考虑粘土矿物学的聚合物稳定废物粘土的强度行为及其微观机制

《Journal of Cleaner Production》：Strength behavior and microscopic mechanisms of geopolymer-stabilized waste clays considering clay mineralogy

地聚物稳定废黏土性能受矿物组成调控：系统研究黏土矿物含量（20.6%-40.6%）及类型（蒙脱石/高岭石/伊利石）对渣/粉煤灰基地聚物稳定废黏土（GSWC）的力学性能、水稳定性和微观结构影响，发现矿物含量增加提升抗压强度至2.60MPa，但降低水稳定性（83.1%-94.8%），蒙脱石主导系统强度最优，矿物类型与凝胶形成、基质致密化显著相关，证实离子交换与 geopolymers 自身聚合的协同效应。

　　本文探讨了地质聚合物稳定技术在软黏土改良与资源化利用中的应用前景，重点分析了黏土矿物成分对稳定效果的影响机制。研究通过合成含有不同黏土矿物含量（20.6%、30.6%、40.6%）及主要矿物类型（蒙脱石、高岭石、伊利石）的废黏土（GSWC），模拟实际工程场景，结合一系列实验，包括无侧限抗压强度测试、水稳定性评估、pH值测量以及多尺度微观结构表征，深入探讨了黏土矿物组成对GSWC性能及产品形成与演化过程的影响。研究结果表明，随着黏土矿物含量的增加，反应性组分的可利用性也随之提高，从而促进了强度的发展和基体的致密化，其中GSWC的28天强度最高可达2.60 MPa。此外，对主要矿物类型的比较分析显示，蒙脱石主导系统的28天强度比高岭石和伊利石主导系统分别高出约4.3%和10.2%。这种强度提升伴随着脆性强度的增强，同时伴随着刚度的增加和变形能力的降低。然而，黏土矿物含量的增加也导致了水稳定性系数的下降，从94.8%降至83.1%，其中蒙脱石主导系统表现出最差的水稳定性（28天时为78.9%）。微观结构分析进一步证实，黏土矿物的含量和类型对凝胶形成和基体结构具有显著影响。GSWC的强度发展主要受到地质聚合物化、离子交换和弱火山灰反应的协同作用。这些发现为在复杂黏土矿物条件下进行GSWC材料设计和工程应用提供了理论支持和技术依据。

废黏土在城市建设过程中会产生大量，其工程性质通常较为不利，如高含水量、高可压缩性和低强度，这使得废黏土难以直接用作结构荷载的基础土壤。因此，化学稳定成为改善废黏土物理化学和力学性能的有效策略，使其转化为适合工程应用的可持续地质材料，从而推动这一丰富废资源的低碳利用。然而，传统稳定剂（如水泥和石灰）通常具有较高的碳足迹，使用剂量一般在土壤质量的5%至25%之间，在大规模软土处理项目中会带来显著的环境挑战。在此背景下，来源于工业固体废弃物的地质聚合物稳定剂因其在可持续应用中的潜力而受到越来越多的关注。这些地质聚合物作为废土稳定剂，可应用于道路基层、深层土混合以及流动稳定土等工程场景，为工业废弃物的增值利用和废黏土的再利用提供了可行的解决方案，具有重要的科学和工程价值。

