季节性冻结区LBM‑GGBS固结盐渍土的力学性能与微观特征

为什么冰冻盐土很重要

在全球干旱地区，大面积土地含有盐分较高的土壤，这些土壤在冬季冻结时会膨胀、开裂并在春季解冻时下沉。在中国西北等地，道路和铁路必须穿越这类不稳定地基，导致路面高低不平、泥浆喷溅并需频繁修复。工程师通常用普通水泥加固土体，但水泥能耗高，在高盐环境中性能可能欠佳。本研究考察了一种由工业副产物制成的更环保的胶结剂，评估其能否在多次冻融循环中保持盐渍土的强度与安全性。

一种新的加固盐渍土的方法

研究者关注两种粉体的混合：高炉矿渣微粉（钢铁生产的副产物）和轻烧化镁（活性氧化镁）。将这些材料与水和土壤混合后，可在颗粒间硬化，类似一种低碳水泥。团队从陕西省的季节性冻结区采集了富氯盐渍土，按不同含量和配比掺入矿渣‑镁砂胶结剂。试样制成小圆柱体，养护四周后，按约零下20摄氏度冻结、室温解冻的程序反复循环，以模拟数个冬季的影响。

土体的强度与致密性如何保持

在0、2、4、6、8和10个冻融循环后，团队测量了样品断裂前能承受的抗压强度、渗水性以及淋洗出的氯含量。如预期，所有试样在前两次循环中都有所失强，因冰的生长和盐的迁移损伤了内部结构。但含胶结剂较多的试样，尤其是含12%胶结剂且矿渣与镁砂比为7∶1的配比，仍然表现出令人印象深刻的强度。该最佳配比在十个循环后仍保持约3兆帕的强度——是公路上面基层要求的四倍。处理后土体的透水率保持较低且随着循环变化不大，特别是在胶结剂更丰富的试样中，表明硬化的骨架保持了相对致密且抗裂的结构。

微观尺度内部发生了什么

为弄清处理后土体为何能耐冻融，研究者利用电子显微镜和孔径测量观察其内部结构。他们发现矿渣与镁砂与水及土中溶解离子发生反应，生成若干新的矿物凝胶和晶体，将颗粒粘结在一起。这些产物包括包裹土粒并填充细小裂隙的致密网状层，以及桥接空隙的针状和板状结晶体。在冻融循环过程中，一些小孔隙合并成稍大的孔隙，但总体孔隙体积仅发生了有限变化。硬化的框架大体保持完整，限制了破坏性冰透镜的生长，防止土体崩解。

固定盐分而不是让其迁移

原始盐渍土含有大量可溶性氯离子，易随水迁移，加剧冻害并威胁周边构筑物或地下水。经矿渣‑镁砂胶结剂处理并养护后，淋洗出的氯含量约减少了43%。显微与化学分析显示，大部分氯被固入新生成的含钙、铝和硫酸根的晶体中。这些矿物在多次冻融循环后仍然稳定，因此后续循环并未释放额外的氯。实质上，胶结剂既增强了土体强度，又封存了许多最具危害性的盐分。

对寒冷地区建设的意义

对非专业读者来说，结论很直接：通过循环利用炼钢矿渣并使用活性镁粉，工程师可以将问题多发的盐渍地转变为更坚固、更不易渗漏且更环保的基底材料，即便在冬季反复冻融的地区。合适的配比——约12%的该类胶结剂且矿渣含量高于镁砂——能使土体强度远超道路建设标准，限制水分迁移，并固结约三分之二到四分之三的氯。这一方法有望在寒冷干旱地区推广安全建设，同时减少对传统水泥的依赖并有效利用工业废料。

引用: Chen, S., Ren, P., Wang, J. et al. Mechanical properties and microscopic features of LBM-GGBS solidified saline soil in seasonally frozen areas. Sci Rep 16, 10928 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46145-1

关键词: 盐渍土, 冻融耐久性, 地基改良, 工业副产物胶结剂, 氯化物固化