环保的粘土稳定化方法：结合碳化钙、钢渣和轮胎纺织废弃物

《Journal of Materials Research and Technology》：Eco-Friendly Approach to Clay Stabilization: Integrating Carbide Lime, Steel Slag, and Tire Textile Waste

本研究评估了氧化钙石灰（CL）、电弧炉渣（EAF）和轮胎纤维增强材料（WTTFs）对膨胀粘土的稳定化效果及在冻融循环下的性能。通过添加5-30% CL、5-20% EAF渣和0.5-2% WTTFs，制备不同配比的混合土样，进行7、28、56天养护，并测试抗压强度（UCS）、超声脉冲速度（UPV）和间接抗拉强度（ITS）。结果表明，25% CL + 10% EAF渣 + 1.5% WTTFs的优化配比在56天养护后UCS达10,255 kPa，UPV为2,197 m/s，ITS为1,650 kPa，且经8次冻融循环后性能损失较小。微观分析显示形成了钙硅酸盐水合物（C-S-H）等胶凝物质，并证实了纤维增强作用。该技术可显著改善膨胀粘土的机械性能和耐久性，为寒冷地区工程应用提供可持续解决方案。

　　### 从实验室到实际应用：一种结合工业废料的新型土壤稳定技术

在面对全球日益严重的环境和资源问题时，如何有效利用工业废料来改善土壤的工程特性，成为工程地质领域的重要课题。本研究聚焦于一种创新的土壤稳定方案，通过结合碳化石灰（CL）、电弧炉渣（EAF）和废旧轮胎纺织纤维（WTTFs）来提升膨胀性黏土在寒冷地区的耐久性和力学性能。这种方案不仅为解决废弃物处理问题提供了新思路，还为提高土壤在冻融循环（F-T）环境下的适用性开辟了新的研究方向。

#### 问题背景与挑战

膨胀性黏土因其显著的膨胀-收缩特性而成为工程地质中的难点。在冻融循环作用下，这些土壤更容易受到体积不稳定的影响，从而导致结构破坏和性能下降。特别是在寒冷地区，季节性的冻融循环会进一步加剧土壤的劣化，影响道路、地基和边坡等基础设施的稳定性。因此，开发能够有效抵抗冻融作用的土壤稳定方法，对于保障工程结构的安全性和耐久性至关重要。

#### 废弃物的再利用价值

碳化石灰是石灰制造过程中产生的副产品，其主要成分是氧化钙，具有与石灰和水泥相似的性能。而电弧炉渣则是钢铁制造过程中的副产品，具有较高的密度和机械性能，可作为替代骨料使用。废旧轮胎纺织纤维则是轮胎回收过程中产生的副产品，因其独特的物理和化学特性，能够有效改善土壤的力学性能和耐久性。这些材料的再利用不仅有助于减少废弃物的堆积和环境污染，还能够降低工程成本，实现可持续发展。

#### 研究方法与实验设计

本研究采用实验室测试方法，对不同比例的CL、EAF渣和WTTF进行测试，以评估其对土壤力学性能的影响。首先，通过无侧限抗压强度（UCS）、间接拉伸强度（ITS）和超声脉冲速度（UPV）测试，评估不同比例的CL和EAF渣对土壤的短期和长期影响。随后，加入不同比例的WTTF，以进一步增强土壤的耐久性和强度。测试样本在7、28和56天的固化时间后，经历8次冻融循环，以模拟实际工程环境中可能遇到的极端条件。

为了确保测试的准确性和可重复性，所有样本均在恒定温度（20°C）下进行固化，并在不同时间点进行测试。同时，采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）等微观分析技术，评估CL、EAF渣和WTTF对土壤结构的影响。这些测试不仅提供了关于土壤强度和耐久性的宏观数据，还揭示了微观结构变化的机制。

#### 实验结果与分析

在实验室测试中，研究发现当CL的添加比例为25%、EAF渣为10%时，土壤的无侧限抗压强度（UCS）达到了8,254 kPa，这一数值显著高于未处理土壤的380 kPa。当进一步加入1.5%的WTTF时，UCS进一步提升至10,255 kPa，表明纤维的加入显著增强了土壤的结构稳定性。同时，UPV也相应提高，达到2,197 m/s，这表明土壤的密实度和连续性得到了改善。间接拉伸强度（ITS）则从1,650 kPa提升至更高的数值，进一步验证了纤维对土壤抗拉性能的增强作用。

