在国际空间站（ISS）环境下，对使用石灰-粉煤灰稳定处理的盐渍土壤的抗冻融性能进行无损评估

《Journal of Cleaner Production》：Non-destructive evaluation of freeze-thaw performance in ISS-lime-fly ash stabilized saline soils

盐渍土在冻融循环中易导致基础设施损坏，本研究通过离子土壤稳定剂（ISS）、石灰和粉煤灰复合加固，显著提升盐渍土冻融耐久性。采用弹性波（S波、P波）检测、时域反射（TDR）和扫描电镜（SEM）等非破坏性测试方法，系统分析加固后土壤的力学性能、水分含量及微观结构演变规律。结果表明ISS的引入有效抑制冻融过程中水分迁移，促进胶凝反应和团粒结构形成，经20次冻融循环后，加固土的剪切模量达1055-1325MPa，杨氏模量达2973-3644MPa，较传统石灰-粉煤灰加固体系提升约18%-25%。该研究为寒区低碳建材开发提供了理论支撑与实践指导。

　　在当今全球气候变化和环境问题日益严峻的背景下，建筑行业的碳排放控制已成为研究的重点之一。特别是在寒冷地区，土壤的冻融循环特性对基础设施的稳定性构成了严重威胁。传统水泥基材料虽然在土壤稳定方面具有良好的性能，但其高能耗和高碳排放的特性限制了其在可持续发展中的应用。因此，探索更为环保的土壤稳定方法，成为当前研究的热点。本研究旨在通过结合离子型土壤稳定剂（ISS）、石灰和粉煤灰，开发一种能够有效提升盐渍土壤冻融耐久性的可持续稳定技术，为寒冷地区的基础设施建设提供新的解决方案。

盐渍土壤在冻融循环过程中容易发生结构破坏，主要表现为冻胀、沉降和水分迁移等问题。这些问题不仅会影响道路、桥梁等工程的使用寿命，还可能导致维护成本的大幅增加。尤其是在寒冷地区，土壤在冻结过程中，水分会形成冰晶并占据更多的体积，从而引发土壤颗粒之间的分离和结构破坏。而解冻后，冰晶融化，土壤结构可能无法恢复，进一步削弱其承载能力。因此，提升盐渍土壤的冻融耐久性，对于改善基础设施的稳定性具有重要意义。

为了应对这一挑战，本研究引入了一种新型的土壤稳定材料——离子型土壤稳定剂（ISS）。ISS作为一种非传统化学添加剂，具有显著的环境优势。相比传统的石灰和水泥，ISS的使用可以大幅减少碳排放和能源消耗。例如，将12吨的石灰替换为5加仑的ISS浓缩剂，可减少超过15吨的二氧化碳排放，并节省相当于2000千瓦时的能源（RoadbondInc., 2010）。这一特性使得ISS成为可持续土壤稳定技术的重要组成部分。

在实验室研究中，ISS被用于改善土壤的物理和化学性质。通过改变土壤颗粒表面的性质，ISS能够降低其对水分的吸附能力，从而减少水分在土壤中的存在。这种减少水分的特性有助于降低土壤在冻结过程中的膨胀性，进而减少冻融循环对土壤结构的破坏。此外，ISS还能促进土壤颗粒之间的物理结合，提高土壤的整体强度和稳定性。例如，当ISS与水泥和活性炭结合使用时，能够显著增强土壤的密实度，同时减少污染物的迁移（Ma et al., 2018）。这些优势使得ISS在土壤稳定领域展现出广阔的应用前景。

然而，ISS在不同类型的土壤中表现并不完全一致。在红黏土中，ISS稳定后的土壤在经历冻融循环后表现出比未处理土壤更高的强度（X. Wang et al., 2022）。但在膨胀性土壤中，ISS处理后的土壤在剪切强度方面可能不如未处理土壤（Wang et al., 2018）。这表明，ISS的稳定效果可能受到土壤类型和成分的影响。因此，为了更好地发挥ISS的稳定作用，有必要结合其他传统稳定材料，如石灰和粉煤灰，以实现更优的稳定效果。

本研究采用了ISS、石灰和粉煤灰的组合，以提升盐渍土壤的冻融耐久性。通过一系列非破坏性测试方法，包括弹性波速测量（S波和P波）、时域反射法（TDR）用于体积含水量分析，以及扫描电子显微镜（SEM）用于微观结构观察，评估了土壤稳定的效果。这些测试方法能够在不破坏土壤样本的情况下，实时监测其在冻融循环过程中的物理和力学变化。弹性波速测量是一种有效的手段，能够反映土壤在不同状态下的结构完整性。通过测量S波和P波的速度变化，可以评估土壤在冻结和解冻状态下的机械性能。结果显示，ISS-石灰-粉煤灰处理后的土壤在经历20次冻融循环后，表现出更高的剪切模量和小应变杨氏模量，分别达到1055至1325 MPa和2973至3644 MPa。这表明，该稳定技术能够有效提高土壤的强度和耐久性。

