加速碳化对纸污泥灰基稳定剂与高炉水泥固化建筑污泥再生土工程特性的影响研究

《Results in Engineering》：Impact of accelerated carbonation on geotechnical properties of recycled soil from construction sludge stabilized with paper sludge ash-based stabilizer and blast furnace cement

本研究针对日本建筑污泥处理难题，创新性地采用加速碳化技术处理纸污泥灰基稳定剂(PSAS)与高炉水泥B型(BFCB)固化的再生土。通过对比实验发现，碳化可将土壤pH值从12降至8.6(符合环保标准)，提升最大干密度(ρdmax)但降低锥尖阻力(qc)。研究揭示了碳化通过分解钙矾石晶体影响渗透系数(k15)的机理，为可持续岩土材料开发提供了重要依据。

　　

在日本，建筑行业每年产生约620万吨建筑污泥，这些工业废弃物的处理不仅占用大量填埋场地，其高碱性特性（pH常超过12）更对环境构成严重威胁。传统的水泥、石灰等固化剂虽能改善污泥的工程性能，却会进一步加剧碱性污染，这与日本《水质污染防止法》的环保标准形成尖锐矛盾。面对这一挑战，横滨国立大学都市创新研究科的研究团队独辟蹊径，将目光投向加速碳化这一绿色技术。

加速碳化是通过向碱性材料中注入二氧化碳(CO₂)，使其与钙化合物反应生成碳酸钙(CaCO₃)的过程。该技术不仅能有效中和碱性，还能固定CO₂，实现"变废为宝"的双重效益。尽管前期研究证实了碳化对pH值的调控作用，但碳化如何影响再生土的压实特性、强度发展和渗透性能等关键工程参数，仍是未被深入探索的领域。正是这一研究空白，促使Bui Anh Thang等研究人员开展了系统性的实验研究。

本研究创新性地将加速碳化技术应用于经纸污泥灰基稳定剂(PSAS)和高炉水泥B型(BFCB)处理的建筑污泥再生土，全面评估了碳化处理对材料环境友好性和工程适用性的综合影响。研究成果发表于《Results in Engineering》，为发展符合循环经济原则的可持续建筑材料提供了重要科学依据。

研究团队采用了多项关键技术方法：首先，以日本广泛使用的Ao黏土模拟建筑污泥，系统配制了不同初始含水率(w/w_L从0.2至1.0)的试样，并分别添加3%PSAS和5%或10%BFCB；其次，设计了对比实验方案，一组试样进行7天密封养护（非碳化组），另一组先进行6天密封养护再进行1天CO₂浓度10%的加速碳化养护；最后，严格遵循日本土质工学会标准(JGS)开展了颗粒分析、压实试验、锥尖阻力试验和变水头渗透试验等系列测试，并结合扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等微观分析手段，深入揭示了宏观性能变化的机理。

4.1 碳化对pH、颗粒分布和压实特性的影响

研究发现，加速碳化处理能够将再生土的pH值从约12显著降低至8.6左右，完全满足日本水质标准要求。这一中和效果在不同初始含水率和BFCB添加量条件下均表现稳定，证明了碳化技术在碱性控制方面的可靠性。

在颗粒特性方面，筛分结果表明碳化处理对试样的平均粒径(D₅₀)和细粒含量(F_c)影响甚微。这一发现至关重要，说明碳化过程不会导致土壤颗粒结构的显著破坏，有利于保持材料的均匀性。

压实试验结果揭示了碳化的双重效应：一方面，所有经PSAS和BFCB处理的试样（无论是否碳化）其最大干密度(ρ_dmax)均低于未处理的Ao黏土，这被归因于稳定剂水化产物对自由水的约束作用；另一方面，碳化处理使试样的ρ_dmax有所提高（如A_BC=5%时从1.52提高至1.57 g/cm³），同时最优含水率(w_opt)降低。这表明碳化过程减少了被水化产物约束的水量，从而改善了材料的压实性能。

4.2 碳化对强度发展和渗透性的影响

强度测试结果呈现了碳化技术的挑战性一面。锥尖阻力(q_c)测试表明，碳化处理会导致再生土强度降低，这与水化产物的分解和颗粒间粘结力的减弱直接相关。然而，研究也发现了一个重要规律：当初始含水率w/w_L维持在0.4-0.5范围内时，碳化引起的强度损失可控制在10%以内。这一发现为优化碳化工艺参数提供了关键指导。

渗透性研究结果更为复杂。尽管碳化处理提高了试样的干密度，但渗透系数(k₁₅)在多数情况下反而增大。当w/w_L低于0.7-0.8时，碳化试样的k₁₅值显著高于非碳化试样。这一看似矛盾的现象需要通过微观结构变化来解释。

5. 讨论

通过SEM和XRD分析，研究人员揭示了碳化影响工程性能的微观机制。在非碳化试样中观察到了大量的针状钙矾石(ettringite)晶体，这些晶体通过粘结土壤颗粒，不仅增强了强度，也形成了致密的微观结构，从而降低了渗透性。

碳化处理使钙矾石与CO₂反应生成碳酸钙(calcite)，并释放出部分结晶水。这一转化过程解释了为什么碳化后试样的干密度会增加（水化产物含水量减少），但同时强度会降低（胶结物质分解）。钙矾石晶体的分解也破坏了原有的致密结构，形成了更多的连通孔隙，从而导致渗透系数的增大。

关于强度损失与含水率的关系，研究人员认为，再生土强度的形成不仅来源于水化产物的胶结作用，也与PSAS多孔颗粒的吸水效应促进压实有关。在中等效优含水率附近，后者的贡献相对较大，因此碳化对强度的负面影响得以减弱。

研究结论部分强调了本研究的三大核心发现：首先，加速碳化可有效将再生土pH值降至环保标准，同时改善压实特性；其次，碳化会降低材料强度，但通过控制初始含水率可最小化这一负面影响；最后，碳化会改变材料的渗透特性，在某些条件下增加水力传导性。

这些发现对实际工程应用具有重要指导意义。例如，根据日本公共工程研究所的指南，填筑材料要求q_c值不低于800 kN/m²。因此，在应用碳化技术时，必须通过优化配合比设计和含水率控制，确保碳化后强度仍满足工程要求。

本研究的创新之处在于将碳化技术不仅视为环境中和手段，更作为改变材料工程特性的处理方法，全面评估了其在压实、强度和渗透性方面的综合效应。尽管研究存在实验室条件限制和材料类型单一的不足，但为发展可持续的建筑污泥资源化技术提供了重要科学基础，推动了土木工程材料领域向环境友好方向的转型发展。