固体废弃物协同改良高速公路路基的现场试验与可持续性研究

《Materials Today Sustainability》：Application of multiple solid wastes as subgrade material in expressway subgrade: field test, microcosmic mechanism and sustainability

本研究针对传统路基材料资源消耗大和工业固废堆积造成的环境问题，创新性地采用碱渣(SR)和磷尾矿(PT)协同改良废弃鱼塘土(WFS)作为高速公路路基材料。通过现场试验证实，掺加6%石灰的SR-PT改良土(PRS)在7天养护后现场加州承载比(CBRf)达79.6%，回弹模量(MRf)达164.4 MPa，性能优于传统石灰土(LFS)。微观机理揭示其生成了大量C-S-H凝胶和钙矾石等胶凝产物。该技术不仅实现了固废资源化利用，每立方米材料还可减少36.16%碳排放，具有显著的环境和经济效益。

　　

随着基础设施建设的快速发展，传统路基材料如砂、石料和各种天然土料的过度开采导致了一系列资源短缺和环境破坏问题。与此同时，工业化过程中产生的工业废弃物排放和堆积问题日益严重，这些废弃物的高排放和低利用率已经造成了土地资源的巨大占用和对周边生态环境的重大危害。寻找可持续且环境友好的材料已成为路基工程建设的重要研究方向。

碱渣(Soda Residue, SR)是制碱工业产生的固体废弃物，其主要成分为碳酸钙(CaCO₃)和氢氧化钙(Ca(OH)₂)，具有高钙含量和强碱性，表现出类石灰特性。磷尾矿(Phosphate Tailing, PT)是磷矿选矿过程中产生的固体废弃物，主要矿物成分为石英，具有明显的砂质特性，可作为土壤骨架材料。基于SR的类石灰特性和PT的砂质特性，两者可以互补协同，共同稳定各类土体，制备高性能路基材料。

江苏海洋大学土木与港航工程学院的张丽萍、赵明瑞、赵晓庆等研究人员在《Materials Today Sustainability》上发表了一项创新性研究，他们利用SR和PT协同稳定废弃鱼塘土(Waste Fishpond Soil, WFS)，并在连宿高速LS-LYG2标段进行了现场试验，系统研究了SR改良鱼塘土(SRS)和磷尾矿-SR改良鱼塘土(PRS)的路用性能、微观机理及可持续性。

研究人员在K6+800至K6+960路段设置了三个试验段：A段(SRS)长80米，采用30%SR+70%WFS+6%石灰的配比；B段(PRS)长80米，采用30%SR+35%PT+35%WFS+6%石灰的配比；C段(LFS)为对比段，采用100%WFS+6%石灰的配比。通过现场加州承载比(CBR)试验、回弹模量(MR)试验、贝克曼梁弯沉试验和动力锥贯入仪(DCP)试验，评估了不同养护时间(1天、3天、7天)下各材料的力学性能发展规律。

2. Field materials and methods

研究选取了SR、PT和WFS三种主要原材料，并外掺6%的石灰进行稳定。通过基本物理性质测试、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜-能谱分析(SEM-EDS)对原材料特性进行了表征。现场试验段按照网格法进行材料拌和、摊铺和压实，压实度控制在93%区域，分3层施工，每层20厘米。

3. Results and analysis

3.1. Field CBR test

随着养护时间的延长，三个试验段的现场CBR值均显著提高。养护7天后，SRS的CBR平均值从30.3%增至71.1%，PRS从36.4%增至79.6%，LFS从29.5%增至63.6%。PRS表现出最快的强度增长，其承载性能最优。

3.2. Field MR test

回弹模量测试结果显示，养护7天后，SRS的MR平均值从68.3MPa升至151.2MPa，PRS从75.9MPa升至164.4MPa，LFS从59.1MPa升至131.0MPa。PRS的刚度性能最佳，表明其具有更好的抗变形能力。

3.3. Benkelman beam test

弯沉值测试表明，随着养护时间增加，三个试验段的弯沉值均明显下降。养护7天后，SRS和PRS的平均弯沉值分别为68.2和59.9(0.01mm)，均低于LFS的69.3(0.01mm)，且均满足设计小于100(0.01mm)的要求。

3.4. DCP test

动力锥贯入试验显示，随着养护时间延长，各材料的贯入阻力显著增加。养护7天后，PRS的锤击数从54次增至80次，高于SRS和LFS。动态锥贯入指数(DCPI)分析表明，PRS的DCPI值为0.95cm/blow，低于SRS(1.01cm/blow)和LFS(1.09cm/blow)，说明PRS的结构更为密实。

4. mechanical mechanism

4.1. XRD analysis

X射线衍射分析表明，SRS和PRS体系中石英衍射峰显著减弱，蒙脱石和伊利石特征峰逐渐消失，同时出现了钙矾石和C-S-H的衍射峰。而PT中的白云石和方解石衍射峰清晰可见，说明PT主要起骨架支撑作用，不参与化学反应。

4.2. SEM-EDS analysis

扫描电镜显示，SRS和PRS体系中生成了网状C-S-H凝胶和短柱状钙矾石，这些胶凝产物交织连接，充分填充孔隙，形成致密结构。能谱分析证实了凝胶产物中含有丰富的Ca、Al、Si元素，表明SR中的含钙无机盐与粘土中的活性氧化铝和氧化硅发生了充分的化学反应。

5. Evaluation of environment and economic benefits

环境评估显示，SRS和PRS的pH值分别为9.8和9.5，氯离子含量分别为1.364%和1.137%，重金属浸出浓度均低于JTG D30-2015标准限值，对环境无负面影响。碳足迹计算表明，铺设1立方米SRS和PRS的碳排放分别为147.33kg和119.56kg，较传统LS材料(187.29kg)分别降低21.34%和36.16%。经济性分析显示，SRS和PRS的总成本分别为108.80元和113.18元/立方米，较LS(123.73元/立方米)降低12.07%和8.53%。

该研究通过系统的现场试验和微观机理分析，证实了SR和PT协同改良土作为路基材料的可行性。PRS材料在力学性能、环境友好性和经济性方面均表现出显著优势，不仅有效解决了工业固废处置难题，还为路基工程提供了可持续的材料解决方案，对推动交通基础设施建设的绿色低碳发展具有重要意义。研究人员表示，下一步将开展长期性能研究，包括水稳定性、冻融循环和干湿循环耐久性评估，为SRS和PRS的工程应用提供更可靠的数据支撑。