溶解度更高，通常表现优于白云质石灰。生石灰比表面积更高、水化放热更强，可快速降低含水率并改善湿膨胀土和易性。
石灰稳定机理包括短期改性反应和长期火山灰反应。添加石灰后，钙离子立即置换黏土表面的钠、钾等较弱可交换阳离子，压缩扩散双电层并增强颗粒间吸引力，导致黏土颗粒絮凝和团聚，土体从分散高塑结构转变为更颗粒化、易碎材料。长期火山灰反应中，石灰溶解的羟基离子使孔隙水pH值超过12.4，促进黏土矿物中硅和铝溶解，与钙离子反应生成水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-A-H）凝胶，随时间结晶形成刚性互锁基质，提高刚度、抗剪强度、承载能力和抗湿变形能力。
然而，石灰稳定仍存在局限性：石灰生产能耗高且排放温室气体；硫酸盐土可能产生有害钙矾石和过度隆起。这推动了粉煤灰、稻壳灰、地聚物粘结剂、纤维和纳米材料等辅助添加剂的研究。
4. 石灰对膨胀性土工程行为的影响
4.1 对指标性质的影响
石灰处理显著改变膨胀性土的稠度和塑性特性。研究表明添加石灰通常降低液限（LL）并大幅提高塑限（PL），导致塑性指数（PI）显著降低。高膨胀性蒙脱石土经石灰处理后PI降幅常超过50%。改善主要归因于阳离子交换和絮凝-团聚反应。例如，Anaokar和Mhaiskar报告用5%石灰处理后PI从63%降至23%；Balcha等观察到用20%石灰稳定后PI从39%降至16%。
4.2 对强度特性的影响
无侧限抗压强度（UCS）是评价石灰稳定效果的最可靠指标之一。石灰处理将弱变形黏土转化为更坚硬胶结材料。强度提升主要受石灰剂量、养护时间、黏土矿物学和火山灰反应进程控制。大多数研究表明UCS随石灰含量增加至最佳石灰含量（OLC），超过后强度增长趋于平缓甚至下降。强度发展具有显著时间依赖性。Bhuvaneshwari等观察到未经处理膨胀黏土UCS约200 kPa，经6%石灰和28天养护后增至2300 kPa；Saride等报告现场芯样强度提升超过1300%。
4.3 对路基性能（CBR）的影响
加州承载比（CBR）是路面工程评价路基强度和贯入阻力的关键参数。未处理膨胀土浸水CBR值通常很低。石灰稳定通过降低塑性、促进胶凝产物形成显著提高CBR性能。浸水CBR值随养护时间增加而提高，归因于持续火山灰反应和土体基质逐渐硬化。例如Balcha等报告CBR从1.27%增至9.72%（10%石灰）；Nagesh等报告从0.73%增至49.2%（6%石灰）。
4.4 对膨胀特性的影响
石灰稳定的主要目标之一是抑制膨胀土的膨胀行为和体积不稳定。阳离子交换减少扩散双电层厚度并限制吸水能力，火山灰反应生成C-S-H和C-A-H凝胶将土颗粒结合成刚性抗水基质，限制进一步膨胀。许多研究在最佳石灰剂量下观察到膨胀降至可忽略水平。例如Al-Mukhtar等报告膨胀压力从1060 kPa降至33 kPa（6%石灰），降幅约96.8%；Bourokba Mrabent等观察到膨胀和压力降低约65-77%。
5. 石灰与辅助添加剂
5.1 石灰与工业副产物
石灰单独应用存在长期强度发展缓慢、硫酸盐诱发隆起风险高以及石灰生产碳密集导致的环境影响等局限。因此，近年来研究日益关注石灰与粉煤灰（FA）、磨细高炉矿渣（GGBS）、硅粉（SF）和磷石膏（PG）等工业副产物联合使用。这些材料富含活性硅和铝，可加速火山灰反应并改善长期性能。
