温湿条件下塑性改良固化红黏土的力学性能、胀缩性及抗裂机理

《Applied Clay Science》：Mechanical properties, swelling-shrinkage, and crack resistance mechanisms of plasticity-improved solidified red clay under thermo-hygro conditions

　　

摘要

湿热地区的红粘土（Rc）在温度波动和干湿交替条件下容易发生胀缩变形和裂缝扩展，导致工程性能劣化。因此，本研究通过正交试验优化了活化金尾矿（AGt）、聚脲（PU）和聚丙烯纤维（PPF）协同改性红粘土的配合比，制备了塑性改良固化红粘土（PsRc）。通过力学性能测试、胀缩变形测试、抗裂性能测试和微观结构分析，研究了PsRc在湿热条件下的力学性能、胀缩比和裂缝演化特征，并阐明了其协同抗裂机理。结果表明，PsRc的最优配合比为AGt 6%、PU 12%和PPF 0.4%。与5%水泥改性红粘土（CG）相比，PsRc的无侧限抗压强度和抗拉强度分别提高了29.9%和232.3%。PsRc的压缩应力-应变曲线包括压密阶段、应变硬化阶段和 ductile 变形阶段，应变硬化结束时轴向应变达到29.84%。PsRc的整体胀缩幅度仅为CG和Rc的36.4%和17.6%。在干湿交替条件下，PsRc仅产生细密的非贯穿表面裂缝，且全过程表面裂缝率始终低于1.1%。在湿热环境下，PsRc表现出层间水阻隔、微尺度能量耗散和界面修复的协同抗裂机理，抑制了伊利石/蒙脱石混层矿物的亲水性。本研究为湿热地区设计高韧性、抗裂红粘土材料提供了理论依据。

引言

中国南方湿热地区的气候环境具有高温、降雨充沛、干湿交替频繁的特点。红粘土在这些地区广泛分布，具有含水量高、塑性高和孔隙比大的特征（Ma等，2024a；Gao等，2021）。受膨胀性粘土矿物和微观结构特征的影响，红粘土对湿热变化高度敏感，这些变化调控水分迁移和应力演化，导致周期性胀缩行为和裂缝萌生与扩展（Jalal等，2020）。裂缝的萌生和扩展不仅直接削弱土体的整体力学性能，还为水分快速渗入提供了通道，从而加速岩土材料的劣化，导致一系列工程灾害，如路基不均匀沉降、边坡失稳和路面开裂，严重威胁公路服务性能和交通安全（Azzam，2014）。在全球范围内，土壤开裂每年造成巨大的经济损失（Bittencourt Batista等，2023）。因此，在温度变化和湿度波动条件下，有效调控红粘土的胀缩变形并抑制裂缝的萌生和扩展，已成为湿热地区红粘土路基工程设计和安全运行中必须紧急解决的关键科学问题。

目前，已有多种方法被证明可以有效改善膨胀土的工程行为，如化学稳定剂处理、水分控制、土工合成材料包裹和生物改良等（Zeng等，2025；Liu等，2021）。其中，经水泥和石灰等传统化学稳定剂稳定后，膨胀土的剪切强度可提高24.6%–40%（Li等，2026）。然而，水泥和石灰的生产会产生大量二氧化碳排放（Bu等，2024）。为促进环境可持续性，利用固废开发低碳胶凝材料已成为稳定膨胀土的重要替代方案。在各种固废中，尾矿因其堆存量巨大、占用土地多和潜在环境风险而成为资源化的重要目标（Li等，2025）。特别是金尾矿富含SiO?和Al?O?等活性成分，经机械、化学或热激活后，可形成具有潜在胶凝性的地质聚合物材料，从而在一定程度上提高土的强度和稳定性（Bazarbekova等，2026）。然而，单一尾矿基胶凝体系在改性过程中仍存在明显局限性，如抗拉强度不足，甚至容易出现干缩开裂，这在湿热循环条件下尤为突出。

先前的研究报道了黄麻、椰棕和玉米须等天然纤维在提高岩土材料抗拉强度方面的有效性（Syed等，2020；Liu等，2024；Paul等，2025）。例如，Syed和GuhaRay（2021）使用经联合化学处理的麻纤维，成功提高了膨胀土的抗拉抗裂性能和剪切强度。然而，天然纤维在长期服役过程中易受生物降解，可能导致其增强性能随时间逐渐下降（Anggraini等，2016）。相比之下，合成纤维以其优异的抗生物降解性能和长期耐久性而闻名。Narani等（2019）发现，废旧轮胎纺织纤维可以有效减少高塑性土的干缩开裂。这些发现表明，天然纤维和合成纤维都能显著抑制裂缝的形成（Tiwari和Satyam，2021）。然而，经过反复干湿循环后，单一纤维改性膨胀土防止裂缝扩展的有效性逐渐降低（Sooraj Sudhakaran等，2018）。这主要是由于在干湿循环过程中，水分仍能逐渐渗透纤维-土界面，使膨胀土中的亲水性粘土矿物继续发生水化膨胀，最终导致约束薄弱区域出现新的应力集中和裂缝扩展。