地质聚合物是一种通过工业副产品、天然矿物或其他富含铝硅酸盐的材料在碱性条件下活化合成的胶凝材料。其中，粉煤灰和矿渣是最广为人知且被广泛研究的铝硅酸盐前驱体，近年来在土壤稳定方面的应用也日益受到重视。Hamed等人（Hamed和Demir?z，2022）研究了粉煤灰、矿渣和NaOH摩尔浓度对地质聚合物稳定高塑性黏土的无侧限抗压强度（UCS）、加州承载比和渗透性的影响。Chen等人（2022a）利用响应面法优化混合比例，通过调节矿渣替代率、活化剂模数和碱剂用量，进一步评估稳定剂用量、含水量和养护时间对强度的影响。Abed等人（2024）发现，机械化学活化可以增加表面积和反应活性，从而实现12%至45%的UCS提升和更好的硫酸盐抗性。Luo等人（Su等人，2023）指出，有机黏土的强度发展主要来源于Si–O–Si（Al）键构成的三维凝胶网络，包括C-(A)-S-H和N-A-S-H。作者进一步强调了探索黏土矿物与地质聚合物之间潜在相互作用的重要性。然而，大多数现有研究倾向于将稳定土壤视为类似于水泥基复合材料，假设土壤仅作为被动填充物，不与稳定剂或其反应产物发生化学相互作用。换句话说，稳定土壤的强度通常被认为仅由稳定剂配方决定。这种假设未能解释在相同处理条件下（如稳定剂类型和用量、养护制度）具有相似物理化学性质的土壤之间为何存在显著的强度差异。

近年来，越来越多的研究关注土壤特性，特别是黏土矿物学，对稳定土壤性能的影响。普遍认为，稳定黏土是一种异质系统，由惰性非黏土矿物、可能具有反应性的黏土矿物、胶凝产物以及未反应的稳定剂颗粒组成。由于沉积环境或地质结构的不同，单一建设地点的废黏土矿物组成可能表现出显著的空间异质性。可能具有反应性的黏土矿物类型，如蒙脱石、伊利石和高岭石，其种类和相对含量可能直接影响稳定土壤的强度发展。Wu等人（2021、2022a）发现，水泥稳定黏土的强度不仅取决于水泥的水化反应，还取决于水化产物与黏土矿物之间的相互作用：C?A通过硫铝酸盐/AFm提供早期刚度，而C?S则形成C-(A)-S-H和Ca(OH)?，这些产物能够维持长期的结合能力，其中C?S稳定黏土的90天UCS约为C?A稳定黏土的四倍。然而，尽管蒙脱石容易溶解，混合诱导的絮凝作用可能降低反应效率，这突显了实现均匀分散的重要性。相比之下，关于考虑黏土矿物影响的地质聚合物稳定废黏土（GSWC）的研究仍然有限。大多数研究集中在通过添加补充铝硅酸盐进行间接碱性活化，而碱性活化剂、其反应产物与黏土矿物之间的直接相互作用尚不完全理解。这些相互作用可能涉及比水泥基稳定剂处理黏土系统更为复杂的机制。此前关于直接碱性活化的土壤研究主要集中在相对简单的系统上，通常聚焦于纯高岭石（Marsh等人，2019；Sun等人，2024；Khorshidi等人，2018），仅有少数研究涉及更复杂的天然土壤（Gualtieri等人，2015；Obonyo等人，2014）。这些研究主要关注不同活化剂对相组成的影响，限制了对不同黏土矿物类型在稳定过程中机械作用机制的深入理解。为了解决这一问题，Marsh等人（2019）开发了一种方法以分离非黏土伴生矿物，并证明黏土矿物学是碱性活化土壤相发展的重要决定因素，同时指出NaOH浓度和Na:Al摩尔比的影响。然而，大多数实验室研究仍使用完全或主要由黏土矿物组成的合成土壤，这可能夸大了黏土矿物的作用，而忽略了矿物学异质性可能的调节效应。这种脱节使得在实际工程应用背景下对反应机制和性能结果的准确解释变得复杂。

尽管在地质聚合物稳定软黏土的研究方面取得了显著进展，但对黏土矿物在真实土壤系统中对GSWC物理力学性能和微观结构演化的影响仍缺乏系统性的理解。为了解决这一问题，本文采用合成土壤框架，研究黏土矿物含量和主导矿物类型对GSWC性能的影响。此外，结合多种表征技术，研究黏土矿物特性对GSWC微观结构和胶结机制的影响，重点关注反应产物的相组成、基体致密化和元素分布。本研究加深了对地质聚合物与黏土矿物相互作用的理解，并为废黏土通过地质聚合物进行材料设计和稳定技术的工程应用提供了理论基础。