使用 Faulkner 土壤分类（FA）和石膏基高增稠剂（GGBS）衍生的土聚合物对高液限土壤进行稳定处理的可行性

《Frontiers in Materials》：Feasibility of using FA and GGBS-derived geopolymer for high liquid limit soil stabilization

地聚物材料由飞灰（FA）和矿渣（GGBS）制备，用于改良高液限土壤的工程性能。通过调整碱激发剂模数（1.0-1.6）和掺量（0%-12%），系统研究了地聚物对土壤最优含水率（OMC↓）、最大干密度（MDD↑）、无侧限抗压强度（UCS↑至4.18 MPa）、加州承载比（CBR↑至13.2%）及回弹模量（提升幅度达75.13%）的影响。微观分析表明，地聚物凝胶（C-A-S-H、C-S-H、N-A-S-H）填充孔隙，显著降低孔隙率，提升颗粒间粘结强度。研究证实掺量8%-12%的地聚物材料可有效替代传统水泥，满足公路路基设计规范要求。

　　在当今快速发展的工业社会，固体废弃物的产生量急剧上升，已成为全球范围内亟需解决的环境问题之一。中国作为世界上工业化的先行者之一，其工业活动的持续扩张使得固体废弃物的处理压力不断加大。据相关统计数据显示，全国工业固体废弃物的堆积量已超过620亿吨，而其中仅有不到40%的废弃物被有效回收利用。这一现象不仅造成了土地资源的浪费，还对生态环境带来了严重威胁。传统的处理方式如粗放式的填埋或露天堆放，往往导致土壤污染、地下水污染及周边生态系统的破坏。为应对这一挑战，中国政府提出了“提高固体废弃物综合利用率”的政策目标，并推动了“绿色技术”与“高附加值应用”相结合的发展路径。在这一背景下，寻找一种既能有效解决废弃物问题，又能改善工程材料性能的新技术成为研究的重点。

本研究聚焦于一种新型的环保材料——地质聚合物（geopolymer），并探讨其在高液限土壤稳定化中的应用潜力。高液限土壤因其高含水量、高塑性指数和低承载能力，常被视为不适合直接用于路基填筑的材料。这类土壤在工程应用中容易出现沉降、稳定性差、施工复杂等问题，严重制约了其在基础设施建设中的使用。因此，有必要对这类土壤进行改良，使其满足工程要求。传统上，水泥作为主要的改良材料，被广泛用于提高土壤的强度和稳定性。然而，水泥的生产过程伴随着大量的能源消耗和二氧化碳排放，其环境代价不容忽视。每生产一吨水泥，约需消耗1510千瓦时的能源，并产生约900公斤的二氧化碳排放。因此，为了实现可持续发展，研究者们开始探索替代性的水泥材料，其中地质聚合物因其低碳环保、高强度和优异的耐久性，被认为是未来最具潜力的新型绿色材料之一。

地质聚合物是一种通过在强碱性溶液中对铝硅酸盐前驱体进行反应而形成的无机非金属材料。其微观结构呈现出三维的无定形网络结构，具有良好的结合能力与力学性能。与传统波特兰水泥相比，地质聚合物不仅能够有效减少水泥使用量，从而降低碳排放，还能显著提升土壤的物理和化学性质。这种材料的开发与应用，为实现工业固体废弃物的资源化利用提供了新的思路。本研究选用粉煤灰（fly ash, FA）和粒化高炉矿渣（ground granulated blast furnace slag, GGBS）作为地质聚合物的主要前驱体，结合氢氧化钠和硅酸钠作为碱性活化剂，制备了一种新型的地质聚合物材料，用于高液限土壤的稳定化处理。

在实验设计中，研究团队通过一系列实验方法对地质聚合物的性能进行了系统评估。首先，通过压实试验确定了不同地质聚合物掺量对土壤最优含水率（OMC）和最大干密度（MDD）的影响。结果表明，随着地质聚合物掺量的增加，土壤的OMC呈现下降趋势，而MDD则显著上升。这说明地质聚合物能够有效改善土壤的物理结构，使其更加密实，从而提升整体的承载能力。其次，通过无侧限抗压强度（UCS）试验，评估了不同掺量下土壤的强度变化。试验数据显示，在7天的养护周期内，当地质聚合物掺量达到12%时，土壤的UCS值可达到4.18 MPa，而随着养护时间的延长，强度进一步提升，28天时达到4.55 MPa。这一结果表明，地质聚合物能够显著增强土壤的结构稳定性，使其具备较高的承载能力，满足道路工程对路基材料的要求。

