综述：硫化性粘土稳定化作为新型建筑地基

《European Journal of Soil Science》：Stabilisation of Sulphide-Bearing Clays as a New Building Ground

本文系统研究了芬兰沿海地区富含硫化物的酸性硫酸盐（AS）粘土稳定化技术，通过水泥、高炉矿渣（BFS）、生石灰（CaO）和飞灰等粘结剂的组合应用，有效解决了AS粘土酸化及重金属（如Ni、Zn、Cd）淋溶问题。研究发现，用矿渣替代65%水泥可保持长期抗压强度（UCS），显著降低CO2排放；AS粘土需更多粘结剂才能达到非AS粘土的强度，微观结构显示其早期钙矾石（ettringite）形成更活跃。稳定化技术成功固化有害元素，为废弃粘土资源化利用提供了环境友好方案。

　　

引言

随着城市扩张，建筑活动日益面临粘土质土壤、污染土壤和疏浚弃土等复杂地基的挑战。芬兰沿海地区分布着富含硫化物的海相粘土，当其被开挖暴露于空气中时，硫化物（如黄铁矿FeS₂）氧化生成硫酸，形成酸性硫酸盐（AS）土壤，导致pH值降至4以下，并引发镍（Ni）、锌（Zn）、镉（Cd）等有害元素的淋溶。本研究以图尔库市AS粘土与非AS粘土为对象，通过系统优化粘结剂配方，旨在实现硫化性粘土的安全资源化利用。

材料与方法

研究选取AS粘土（AS1、AS2、AS3）和非AS粘土（NS1、NS2）样本，通过氢氧化物快速氧化测试（pH_FOX、S_FOX）和19周孵育实验鉴定土壤类型。采用水泥（CEM II/B-M）、高炉矿渣、生石灰和飞灰作为粘结剂，按40–120 kg/m3剂量与粘土混合压制成圆柱体试样，测定7、28、91天后的无侧限抗压强度（UCS）。通过扫描电镜/能谱分析（SEM/EDS）观察微观结构，并依据芬兰MARA法令评估重金属淋溶风险。

结果与讨论

粘土性质与重金属淋溶

AS粘土总硫含量（0.8%–1.2%）显著高于非AS粘土（0.076%–0.11%）。孵育后AS粘土pH降至3.1–3.5，镍（3.0–5.0 mg/kg）和锌（4.8–11 mg/kg）淋溶量超出MARA覆盖场地限值，而稳定化处理使pH维持在11–12，有效抑制有害元素释放。

强度发展差异

AS粘土的UCS普遍低于非AS粘土60%–70%。例如，水泥剂量为120 kg/m3时，AS1的91天UCS为491 kPa，而NS1达1291 kPa。矿渣单独使用时对AS粘土强度提升有限（<15 kPa），但与水泥联用（40 kg/m3水泥+80 kg/m3矿渣）可使NS1的UCS达1233 kPa，相当于纯水泥效果，且减少65%水泥用量。生石灰虽能快速提升早期强度，但长期UCS增长缓慢。

微观机制解析

SEM显示，非AS粘土中水泥水化产物（如C-S-H、C-A-S-H）更充分填充孔隙结构。AS粘土中大量针状钙矾石（CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O）在7天时密集生成，可能消耗反应物而影响后期强度发展。EDS证实钙矾石富含钙、硫、铝元素（SO₃含量达40.9 wt%）。

环境效益

稳定化处理后，AS粘土有害元素淋溶量降至检测限以下，且飞灰与矿渣等工业副产物利用显著降低碳足迹。

结论

硫化性粘土稳定化技术通过碱性粘结剂中和酸性、固化重金属，使其满足建筑地基材料要求。AS粘土需更高粘结剂剂量以补偿硫干扰导致的强度损失，而矿渣部分替代水泥兼具环境与经济优势。未来需针对不同硫形态（硫化物/硫酸盐）对水化过程的影响深化研究。