Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

我们脚下的土地并不总是坚实、不可撼动的基石。在世界许多地方，土壤由粘土主导，这是一种表现得像海绵一样的细颗粒材料。当降雨或季节更替时，这种粘土会吸收水分并膨胀，产生巨大的向上推力。当空气干燥时，它会收缩并开裂，远离其上承载的一切。这种不断的扩张与收缩循环是工程师和房主共同的噩梦，会导致道路隆起、地基开裂以及结构发生不均匀沉降。为了使这些土壤能够安全用于建筑，工程师传统上会混入普通的水泥或石灰。这些胶凝材料会硬化并将土壤颗粒锁在一起，从而创造出一个稳定的基底。然而，这些传统胶凝材料的生产是二氧化碳排放的主要来源，对全球气候危机贡献显著。这促使人们寻找能够在不产生沉重环境代价的情况下稳定土地的替代方案。

研究人员将注意力转向了工业废弃物，特别是粉煤灰和高炉矿渣。粉煤灰是燃煤电厂燃烧煤炭后留下的细粉，而矿渣则是制造铁的副产品。当这些材料与特定的碱性溶液混合时，它们都富含创造出一种坚硬、类岩石物质所需的化学成分。这一过程被称为地质聚合物化，它能将这些废弃材料转化为可以替代传统水泥的胶凝材料。来自印度理工学院马德拉斯分校和蒂亚加拉贾尔工程学院的一个研究小组决定测试这些工业副产品在多大程度上能“驯服”一种在印度马杜赖发现的特定问题粘土。他们的目标不仅是观察土壤是否变得更强壮，还要理解这种处理如何改变土壤在重量作用下的沉降方式以及干燥时的收缩程度。

该团队从当地一个公交站附近两米深处处采集了一份粘土样本。该土壤被归类为具有中等压缩性，这意味着它在压力下容易被挤压，并且具有中度膨胀性，即在潮湿时有很高的膨胀倾向。为了处理这种土壤，研究人员将其与不同量的粉煤灰和矿渣混合，为每种材料创造了三种不同的浓度：占总干重的25%、35%和45%。他们使用氢氧化钠和硅酸钠溶液来激活这些混合物，这种溶液充当了启动硬化过程的化学触发剂。他们还在矿渣混合物中加入了一小 amount 的化学缓凝剂，以防止其凝固过快。处理后的土壤被压制成圆柱体，并进行了从零天到28天不等的养护，之后才进行测试。

结果揭示了一个清晰的转变过程。未经处理的粘土强度非常低，仅为3.63千克/平方厘米。当研究人员测试用粉煤灰处理的土壤时，他们发现随着时间的推延，强度随养护过程而增加。表现最好的组合是含有35%粉煤灰的混合物，在28天后达到了17.19千克/平方厘米的强度。这代表了巨大的提升，使得土壤比其自然状态下强韧了近四倍。然而，当他们将粉煤灰含量增加到45%时，强度反而下降了，这表明过多的胶凝材料稀释了土壤结构，而非增强它。

对于基于矿渣的混合物，情况略有不同。对于矿渣而言，随着添加量的增加，强度持续攀升。在整个研究中记录到的最高强度来自于含有45%矿渣的混合物，在28天后达到了18.84千克/平方厘米。这比未经处理的粘土增加了419%。由于强度在测试的最高含量时仍在上升，研究人员指出，理想的矿渣量可能高于45%，而粉煤灰已经在35%时达到了其最佳平衡点。

除了让土壤变硬之外，这种处理还极大地改变了土壤在压力下的行为。当重载放置在软粘土上时，土壤会压缩，水分被挤出，导致地面随时间推移而下沉。研究人员测量了这种行为，并发现经过处理的土壤更不易发生沉降。含有35%粉煤灰的混合物将土壤的压缩倾向降低了约70%，而45%矿渣混合物则将其降低了约84%。此外，处理后的土壤沉降速度比未经处理的粘土更快，这意味着任何剩余的下沉都会发生得更快，从而成为建筑上方结构的长期隐忧。

对于易受干旱和暴雨影响的地区来说，或许最关键的发现是体积收缩的变化。未经处理的粘土在干燥时会显著收缩，产生深层的裂缝，从而损坏地基。地质聚合物处理显著抑制了这种行为。35%粉煤灰的混合物将收缩体积减少了近一半，而45%矿渣混合物则减少了约63%。这意味着处理后的土壤在旱季会更加稳定，能够抵抗通常困扰粘土建筑物的膨胀与开裂现象。研究人员还观察到，处理后的土壤塑性降低，这意味着在潮湿时不太可能发生永久性的变形，从而进一步增强了其稳定性。

这些发现表明，使用粉煤灰和矿渣等工业副产品，可以作为传统水泥稳定土壤的一种强大且低碳的替代方案。该研究确定了35%粉煤灰和45%矿渣是在所测试范围内最有效的比例，它们提供了接近原始土壤五倍的强度增益，同时大幅降低了膨胀和收缩的风险。通过将废弃材料转化为高性能的胶凝材料，这种方法不仅解决了地质技术问题，还解决了环境问题，提供了一种在不产生传统水泥沉重碳足迹的情况下，在不稳定土地上进行建设的方法。这项工作证实，这些地质聚合物胶凝材料可以有效地将问题粘土转化为可靠的基础材料，为未来的基础设施提供支撑。