木质素作为土壤稳定剂对经过全深度路面回收处理后的基层特性的影响

《Results in Materials》：The Impact of Lignin as Soil Stabilizer on the Characteristics of Treated Base through Full-Depth Recycling of Pavement

本研究探讨钙 lignosulfonate（CLS）作为可持续稳定剂在沥青路面全深度再生（FDR）中的应用，对比单独使用波特兰水泥与CLS结合的效果。通过85%和60%回收沥青材料（RAP）的混合设计，测试不同比例水泥和CLS对无侧限抗压强度（UCS）的影响，发现CLS与水泥协同作用可显著提升UCS（分别提高10.6%和5.8%），缩短养护时间，减少碳排放并降低水泥用量。

　　在道路建设和维护过程中，沥青路面的损坏是一个长期存在的问题。道路使用过程中，交通负载、气候变化、温度波动、氧化作用和湿度变化等因素都会对沥青路面造成影响，从而需要进行维护和修复工作。传统的维护和修复方法通常依赖于沥青和水泥作为稳定剂，但这些方法往往伴随着较高的环境成本和资源消耗。因此，寻找一种既环保又高效的稳定剂成为研究的重点。本研究关注的是钙木质素磺酸盐（CLS），这是一种源自造纸厂废弃物的可持续材料，被认为是一种具有潜力的替代品。

### CLS作为稳定剂的优势

钙木质素磺酸盐（CLS）是一种天然的生物基材料，其来源广泛且成本相对较低。它在环境友好性方面表现出色，因为它不仅减少了对传统沥青和水泥的依赖，还能有效降低温室气体排放和能源消耗。此外，CLS在提高沥青混合料的性能方面也展现出积极的效果。例如，它能够增强沥青的粘附性，提高其硬度，并减少由于温度变化引起的裂缝问题。这些特性使得CLS成为一种理想的稳定剂，特别是在冷再生技术（Cold In-Place Recycling, CIR）和全深度再生（Full Depth Reclamation, FDR）中。

在全深度再生（FDR）过程中，通常会将沥青层与部分或全部基层材料混合，然后在现场进行压实，形成一个稳定的基层结构。这种技术在维护和修复道路时具有重要的意义，因为它可以减少交通中断时间，同时提高材料的利用效率。然而，传统的稳定剂如水泥在使用过程中可能会导致环境问题，例如由于水泥的生产过程而产生的碳排放。因此，使用CLS作为稳定剂不仅能够减少对传统材料的依赖，还能在一定程度上缓解环境压力。

### CLS与水泥的协同效应

研究发现，当CLS与波特兰水泥结合使用时，能够显著提升稳定效果，并增强材料的抗压强度。在实验中，研究者对两种不同的混合设计进行了评估：一种是85%的再生沥青材料（RAP）与15%的基层土壤的混合设计；另一种是60%的RAP与40%的基层土壤的混合设计。在每种混合设计中，研究者考虑了不同比例的水泥和CLS，包括水泥含量为100%、75%、50%、25%和0%，而CLS的含量则为0%、25%、50%、75%和100%。通过一系列测试，研究发现当使用CLS与波特兰水泥的组合时，其对稳定性和抗压强度的提升效果优于单独使用波特兰水泥或CLS的情况。

具体而言，对于85% RAP的混合设计，使用50%的水泥和50%的CLS时，其28天后的抗压强度（Unconfined Compressive Strength, UCS）比仅使用最优水泥含量的样品高出10.6%。而对于60% RAP的混合设计，使用75%的水泥和25%的CLS时，其UCS值比仅使用最优水泥含量的样品高出5.8%。这些结果表明，CLS与波特兰水泥的结合使用能够带来更好的稳定性和更高的抗压强度，从而为道路维护和修复提供了一种更加环保且高效的解决方案。

### 研究的意义与应用前景

从环境角度来看，CLS的使用能够显著减少对传统沥青和水泥的需求，从而降低道路施工过程中的碳排放和能源消耗。这符合当前全球对可持续基础设施发展的趋势，即在保证工程质量的同时，尽量减少对环境的影响。此外，CLS的引入还可以减少对自然资源的依赖，提高材料的可再生性，这对于未来道路维护和修复具有重要意义。

从工程角度来看，CLS在提高材料的稳定性方面表现出色，尤其是在高RAP含量的混合设计中。研究发现，随着RAP含量的增加，所需的最优水泥比例也随之上升，而CLS的最优比例则有所下降。这表明，CLS在高RAP含量的混合设计中具有更高的应用价值，因为它能够更有效地增强沥青与土壤之间的结合力。此外，CLS的加入还能减少材料的孔隙率，提高其密实度，从而增强整体结构的强度和耐久性。