粉煤灰来源广泛且具有强火山灰潜力。低钙F级粉煤灰自胶结性有限，但与石灰联合时，石灰激活产生的高碱环境促进粉煤灰中无定形硅铝快速溶解，形成C-S-H和C-A-H凝胶，显著增强强度和刚度，同时降低塑性和膨胀敏感性。GGBS钙、硅、铝含量高，具有更大潜在水硬活性，促进微结构致密化和长期耐久性。石灰-GGBS共混物能抑制硫酸盐土中钙矾石形成，降低体积不稳定。硅粉（SF）粒径极细、比表面积高，物理上作为微填料致密化基质，化学上其丰富无定形硅加速火山灰反应。磷石膏（PG）可作为早期火山灰反应催化剂，显著提高早期强度发展，但需注意过量硫酸盐可能促进钙矾石形成。
二元体系的协同效应在于工业副产物提供丰富易得的无定形硅铝酸盐相，在高碱环境中快速反应，加速C-S-H和C-A-H凝胶沉淀，逐渐将土体转变为致密刚性胶结框架。研究表明二元体系通常优于石灰单独处理。Indiramma等报告掺入粉煤灰使28天养护UCS从765 kPa增至936.8 kPa；Pashabavandpouri等报告在最佳石灰-GGBS配比下强度较未处理土提升超8倍。
5.2 石灰与农业废弃物
可持续岩土工程和循环经济原则推动了稻壳灰（RHA）、甘蔗渣灰（BA/SBA）和蛋壳粉（ESP）等农业废弃物在膨胀性土稳定中的应用。这些废弃物富含活性硅、铝或钙化合物，是合适的火山灰或富钙添加剂。
稻壳灰无定形硅含量高、比表面积大。受控燃烧产生的富硅灰在石灰激活下快速参与火山灰反应，生成大量C-S-H凝胶。Choobbasti等证明添加RHA提高了最大干密度并显著增强CBR。Karatai等使用石灰-RHA共混物观察到塑性指数降低90%、CBR提升近800%。甘蔗渣灰无定形硅含量高，与石灰组合显著加速胶凝化合物形成。Vengala等报告石灰-蔗渣灰混合物UCS提升约300%-400%。蛋壳粉碳酸钙含量高，可作为补充钙源部分替代商业石灰。Harikaran等报告蛋壳粉与石灰组合显著提高UCS和CBR，同时降低膨胀率。
5.3 石灰与化学添加剂
传统石灰处理存在脆性后处理行为、早期强度发展缓慢以及深部土层稳定困难等局限。合成聚合物和化学盐等化学添加剂可提供补充物理化学机制。聚丙烯酰胺（PAM）等聚合物通过形成长链分子网络包覆和桥接絮凝土颗粒，增强颗粒结合、减少裂缝扩展并改善抗变形能力，同时降低水力传导率。Salih和Shafiqu报告3%石灰与5% PAM组合将CBR提高至27%，自由膨胀降低约94.5%。
氯化钙（CaCl
2）和硅酸钠（Na
2SiO
3）等化学盐也展现潜力。石灰沉淀技术（LPT）通过将氯化钙和氢氧化钠溶液依次渗入土体，在孔隙网络中诱导水合石灰原位沉淀，随后引发阳离子交换和火山灰反应。Thyagaraj等报告LPT方法获得UCS介于619至895 kPa，同时消除膨胀势。硅酸钠提供高溶解性活性硅源，显著加速C-S-H凝胶形成。Dharini等报告经10%石灰和10%硅酸钠处理仅3天养护，UCS即从11.3 kPa增至170.7 kPa。
5.4 石灰与纤维
石灰稳定土因形成刚性胶结基质常表现出脆性行为，增加干缩裂缝、突发峰后破坏和拉裂损伤敏感性。纤维加筋将稳定土转变为复合材料：石灰提供胶结和刚度，纤维提供拉伸加筋、阻裂和能量吸收能力。
天然纤维中椰壳纤维因低成本、可再生、可生物降解和较高抗拉强度而受关注。其高木质素含量提高潮湿环境耐久性。Anggraini等报告石灰和椰壳纤维稳定后有效内摩擦角从未处理土约25°增至近40°，黏聚力从约5 kPa增至近40 kPa。然而，Goutham和Krishnaiah报告长期养护导致天然纤维在高碱性石灰环境中降解，引起强度逐渐降低。