此外，本研究还结合了微观结构分析，以揭示ISS-石灰-粉煤灰稳定土壤在冻融循环中的损伤和自修复机制。通过扫描电子显微镜，可以观察到土壤颗粒之间的结合情况，以及ISS对土壤结构的影响。研究发现，ISS的加入不仅促进了土壤颗粒的聚集，还增强了土壤的水泥化结合，从而提高了其抗冻性能。同时，ISS能够降低土壤在冻结状态下的含水量敏感性，使其在经历冻融循环后仍能保持较高的强度和稳定性。

在实验室测试中，传统的破坏性测试方法往往需要为每个冻融阶段准备新的样本，这不仅增加了材料消耗，还对环境造成了较大的影响。而非破坏性测试方法则能够在不破坏样本的前提下，提供连续和动态的数据，从而更全面地反映土壤在冻融循环中的行为。例如，bender元件、压电盘元件和时域反射法（TDR）等技术，可以用于实时监测土壤在冻融过程中的剪切波（S波）速度、压缩波（P波）速度以及体积含水量的变化。这些数据对于理解土壤在冻融循环中的动态行为至关重要，也为优化稳定技术提供了科学依据。

本研究还探讨了ISS与其他传统稳定材料（如石灰和粉煤灰）的协同效应。通过将ISS与石灰和粉煤灰结合使用，能够进一步增强土壤的稳定性能。例如，Jia等人（2024）发现，ISS与石灰和粉煤灰的结合能够促进水泥化反应，同时减少吸附水层的厚度，从而提升土壤的冻融耐久性。Yan等人（2024a）的研究也表明，ISS的加入显著改善了石灰-粉煤灰稳定盐渍土壤在冻结条件下的机械性能。这些研究成果为ISS在寒冷地区的应用提供了有力的支持。

然而，尽管ISS在土壤稳定方面表现出良好的性能，其与传统稳定材料在盐渍土壤中的协同作用仍需进一步研究。特别是在寒冷地区的冻融循环条件下，ISS-石灰-粉煤灰稳定土壤的性能表现、微观结构变化以及自修复能力，仍然是一个需要深入探讨的问题。本研究通过结合非破坏性测试和微观结构分析，系统地评估了ISS-石灰-粉煤灰稳定土壤在冻融循环中的行为，为后续研究提供了重要的数据支持。

在实际应用中，土壤稳定技术的选择不仅需要考虑其力学性能，还应综合评估其环境影响。传统稳定材料如石灰和水泥的使用虽然能够有效提升土壤的强度和稳定性，但其高能耗和高碳排放的特性使得其在可持续发展方面存在局限。相比之下，ISS作为一种新型稳定材料，具有更低的环境影响，能够减少碳排放和能源消耗，从而支持绿色建筑的发展。此外，ISS的使用还可以减少对工业原材料的依赖，降低施工成本，提高工程的经济性和环保性。

本研究的成果表明，ISS-石灰-粉煤灰稳定技术能够显著提升盐渍土壤的冻融耐久性，为寒冷地区的基础设施建设提供了一种低碳、可持续的解决方案。通过非破坏性测试和微观结构分析，研究人员能够更准确地评估土壤在冻融循环中的性能变化，从而优化稳定技术的应用。此外，本研究还揭示了ISS在改善土壤结构和减少水分吸附方面的关键作用，为未来在不同土壤类型和环境条件下的应用提供了理论基础。

在实际工程中，土壤稳定技术的实施需要考虑多种因素，包括土壤的物理和化学性质、环境条件以及施工要求。因此，未来的研究应进一步探讨ISS-石灰-粉煤灰稳定技术在不同土壤类型和气候条件下的适用性，以及其在实际工程中的表现。同时，还需要关注ISS的长期稳定性和环境安全性，以确保其在实际应用中的可靠性和可持续性。

综上所述，本研究通过结合ISS、石灰和粉煤灰，开发了一种能够有效提升盐渍土壤冻融耐久性的可持续稳定技术。通过非破坏性测试和微观结构分析，研究人员揭示了该技术在改善土壤结构、增强力学性能和减少环境影响方面的优势。这些发现不仅为寒冷地区的基础设施建设提供了新的思路，也为推动绿色建筑和可持续发展提供了重要的科学支持。未来的研究应进一步拓展该技术的应用范围，探索其在不同土壤类型和工程场景中的潜力，以实现更广泛的环境和经济效益。