《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Experimental investigation and binary medium modeling on strain-softening response of OPC-RM-PG stabilized clay
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水泥稳定黏土的显著应变软化行为，尤其是其随辅助胶凝材料掺入的演变规律，目前仍认识不足。本研究通过一系列等向固结不排水（CIU）三轴试验，对采用普通硅酸盐水泥（OPC）、赤泥（RM）和磷石膏（PG）稳定的疏浚黏土进行了研究。研究人员在不同水灰比、工业废渣胶凝材料
水泥稳定黏土的显著应变软化行为，尤其是其随辅助胶凝材料掺入的演变规律，目前仍认识不足。本研究通过一系列等向固结不排水（CIU）三轴试验，对采用普通硅酸盐水泥（OPC）、赤泥（RM）和磷石膏（PG）稳定的疏浚黏土进行了研究。研究人员在不同水灰比、工业废渣胶凝材料（IWB）掺量和固结压力条件下，评价了稳定黏土的应变软化响应。通过扫描电子显微镜（SEM）和压汞法（MIP）试验，探究了微观结构演变。结果表明，脆性指数随水灰比降低和RM掺量增加而增大。这一增强主要归因于更完全的火山灰反应和更显著的胶结结构。随着固结压力增大，脆性先急剧下降，随后在较高压力下趋于平缓。压缩过程中，稳定黏土中同时存在胶结损伤和二次胶结形成。此外，研究人员应用二元介质理论解释其内在机制。分析表明，应变软化响应的演变取决于OPC-RM-PG稳定黏土中胶结单元与摩擦单元的协同作用。RM的掺入促进了C-S-H生成，增加了胶结单元的比例；相反，PG促进钙矾石生成，其主要作为孔隙填充材料，增加了摩擦单元的比例，从而导致向应变硬化行为的转变。
**论文解读：OPC-RM-PG稳定黏土应变软化响应研究**
疏浚黏土是河流湖泊清淤及航道维护产生的大量废弃物，具有高含水率（通常为液限的1~3倍）、高孔隙比、高压缩性和低剪切强度等特点，难以直接作为工程填土使用。水泥基固化因施工快捷、强度提升可靠而被广泛采用，但水泥生产能耗高、碳排放量大，因此利用工业废渣部分替代水泥成为重要发展方向。然而，水泥稳定黏土在荷载作用下常表现出明显的应变软化，即峰值后强度显著降低，可能诱发结构失稳甚至滑坡。以往研究多关注水泥稳定黏土的强度与变形，但对其应变软化行为，尤其是掺入工业废渣后宏微观耦合演变机制的认识仍十分有限。为此，研究人员选用普通硅酸盐水泥（OPC）、赤泥（RM）和磷石膏（PG）协同稳定疏浚黏土，通过宏观力学试验与微观表征相结合，系统研究了水灰比、工业废渣比例和固结压力对应变软化特性的影响，并引入二元介质理论定量解释其机理。该研究成果发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》，对于理解工业废渣稳定黏土的破坏机制和保障填方工程安全具有重要意义。
研究人员采用室内试验与理论建模相结合的方法。首先，利用等向固结不排水（CIU）三轴试验，对来自中国连云港的疏浚黏土与普通硅酸盐水泥（OPC）、赤泥（RM，取自山东滨州）和磷石膏（PG，取自江苏南京）制备的试样进行不同水灰比、工业废渣比例和固结压力下的剪切试验，获取应力-应变曲线和脆性指数。其次，采用扫描电子显微镜（SEM）和压汞法（MIP）表征不同条件下试样的微观形貌和孔隙结构。最后，基于二元介质理论，将稳定黏土抽象为胶结单元和摩擦单元的组合，建立应力-应变模拟方程，并用威布尔分布函数描述损伤演化。
**研究结果**
**3.1 工业废渣（IWB）比例的影响**
通过改变RM与PG配比（如R0P0、R10P0、R5P5、R0P10）的CIU试验发现，掺入10% RM使脆性指数几乎翻倍，而用PG替代RM后脆性指数持续下降，高PG比例时脆性指数接近零。SEM观察显示，RM通过碱性激发促进火山灰反应，生成更多C-S-H凝胶，增强颗粒间胶结；而PG生成针状钙矾石（AFt），虽填充部分孔隙，但其膨胀作用导致大孔隙和微裂缝，削弱胶结结构，从而使应变软化减弱。
**3.2 水灰比的影响**
通过不同水灰比（5~17.5）的CIU试验和SEM分析发现，水灰比增大时，脆性指数显著下降，在17.5时降至零，表现为应变硬化。低水灰比下，水泥水化产物（C-S-H和AFt）相互交织形成致密网络；高水灰比下，水泥含量相对减少、初始孔隙增多，水化产物仅包裹在土颗粒表面，未能形成连续胶结骨架，因而软化特性消失。
**3.3 固结压力的影响**
通过不同固结压力（100~1200 kPa）的CIU试验、SEM和MIP分析发现，脆性指数随固结压力增加先急剧下降，随后在较高压力下趋于平缓（约0.2）。初始下降归因于固结引起的胶结损伤；而较高压力下脆性指数保持非零，表明存在“二次胶结”效应。MIP结果显示，压力从0升至400 kPa时，大于2.5 μm的孔隙比例由8.9%降至3.3%；升至800 kPa时，该比例大幅增至25.8%，对应结构屈服和胶结破坏；继续升至1200 kPa时，该比例回落至21.7%，而0.2~1 μm孔隙比例回升至50.0%，表明孔隙重新致密化，支持二次胶结形成。
**讨论与机制分析**
二元介质理论模拟表明，稳定黏土的总应力可分解为胶结单元和摩擦单元的贡献。胶结单元在小应变下承担主要应力，达到峰值后快速软化；摩擦单元随应变增大逐渐承担更多荷载，补偿胶结单元的应力损失。损伤指数B随轴向应变从0增至1，威布尔分布函数能较好描述其演化。RM的掺入提高了胶结单元比例和弹性模量，加快了损伤速率，从而增强应变软化；PG则通过生成孔隙填充型钙矾石增加摩擦单元比例，降低损伤速率，使材料响应向应变硬化转变。
**结论**
（1）水泥稳定疏浚黏土的应变软化行为受配合比和固结压力显著控制。脆性指数随水灰比降低和RM含量增加而增大，随PG含量增加而减小。（2）固结压力的增加先使脆性急剧降低，随后在高压力下趋于平缓，反映从渐进胶结损伤向二次胶结形成的过渡。胶结损伤与二次胶结效应在固结过程中共存。（3）二元介质理论通过将总应力分解为胶结和摩擦贡献，有效表征了OPC-RM-PG稳定黏土的应力-应变响应。应变软化程度由胶结单元与摩擦单元之间的协同作用决定。（4）RM掺入促进火山灰反应和C-S-H凝胶生成，增加胶结单元比例，强化应变软化；PG则促进钙矾石生成，主要起孔隙填充作用并增加摩擦单元比例，导致向应变硬化行为转变。
