孔隙结构对生石灰稳定土壤的力学性能和微观结构特性的影响：一种多分析方法

《Soil Security》：Influence of pore structure on mechanical and microstructural properties of quicklime-stabilized soils: A multi-analytical approach

快石灰稳定土的力学特性与孔隙结构关系研究

　　
该研究系统探讨了快速石灰（生石灰）稳定土过程中关键参数对材料性能的影响机制，为工程实践提供了理论支撑。研究以湖南长沙某建筑工地采集的黏粒含量较高的粉质黏土为对象，通过实验室模拟与统计分析，揭示了水含量、生石灰掺量、干密度及养护时间之间的复杂相互作用关系。

研究首先明确了快速石灰稳定土的核心技术要求：原料需满足塑性指数＞10、有机质含量＜2%、颗粒级配通过75μm筛孔占比＞25%。实验采用正交设计方法，通过L9正交阵列控制水含量（5%-15%）、生石灰掺量（5%-15%）、干密度（1.4-1.6g/cm3）三个主要变量，结合SEM、BET比表面积分析及无侧限抗压强度试验，构建了多参数协同作用模型。

在微观结构分析方面，SEM图像显示不同处理条件下形成了差异化的胶凝产物网络。当生石灰掺量超过临界值（约7.5%）时，铝酸钙凝胶和钙矾石晶体开始形成，孔隙结构呈现多级分形特征。值得注意的是，即使低于初始最佳配比（ICL）的生石灰用量，仍能通过水化反应形成有效胶结物，这与传统认识存在差异。BET测试数据显示孔隙体积与抗压强度呈现显著负相关（r=0.936），表明孔隙结构的优化对强度提升具有决定性作用。

养护时间的影响呈现阶段性特征：在0-7天加速养护条件下，水泥基复合物的生成速率提高3-5倍，但长期（28天以上）养护会导致孔隙连通性下降。通过建立灰关联度模型，发现养护时间与强度参数的关联度达0.87，显著高于单一材料参数的贡献率。这揭示了时间效应在石灰稳定土中具有独特的耦合作用。

研究创新性地整合了多尺度分析：通过SEM-EDS联用技术，定量分析了CaO水化率与黏土矿物活化度的关系；运用分形几何理论，将孔隙网络结构的复杂度与力学性能建立量化模型。实验结果表明，当生石灰掺量达到9.5%±0.3%、最优含水率控制在12.2%±0.8%、干密度达到1.52g/cm3时，试件可获得最大无侧限抗压强度（785kPa），较原状土提升12.6倍。

在工程应用层面，研究建立了质量控制指标体系：1）现场快速检测生石灰掺量的光谱分析法，精度达±0.5%；2）基于孔隙分形维数的压实度修正模型，可将压实误差控制在±1.2%以内；3）养护时间预测算法，结合环境温湿度可提前72小时预判强度达标状态。这些成果已成功应用于高铁路基工程，使工后沉降量降低至原设计的1/3。

研究还发现传统工程中忽视的"时间-环境"耦合效应：在温度＞25℃的夏季施工，养护周期需从常规28天缩短至14天，否则将出现二次收缩裂缝。这种环境适应性研究填补了快速石灰稳定土应用中的技术空白，特别是在华南地区高温高湿气候条件下的施工规范已得到更新。

该成果对推动新型环保建材发展具有战略意义。研究采用工业废渣替代天然黏土（掺量达42%），在保证强度（≥500kPa）前提下，使碳排放量降低38%。提出的"三阶段养护法"（初期快速反应期、中期胶凝固化期、后期微结构优化期）已被纳入《公路路基施工技术规范》修订草案。

研究团队开发的智能压实控制系统，集成土工试验数据与实时环境监测，可将压实合格率从传统方法的78%提升至95%以上。实际工程应用表明，采用该技术处理的填方路基，在7年服役周期内未出现结构性破坏，弯沉值稳定在15mm以内，验证了实验室成果的工程适用性。

未来研究方向包括：建立多参数耦合的寿命预测模型，开发基于机器学习的动态施工控制算法，以及研究极端环境（冻融循环、高盐侵蚀）下的材料稳定性。这些深化研究将进一步提升快速石灰稳定土在基础设施工程中的综合性能，推动我国固废资源化利用和绿色基建发展。