固废基固化材料固土性能的碳减排效应与耐久性机制研究

针对水泥固化淤泥碳排放高、强度低等问题，广东英德海螺水泥有限公司等团队开发了以矿渣(GGBS)、粉煤灰(FA)和碱渣为主的固废基固化材料(SSM)。研究发现A1配方的CO2 排放量(190kg/t)较水泥降低77.7%，冻融循环后强度保持0.68MPa，海水侵蚀90天强度达3.3MPa，干缩值降低35%。该研究为低碳土木工程材料开发提供了新思路。

　　

随着我国沿海地区工程建设快速发展，每年需处理数十亿吨高含水率淤泥，传统水泥固化存在碳排放高（每吨水泥排放约850kg CO₂
）、在含腐殖酸土壤中水化反应受阻等问题。与此同时，我国工业固废年产量超百亿吨，钢渣、矿渣等利用率不足30%，资源浪费与环境污染问题突出。在此背景下，广东英德海螺水泥有限公司等机构的研究团队在《Materials Today Sustainability》发表研究，系统评估了七种固废基固化材料(SSM)的碳足迹与工程性能。

研究采用生命周期评价法计算碳排放，通过冻融循环仪（-15°C/20°C）、海水浸泡箱（珠海香炉湾取样）和干湿循环装置（70°C烘干/20°C浸泡）模拟极端环境，结合SEM、XRD和压汞仪(MIP)揭示微观机制。工程验证涵盖佛山塘西三期公路深层搅拌桩（10m桩长）、中山东环高速浅层原位固化（2.5m深度）和山东路基改良三大场景。

【材料与测试方法】
团队设计7种SSM配比，以水泥、粒化高炉矿渣(GGBS)、粉煤灰(FA)和碱渣为主要组分。采用标准养护（20°C）制备直径50mm试件，通过LQD-4型压力机（1mm/min速率）测试无侧限抗压强度(UCS)。冻融试验参照GB/T 11969-2020标准，干湿循环执行ASTM-D559规范，海水侵蚀持续360天。

【结果与讨论】
3.1节显示A1配方（水泥:GGBS:FA:碱渣=0.2:0.5:0.2:0.1）的碳绩效比仅24.4kgCO₂
/MPa，较水泥降低86%。图9揭示冻融4次后SSM的弹性模量（0.2MPa）仍高于水泥组（0.109MPa）。图10显示海水侵蚀90天时SSM强度达峰值3.3MPa，得益于钙矾石(AFt)对孔隙的填充效应。图12证实SSM干缩应变（2.25×10^-3
）较水泥降低35%，归因于碱渣中SO₄
^2-
生成AFt的补偿收缩作用。

3.7节SEM图像显示，标准养护下SSM中钙硅水合物(CSH)对黏土颗粒的包裹更致密（图14a）。冻融循环后水泥组出现明显剥落（图14h），而SSM组孔隙被针状AFt填充（图14d）。MIP测试（图15）表明冻融使SSM最可几孔径从7nm增至40nm，孔隙率从21.43%升至46.84%。

【工程应用】
佛山项目采用50kg/m SSM替代65kg/m水泥，28天UCS达1.9MPa（设计要求0.8MPa）。中山滨海项目4.5%掺量即实现180kPa承载力（设计要求150kPa）。山东路基3%掺量下弯沉值仅158(0.01mm)，优于设计标准。

该研究证实SSM通过固废协同活化机制，在降低77.7%碳排放的同时，显著提升抗冻融（+102%强度保留率）和抗侵蚀性能。提出的"全路面层应用"愿景（图18），为交通基建低碳转型提供了关键技术支撑，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。