Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

在伊朗北部，在格尔干市（Gorgan）之下，分布着一片被称为黄土（loess）的奇特土壤。在未经训练的人眼中，它看起来像是普通的乳白色土地，但对于岩土工程师而言，它是一个隐藏的隐患。这种土壤是由风吹尘埃形成的，具有疏松的、蜂窝状的结构。虽然它在干燥时可以承重，但它隐藏着一个危险的秘密：一旦被水饱和，其脆弱的内部键合就会溶解，地面会因建筑和道路的重量而突然塌陷、下沉。这种被称为“坍塌性”（collapsibility）的现象已在这一地区造成了显著的结构性破坏，因为这里的黄土沉积深度可达7钟70多米。工程师面临的挑战在于，如何寻找一种既不会使土壤变得脆弱，又不会增加处理成本的方法来加固这种土壤，从而确保即使在降雨时，地面也能保持稳定。

来自德黑兰大学和库姆大学的研究人员致力于通过测试一种常见且廉价的材料——水泥，来解决这一问题。他们的目标是观察将水泥混合进格尔干黄土中，是否能将其从坍塌隐患转化为坚实的基底。他们采集了当地的土壤样本，并加入了不同比例的水泥，比例从完全不添加一直到按重量计的9%。为了了解时间对这一过程的影响，他们并没有仅仅测试混合物即时状态。相反，他们让样本在密封容器中放置了七天、十四天和二十八天，以模拟实际工程项目中发生的养护过程。随后，他们对这些硬化后的样本进行了一系列测试，测量了它们的压缩程度、膨胀程度以及在破碎前能承受多少力量。他们还通过高倍显微镜仔细观察了土壤，并分析了其化学成分，以研究在微观层面究竟发生了什么。

结果令人震惊。未经处理的黄土极其脆弱，其抗压强度仅为0.1兆帕（衡量土壤在失效前能承受多少压力的度量）。然而，随着研究人员增加水泥用量并给予更多的养护时间，土壤变得显著增强。最剧烈的改善出现在添加了9%水泥的样本中。经过二十八天的养护后，这些样本的强度是未经处理土壤的8.5倍。研究人员观察到，土壤养护时间越长，强度就越高，这表明化学反应在不断地将土壤颗粒结合在一起。这种强度的提升不仅仅是水泥作为填充物的作用，更是化学转变的结果——水泥与土壤中的矿物质发生反应，创造出了新的、持久的键合。

除了变得更强壮之外，处理后的土壤也变得更加稳定，不易发生困扰该地区的危险下沉。研究人员测量了土壤在潮湿时的坍塌倾向，发现添加水泥极大地降低了这一风险。在未经处理的样本中，潜在的坍塌风险被归类为“中度严重”。但在含有9%水泥的样本中，这一风险降至“轻微”水平，这意味着土壤发生突然沉降的可能性大大降低。同样，土壤在压力下压缩或在潮湿时膨胀的倾向也显著降低。添加的水泥越多，土壤的移动就越少，使其表现得更像固体岩石而非松散、对水敏感的泥土。

为了理解这种转变是如何发生的，团队利用扫描电子显微镜和化学分析法深入观察了土壤内部。未经处理的黄土呈现出一种混乱的结构，具有巨大的开放孔隙和微弱的颗粒间连接，类似于一堆松散堆叠的沙子。相比之下，经水泥处理后的样本则展现出完全不同的景象。显微图像显示，水泥创造了针状结构和一种凝胶状物质，填补了土壤颗粒之间的空隙。这些被称为“硅酸钙水合物”的新生结构起到了胶水的作用，将单个颗粒结合成一个紧密、互连的网络。这一过程被称为“絮凝”（flocculation），它将松散、开放的结构转变为致密、紧凑的质量。化学分析证实，钙和其他结合元素的含量有所增加，原本松散、分散的土壤性质已被坚固、凝聚的结构所取代。

研究结论指出，添加水泥是稳定伊朗北部问题严重的黄土的一种非常有效的方法。通过增加水泥含量并给予充足的养护时间，工程师可以创造出一种不仅强度更高，而且能够抵抗注水后发生突然坍塌的土壤。这项研究表明，仅需添加9%的水泥，就能将一种岩土工程灾害转化为可靠的基底，为易发生此类土壤失效的地区提供了一种实用且经济的解决方案。研究结果显示，只要配比得当且时间充足，我们脚下的土地便可以变得稳固可靠。