此外，研究还通过加州承载比（CBR）试验分析了地质聚合物对土壤承载性能的影响。CBR是衡量土壤承载能力的重要指标，其数值越高，说明土壤的承载性能越强。在本研究中，随着地质聚合物掺量的增加，CBR值也呈现出明显的上升趋势。在7天的养护后，掺量为0%、4%、8%和12%的土壤CBR值分别为1.2%、3.5%、6.5%和10.5%。而在28天的养护后，CBR值进一步提高至13.2%。这表明，地质聚合物不仅能够快速提升土壤的短期承载能力，还能在长期养护过程中保持良好的性能表现。更重要的是，CBR值的提升超过了现行标准中对路基材料的最低要求，证明了该材料在实际工程中的可行性。

为了更深入地理解地质聚合物对土壤性能的改善机制，研究还采用了回弹模量（resilient modulus）试验。回弹模量反映了材料在动态荷载下的弹性性能，是评估道路材料长期性能的重要参数。试验结果显示，随着地质聚合物掺量的增加，土壤的回弹模量也显著提高。然而，值得注意的是，回弹模量并不受应力依赖性影响，即无论施加的应力如何变化，其模量保持相对稳定。这说明地质聚合物的稳定化作用主要体现在其对土壤颗粒的微观结构改善，而非改变其应力-应变关系。进一步分析表明，随着围压的增加或剪切应力的减少，回弹模量显著上升，这表明地质聚合物在提高土壤结构稳定性方面具有显著效果。

通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）技术，研究团队对地质聚合物稳定化土壤的微观结构进行了深入分析。SEM图像显示，未稳定化的土壤中存在大量的孔隙和裂缝，而加入地质聚合物后，这些孔隙被凝胶材料填充，从而增强了土壤颗粒之间的结合力。随着地质聚合物掺量的增加，土壤的孔隙率显著降低，结构更加致密。EDS分析进一步揭示了凝胶材料的主要成分，包括氧、硅、铝、钙和钠等元素。这些元素主要以钙铝硅酸盐水合物（C-A-S-H）、钙硅酸盐水合物（C-S-H）以及钠铝硅酸盐水合物（N-A-S-H）的形式存在。这些凝胶材料的形成，不仅改善了土壤的微观结构，还提升了其整体的力学性能。

研究结果还表明，地质聚合物的掺量对土壤性能的提升具有明显的非线性关系。当掺量较低时，如4%，土壤的孔隙仍然较多，虽然强度有所提高，但尚未达到最佳效果。随着掺量增加至8%，土壤的孔隙率大幅降低，凝胶材料能够充分填充土壤颗粒之间的空隙，形成更紧密的结构，从而显著提升强度和承载能力。然而，当掺量进一步增加至12%时，虽然强度仍然有所提高，但提升幅度相对较小，说明此时的掺量已接近最佳范围，继续增加可能不会带来明显的性能改善。这一现象表明，地质聚合物的掺量需要在一定范围内进行优化，以实现最佳的稳定化效果。

从研究的综合分析来看，地质聚合物在改善高液限土壤性能方面表现出显著的优势。首先，其能够有效降低土壤的最优含水率，提高最大干密度，从而改善土壤的压实性能。其次，地质聚合物的加入显著提升了土壤的无侧限抗压强度和加州承载比，使其具备更高的承载能力，符合道路工程对路基材料的要求。此外，地质聚合物的稳定化作用主要体现在其对土壤微观结构的改善，通过形成致密的凝胶网络，增强了土壤颗粒之间的结合力，提高了整体的结构稳定性。这些优势使得地质聚合物成为一种极具潜力的替代材料，不仅能够减少对传统水泥的依赖，还能在一定程度上缓解工业固体废弃物带来的环境压力。

在实际应用中，地质聚合物的使用不仅能够提升工程材料的性能，还能够实现资源的循环利用。粉煤灰和矿渣作为工业废弃物，其资源化利用不仅减少了填埋量，还降低了原材料的获取成本。此外，由于地质聚合物的生产过程相比传统水泥更为环保，其在降低碳排放方面具有明显优势。因此，该材料的推广和应用，对于实现绿色可持续发展具有重要意义。研究还指出，未来的研究方向应进一步探索地质聚合物在道路工程中的具体应用，包括其在不同地质条件下的适应性、长期性能稳定性以及大规模应用的经济可行性。

综上所述，本研究通过系统的实验分析，验证了地质聚合物在高液限土壤稳定化中的应用潜力。其在提升土壤强度、改善压实性能以及优化微观结构方面的效果显著，为工业固体废弃物的资源化利用提供了新的思路。同时，研究结果也为道路工程中路基材料的选择和优化提供了科学依据。未来，随着相关技术的不断成熟和应用范围的扩大，地质聚合物有望成为传统水泥的有力替代品，推动基础设施建设向更加环保、高效的方向发展。