为了解决这一问题，一些研究人员从抑制问题土体的亲水特性出发，开发了相应的疏水改性材料（Kolay和Dhakal，2019；Xia等，2023）。Zha等（2025）使用疏水材料偏硅酸钠增强了碳质泥岩边坡土体的抗崩解和抗裂性能。然而，虽然单独疏水改性可以限制水分进入，但其对强度提高和变形协调的贡献仍然有限。在此基础上，一些研究进一步尝试使用多种材料进行多组分协同改性，以在强度、韧性和体积稳定性之间实现平衡。这种协同策略在湿热环境中尤为吸引人，因为仅靠机械增强不足以防止水分引起的损伤。然而，对于不同改性组分在限制水分迁移、调控应力演化和耗散变形能量方面的协同机理，目前仍缺乏系统性认识（Yao等，2026）。综上所述，现有的岩土材料缓解胀缩和开裂的方法主要可分为三类：化学稳定剂、纤维增强和疏水/成膜改性。理论上，将这三类材料的优势相结合可以形成互补的协同体系，为多组分改性提供了一种极具前景的解决方案。特别是对于活化金尾矿、聚脲和聚丙烯纤维这一特定组合，目前很少有报道从湿热条件下水分迁移、应力重分布和裂缝演化之间相互作用的角度，系统阐明改性红粘土的协同抗裂机理。

基于此，本研究采用正交试验开发了一种由活化金尾矿、聚脲和聚丙烯纤维多组分改性红粘土形成的塑性改良固化红粘土（PsRc）。通过一系列无侧限抗压强度测试、单轴拉伸测试、胀缩变形测试、抗裂性能测试和微观结构测试，分析了不同温湿度条件下PsRc的无侧限抗压强度（UCS）、抗拉强度（TS）和胀缩比。此外，研究了PsRc在干湿交替条件下的抗裂性能，并阐明了其协同抗裂机理。本研究的发现为湿热环境下路基和边坡工程提供了一种兼具力学强度、抗拉韧性和环境适应性的有前景的红粘土改性策略。

材料与方法

试验材料

本研究使用的红粘土采自中国湖南省某公路边坡。按照相关标准进行了岩土工程测试，基本物理性能和粒径分布曲线分别如图1（a）和表1所示。采用X射线衍射（XRD）分析定向粘土试样来表征红粘土的粘土矿物成分。主要步骤如下：（1）采用……

正交试验设计

采用L25(53)正交试验研究活化金尾矿（因素A）、聚脲（因素B）和聚丙烯纤维（因素C）含量对材料压缩和拉伸性能的影响。随后采用加权双指标评价法确定最优配合比。每个因素设定五个水平（表4），各材料的含量以总固体质量的百分比表示。

正交试验结果

图3给出了各正交试验组无侧限抗压强度（UCS）和抗拉强度（TS）的结果。如图3（a）所示，活化金尾矿（AGt）的加入显著提高了PsRc的UCS。例如，在二元组中，含有AGt的组（S6–S13）的UCS值明显高于不含AGt的组（S2–S5）。图3（b）显示，当聚丙烯纤维（PPF）含量超过0.6%时，其对……

PsRc的协同抗裂机理

图10示意性地展示了PsRc在湿热耦合条件下的协同抗裂机理。由于Rc中粘土矿物表面富含亲水性羟基（–OH），水分子可以很容易被吸附在孔隙体系中。同时，带负电的矿物表面与孔隙溶液中的阳离子之间的相互作用，在局部层间区域形成了结合水膜和扩散双电层（图10(a)）（……

结论

本研究开发了一种由活化金尾矿、聚脲和聚丙烯纤维多组分改性红粘土形成的塑性改良固化红粘土。在考虑胀缩变形影响的基础上，研究了PsRc在湿热条件下的力学性能和抗裂机理。主要结论如下：

（1）PsRc的最优配合比确定为AGt 6%、PU 12%和PPF 0.4%。与……

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号：52078066和52278439）、湖南省科技创新计划资助（2025AQ2015）、湖南省科技创新计划项目（2023RC3138）、交通运输行业重点科技项目（2022-MS1-032）、湖南省科技创新计划项目（2023JJ30035）以及湖南省科技厅……的资助。

李金红 | 邱湘 | 付宏远 | 黄将滨 | 范晓明 | 陈景辰

长沙理工大学交通运输学院，中国湖南省长沙市 410114