在冻融循环测试中，处理后的土壤表现出更强的抗裂性能。经过8次冻融循环后，未处理土壤的强度下降了约29%，而处理后的土壤则保持了较高的强度，表明CL、EAF渣和WTTF的组合在抵抗冻融作用方面具有显著优势。此外，XRD和SEM分析显示，CL和EAF渣在土壤中发生了化学反应，形成了钙硅酸盐水化物（C-S-H）等水泥状产物，这些产物增强了土壤颗粒之间的结合力，提高了土壤的整体强度和耐久性。

#### 机械性能与耐久性的协同提升

研究发现，CL和EAF渣的组合能够显著提升土壤的抗压强度和耐久性，而WTTF的加入则进一步增强了土壤的抗裂能力。这表明，CL和EAF渣主要通过化学反应改善土壤的内部结构，而WTTF则通过物理机制（如桥接裂缝和分散应力）增强土壤的机械性能。两者的协同作用使得处理后的土壤在冻融循环中表现出更强的抗裂能力和更高的强度，从而在寒冷地区的工程应用中具有更大的潜力。

此外，实验还表明，处理后的土壤在冻融循环中的质量损失显著减少。未处理土壤在8次冻融循环后质量损失达到12.5%，而处理后的土壤质量损失仅为2.7%。这表明，通过CL和EAF渣的化学反应以及WTTF的物理增强作用，能够有效减少冻融循环对土壤结构的破坏，从而提高其长期稳定性。

#### 环境与经济影响分析

从环境和经济角度来看，CL、EAF渣和WTTF的使用具有显著的优势。首先，这些材料大多来源于工业废弃物，其成本远低于传统稳定材料如水泥、石灰和沥青。例如，CL的成本仅为50-60美元/吨，而水泥的成本则高达75-90美元/吨。EAF渣的成本也较低，通常在10-40美元/吨之间，而WTTF的成本更是低至5-10美元/吨。这种低成本的特性使得该稳定方案在大规模工程应用中具有更高的可行性。

其次，这些材料的使用能够显著减少温室气体排放。传统稳定材料如石灰和水泥在生产过程中会释放大量的二氧化碳，而CL和EAF渣的使用则能够降低这些排放。例如，稳定1吨土壤所需的CL仅产生20-40千克的二氧化碳，而传统石灰则可能产生60-84千克的二氧化碳。这种环境友好型的稳定方案不仅有助于减少碳足迹，还能够提升土壤的可持续性。

#### 潜在应用与未来研究方向

基于实验结果，该稳定方案在多个潜在工程应用中展现出广阔前景。例如，在道路建设中，CL和EAF渣的组合能够有效提高土壤的承载能力，减少冻融循环对道路结构的破坏。在地基和边坡工程中，该方案能够显著提升土壤的抗剪切能力和抗滑移性能，从而增强结构的稳定性。此外，在垃圾填埋场中，该稳定方案能够有效控制土壤的膨胀性和裂缝扩展，提高填埋场的密封性和耐久性。

然而，尽管实验结果令人鼓舞，但本研究仍存在一定的局限性。首先，实验主要在实验室规模进行，缺乏现场应用的验证。因此，未来研究需要在实际工程环境中进行测试，以评估该稳定方案在不同地质条件下的适用性。其次，实验主要关注短期性能，如7、28和56天的固化时间以及8次冻融循环后的表现。然而，长期耐久性，如在更长时间的冻融循环、湿干循环以及化学环境影响下的表现，仍需进一步研究。此外，还需要对土壤的剪切强度、加州承载比（CBR）等关键参数进行测试，以全面评估其工程性能。

#### 结论

本研究展示了CL、EAF渣和WTTF联合使用在改善膨胀性黏土力学性能和耐久性方面的潜力。通过合理的配比，这些材料能够显著提升土壤的抗压、抗拉和抗裂性能，同时减少冻融循环对土壤结构的破坏。这种稳定方案不仅具有经济优势，还能够减少废弃物的环境影响，提高土壤的可持续性。未来的研究应进一步拓展其应用范围，并在实际工程环境中验证其效果，以推动该技术的广泛应用。