### CLS的特性与应用潜力

钙木质素磺酸盐（CLS）作为一种生物基材料，具有多种特性使其在道路维护中具有潜在的应用价值。首先，它具有良好的粘附性，能够有效结合沥青颗粒和土壤颗粒，从而提高材料的整体稳定性。其次，CLS的分子结构使其能够在混合过程中发挥吸附作用，填充颗粒之间的空隙，进一步增强材料的密实度。此外，CLS还具有一定的润湿性和亲水性，能够促进水分的均匀分布，从而提高材料的抗水性和耐久性。

然而，尽管CLS具有诸多优势，但其使用仍存在一些挑战。例如，CLS的化学稳定性可能不如波特兰水泥，特别是在长期暴露于水和湿度变化的环境中。因此，在选择使用CLS作为稳定剂时，需要根据具体的环境条件和工程需求，合理控制其用量，以确保其在不同条件下的性能表现。此外，CLS的使用还可能受到材料来源和加工工艺的影响，因此需要进一步的研究来优化其应用方式，并确保其在实际工程中的可行性。

### 实验方法与结果分析

在实验过程中，研究者采用了多种测试方法来评估CLS在FDR中的应用效果。这些方法包括pH值测定、压实特性分析和抗压强度测试（UCS测试）。通过这些测试，研究者能够全面了解CLS在不同混合比例下的性能表现，并据此确定其最优使用比例。

在pH值测定中，研究发现，CLS的加入能够显著降低混合材料的pH值，而波特兰水泥则会提高pH值。这一现象表明，CLS和波特兰水泥在稳定过程中所发挥的作用有所不同。CLS的酸性特性可能有助于改善材料的亲水性和润湿性，而波特兰水泥的碱性特性则有助于增强材料的强度和稳定性。因此，在实际应用中，需要根据具体的材料特性和环境条件，合理选择CLS和波特兰水泥的配比，以达到最佳的稳定效果。

在压实特性分析中，研究者发现，CLS的加入能够提高混合材料的干密度（Maximum Dry Density, MDD）和最优含水率（Optimum Moisture Content, OMC）。这表明，CLS能够有效改善材料的密实度，从而提高其稳定性。然而，研究也发现，随着CLS含量的增加，其对MDD的提升效果并非线性，而是存在一定的变化趋势。例如，在某些混合比例下，CLS的加入反而会降低MDD，这可能是由于其润滑作用导致颗粒之间的结合力减弱。因此，在实际应用中，需要通过实验确定CLS的最佳使用比例，以确保其对材料性能的积极影响。

在抗压强度测试（UCS测试）中，研究者发现，CLS的加入能够显著提高混合材料的抗压强度。特别是当CLS与波特兰水泥结合使用时，其抗压强度的提升效果更加明显。这表明，CLS和波特兰水泥在稳定过程中具有一定的协同效应，能够共同提高材料的强度和耐久性。此外，研究还发现，CLS的加入能够缩短材料的固化时间，这对于需要快速恢复交通的道路维护和修复具有重要意义。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究取得了诸多成果，但仍存在一些局限性。首先，CLS的使用仍然受到其来源和加工工艺的限制，因此需要进一步的研究来探索其在不同材料中的应用效果。其次，CLS的化学稳定性可能不如波特兰水泥，特别是在长期暴露于水和湿度变化的环境中。因此，未来的研究需要关注CLS在不同环境条件下的性能表现，并探索其与其他稳定剂的协同效应。

此外，CLS的使用还可能受到经济成本的影响。虽然其环境效益显著，但在实际应用中，成本问题可能会限制其推广。因此，未来的研究还需要评估CLS在不同混合比例下的经济可行性，并探索其在不同地区的适用性。最后，CLS的使用还需要更多的现场试验数据支持，以验证其在实际道路维护中的效果，并为其广泛应用提供科学依据。

综上所述，钙木质素磺酸盐（CLS）作为一种源自造纸厂废弃物的可持续材料，在道路维护和修复中展现出巨大的应用潜力。通过与波特兰水泥的结合使用，CLS能够显著提高材料的稳定性和抗压强度，同时减少对传统材料的依赖，降低环境影响。然而，其实际应用仍需进一步的研究和实验验证，以确保其在不同条件下的性能表现，并推动其在道路工程中的广泛应用。