用于改良崩塌黄土路基的高含水快硬材料的抗压与抗剪性能

在不稳定地基上筑就更坚固的道路

在世界上许多干旱地区，高速公路建在一种称为黄土的风成土上。当这种土体被雨水或上升的地下水浸湿时，会突然塌陷，导致路面开裂并威胁交通安全。本研究探讨了一种新型的快硬材料，可掺入黄土中，将原本脆弱、对水敏感的地基在数小时而非数周内转化为致密、稳定的路基。

为何有些土体会悄然塌陷

黄土由长期积累的细粉尘形成。在中国西部新疆伊犁地区，厚层黄土分布在重要公路线路下方。干燥时黄土看似坚实，但其内部存在开放、脆弱的结构和大量孔隙。水分渗入后，这些粒间的细桥可以溶解或软化，土体骨架可能突然失稳。传统的处理方法如掺入水泥或石灰确实有效，但强度增长缓慢，通常需在受控含水条件下固化一至四周。对于需要快速恢复通行的繁忙公路，这种延迟是一个严重的缺点。

用于薄弱路基的快硬配方

研究人员测试了一种最初为地下采矿开发的“高含水快硬”材料。该材料以两种粉末形式供给，与水混合后形成流动浆体，几分钟内即可硬化，并在第一周内获得大部分强度。在本研究中，将浆体按不同比例的水胶比（混合物的湿度）和土胶比（掺入剂用量）与伊犁黄土混合。制备圆柱样本并仅固化24小时后，进行了抗压和抗剪破坏试验，以模拟路基在交通荷载下的挤压与剪切力。

从松粉到致密抗裂的地层

试验结果表明，即便仅固化一天，处理后的黄土在某些配比下其抗压强度已超过3兆帕——足以满足或优于许多公路基层的设计要求。混合体表现为致密、刚性的柱状体：在变形上具有良好抵抗力，但一旦达到承载极限会突然破坏。抗剪试验显示，与未处理黄土相比，颗粒之间的粘结力（内聚力）和抗剪滑性（内摩擦角）均显著提高。最佳组合出现在水分较少且胶结剂用量适中的情况下，这形成了土体内致密、良好连通的骨架。

土体内部发生了什么

为理解新材料高效的机理，团队用电子显微镜和核磁共振（NMR）对处理后的黄土进行了观察。在高倍放大下，未处理的黄土表现为松散的粒团和较大的空隙。处理后，这些空隙被细针状晶体和胶状薄膜桥接，穿插于颗粒间并填充孔隙。这些新生成的固相相（工程上称为针铁矿和C-S-H凝胶）将颗粒编织成三维网络。NMR测量可以感知孔隙中的水分，结果证实在合适配比下总体孔隙空间减小且向更小尺度孔隙转移，表明结构更紧密、更不易塌陷。然而若用水过多，网络结构会变得更粗糙，强度下降，饱和时土体更加脆弱。

平衡速度、强度与成本的道路设计

除室内试验外，作者将发现转化为供道路建设者使用的实用配方。用于应急修复时，较富胶且含水量低的配方能在一天内提供非常高的强度和良好的抗浸性能，使受损路段能够迅速恢复通行。用于长期永久性路基时，稍微节省胶结剂的配方仍可在28天内达到很好的强度和耐久性，同时节约材料。若用于临时工程且能额外做防水处理，则可使用更经济、含水量更高的配比。总体来看，保持适度的含水量并使用中等剂量的胶结剂是实现强而持久的地基改良而不浪费材料的关键。

从实验室洞见到更安全的公路

简而言之，本研究表明一种专门配制的快硬浆体可以在很短时间内将问题黄土从可塌陷、对水敏感的粉状体转变为坚硬如石的路基。通过精细调整水胶比和胶结剂用量，工程师可建造或修复满足强度标准、耐浸湿并能最大限度减少通行延误的路基。研究表明，这种高含水快硬材料有望成为在黄土区及类似地貌下替代普通水泥稳固脆弱土层的实用且更可持续的方案。

引用: Tang, X., Zhang, Z., Liu, Y. et al. Compressive and shear behaviour of high-water quick-setting material modified collapsible loess subgrade. Sci Rep 16, 14578 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42841-0

关键词: 黄土路基, 土体加固, 快硬胶结剂, 道路基础, 地基改良