聚丙烯纤维（PPF）具有高抗拉强度、疏水性和优异化学稳定性，可在高碱性环境中保持长期稳定。PPF随机分散形成三维加筋网络，增强应力传递并限制裂缝扩展。火山灰反应生成的胶凝产物附着于纤维表面，改善纤维与土颗粒间的界面粘结。加筋主要机理为桥接效应：随机分布纤维横穿发展中的裂缝面，在加载时调动拉伸抗力，限制裂缝起裂和扩展。Cai等证明增加聚丙烯纤维长度显著降低膨胀和收缩应变，UCS从石灰处理土的约0.38 MPa进一步增至添加纤维后的近0.88 MPa。纤维加筋将脆性破坏转变为更延性行为，提高峰后变形能力和抗弯性能。
5.5 石灰与辅助添加剂的性能比较
辅助添加剂的加入使石灰稳定效果超越单独使用石灰，但各添加剂类别效果因目标需求而异。工业副产物通常表现出最高的整体强度和承载能力提升，归因于强火山灰活性和致密胶结基质形成。粉煤灰和矿渣体系在强度和膨胀抑制方面实现最大综合改善，同时减少所需石灰含量。硅粉体系因超细粒径和高反应活性展现出优异早期强度增强。
农业废弃物添加剂产生的强度提升通常略低于高活性工业副产物，但提供显著可持续性和经济效益。化学添加剂主要通过电化学改性和加速反应动力学发挥作用，在降低膨胀压力、改善水分敏感性和早期强度方面特别有效，但长期UCS增强相对较低。纤维加筋体系主要贡献是力学性的，虽在塑性和膨胀抑制方面改善较少，但显著提高延性、抗拉、阻裂和峰后变形性能。
从机理角度，添加剂可分为三类：火山灰添加剂（粉煤灰、GGBS、硅粉、农业灰烬）通过形成额外胶凝产物增强强度；化学添加剂通过改性物理化学相互作用和加速反应动力学改善稳定效果；纤维加筋通过机械桥接增强延性和抗裂性。研究间比较需考虑土体矿物学、最佳掺量、养护期等差异。选择合适体系应基于场地特定土体特性、工程要求、环境考量和长期性能。
6. 微观结构与矿物学分析
扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）技术为稳定过程中土体基质内物理化学转化提供直接证据。SEM图像显示未处理土呈分散片状形态，具有片状黏土颗粒、连通孔隙和弱颗粒结合；石灰处理土则呈现显著更致密结构，孔隙减少，颗粒聚集，胶凝凝胶包覆土颗粒。石灰-粉煤灰处理土的SEM图像进一步证实致密胶凝产物形成和蒙脱石片晶逐渐消失。XRD图谱显示未处理膨胀土呈现蒙脱石等膨胀性黏土矿物强衍射峰；稳定后蒙脱石峰强度因高碱条件下部分溶解而显著降低，同时出现C-S-H和方解石等胶凝化合物新衍射峰。SEM与XRD综合证据表明石灰稳定从根本上传变膨胀性土的微观结构和矿物学特性，从松散分散黏土结构转变为含稳定火山灰反应产物的致密胶结基质。
7. 数值建模视角
7.1 有限元建模
为评估石灰稳定及石灰-辅助添加剂体系对路面结构性能的影响，利用ABAQUS/Standard建立了二维有限元（FE）模型，模拟交通荷载作用下柔性路面系统应力-应变响应。模型为三层柔性路面：0.10 m沥青混凝土面层、0.15 m粒料基层和延伸至1.8 m深度的路基。总宽度4 m以减小人为边界效应。采用标准单轴单胎（SAST）荷载配置，轮胎中心距1.8 m，胎压700 kPa，单轮荷载40 kN，等效接触半径0.135 m、直径0.27 m。二维平面应变模型中以宽0.27 m的均匀分布条带荷载表示圆形接触面积。采用四节点双线性平面应变缩减积分单元（CPE4R），沥青层网格尺寸约0.01 m，基层0.035 m，路基0.055 m。网格收敛性研究确认M4网格最大竖向位移与更细M5网格差异仅0.032%。层间假定完全绑定，底部边界水平竖直均约束，侧向仅约束水平。该模型限于静载下短期力学响应，未模拟水分变化、基质吸力、干湿循环及胀缩行为。
7.2 材料建模
沥青混凝土和粒料基层采用均质各向同性线弹性模型，未处理和稳定膨胀性路基采用摩尔-库仑本构模型。各稳定体系材料参数取自文献报道的代表性数值。需注意各参数组来自不同研究，涉及不同土体、稳定剂掺量和养护条件，并非严格等效，结果解读为相同建模条件下文献参数范围对路面响应的影响比较评估。
7.3 数值模型验证与基准比较
为评估有限元框架可靠性，针对Khodary等发表的柔性路面结果进行独立基准分析。该研究评价了多层柔性路面并对比KENLAYER结果。Khodary等使用ABAQUS和KENLAYER报告最大位移分别为0.66 mm和0.60 mm。当前二维ABAQUS模型预测最大表面位移0.71 mm，与已发表结果差异约7.58%和18.33%。合理一致性支持所采用框架再现柔性路面竖向位移响应的能力，差异部分归因于参考研究采用三维路面表示而当前采用二维平面应变等效条带荷载。
7.4 稳定路基体系的数值结果
有限元分析表明稳定化改善了路面结构响应。未处理路基沥青层最大拉应力约2.02 MPa，所有稳定体系均降低。其中石灰-水泥体系（S+L+C）拉应力最低约1.24 MPa，其次为石灰-粉煤灰-水泥（S+L+FA+C）和石灰-地聚物（S+L+GP）体系。未处理土因低刚度呈现更弥散应力分布，稳定体系在荷载区下方产生更集中结构化应力模式。石灰-水泥体系最大竖向压应力258.44 kPa，较未处理土增加79.43%。
未处理路基竖向位移最大约5.29 mm，所有稳定体系均大幅降低。石灰-水泥体系位移降幅约78.55%，石灰-粉煤灰-水泥和石灰-地聚物体系降幅约72.62%，稻壳灰和天然纤维体系降幅约26%。未处理土最大剪应力18.62 kPa为最低值，稳定体系均产生更高剪应力。石灰-水泥体系峰值剪应力65.89 kPa最高。需强调这些结果反映所选文献参数输入，不应被视为适用于所有膨胀性土和稳定条件的普遍排序。位移降低和沥青层拉应力减小是评价路面性能的主要指标；较高的压应力和剪应力代表改性后荷载传递和应力集中效应，而非性能改进。
8. 结论
基于综述文献和数值分析得出主要结论：石灰稳定通过物理化学改性和火山灰反应降低塑性、膨胀势和水分敏感性，同时提高强度和刚度。工业副产物因火山灰活性和基质致密化通常表现出有利的强度、耐久性和膨胀抑制改善，但性能取决于土体特性、掺量和养护条件。农业废弃物和化学添加剂提供可持续且经济有效的替代方案，特别在改善抗膨胀性和早期强度方面。纤维加筋体系主要增强延性、抗裂性和峰后变形行为，减轻石灰处理土常见脆性响应。SEM和XRD分析一致表明石灰稳定通过形成C-S-H和C-A-H胶凝产物将分散结构转变为致密胶结基质。基于代表性参数，稳定路基普遍降低沥青层拉应力和路基竖向位移，同时改变路面系统内应力分布；石灰-水泥、石灰-粉煤灰-水泥和石灰-地聚物体系表现出较优路面响应，但这些结论不应视为普遍排序。
9. 研究空白与未来方向
现有研究主要基于实验室，长期现场研究有限。混合石灰-辅助添加剂体系在循环干湿、冻融、硫酸盐侵蚀和重复交通荷载下的长期行为尚不充分。未来数值研究应开发耦合水-力有限元模型，模拟水分变化、基质吸力、胀缩循环和时间相关火山灰反应。需要采用标准化土类、稳定剂掺量、养护期和试验程序的系统比较研究，并将SEM、XRD等微观表征与数值建模相结合，以理解物理化学转化与路面性能间关系。应开展长期现场研究和生命周期评估，验证室内与数值结果，并优化利用当地可用工业及农业废弃物材料的可持续稳定体系选择。
