全固体废弃物稳定改良后的苏打残渣在道路路基中的田间试验：力学性能与环境行为分析

《Environmental Research》：Field trial of all-solid-waste stabilized soda residue for roadway subgrades: mechanical performance and environmental behavior

　　

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  一种含有70%重量百分比苏打残渣的全固体废弃物基层在实地进行了测试
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  展示了一种高湿度苏打残渣的全尺度施工方法
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  压实和初始含水量共同控制了实地机械性能的变异性
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  核心渗滤实验显示Cl^-的减少以及后期渗滤仪pH值/电导率的下降
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  为S-SR实地评估校准了特定的DCP-CBR关系

引言

大量的碱性及含盐工业废弃物带来了持续的环境和工程挑战，因为长期堆存不仅占用土地，还可能促进可溶性成分释放到周围土壤和水中（Gong等人，2026年；Gu等人，2026年）。苏打残渣（SR）作为氨-苏打过程的副产物，由于其高盐度、强碱性和高含水量而成为此类废弃物的代表（Gomes等人，2016年）。大约每生产1吨纯碱会产生0.3-0.6吨的SR，但仅有约3%-4%被有效利用（Z. Wang等人，2025年）。2024年中国产生了超过40亿吨的一般工业固体废弃物，总体利用率约为60%（MEE，2024年），2025年纯碱产量约为3800万吨，位居全球之首（USGS，2026年）。在连云港、天津和潍坊等主要纯碱生产地，大量SR仍然被堆放，可能导致土地占用、土壤和地下水盐碱化以及通过盐分渗出和颗粒扩散产生灰尘（Kasikowski等人，2007年；Zong等人，2023年）。因此，开发高 volumes 且环保的SR再利用途径对于减少累积的废弃物及其相关的环境负担非常重要。

SR具有强碱性、高含水量、强保水性和丰富的细颗粒。其主要成分包括CaCO₃、CaSO₄、Mg(OH)₂、CaCl₂和NaCl，赋予SR潜在的填充、胶凝和碱激活功能（Kasikowski等人，2004年）。然而，高含量的可溶性盐，特别是Cl^-，会促进土壤和地下水的盐碱化以及沿海钢筋混凝土基础设施的腐蚀，限制了其大规模再利用（Wu等人，2022年）。因此，SR的大规模再利用不仅需要足够的工程性能，还需要证明在实地应用和后续环境暴露过程中能够有效控制碱性和可溶性盐的释放。

SR的再利用已在岩土工程、环境和建筑材料应用中得到广泛研究。SR已与水泥、石灰、粒化高炉矿渣（GGBS）和粉煤灰（FA）结合使用，用于稳定疏浚土壤和污泥（He等人，2020年）、改善海洋软土（Yang等人，2025年）、稳定重金属污染土壤（Zha等人，2020年）以及制备复合粘合剂（An等人，2022年）。然而，在大多数情况下，SR仅作为改良剂或辅助成分使用，限制了其消耗量。道路基层需要大量的连续填充材料，因此非常适合就地利用工业固体废弃物（Bamigboye等人，2021年；Jiang等人，2024年）。传统的道路建设严重依赖天然土壤、骨料、水泥和石灰，这些材料的开采和生产会消耗资源、破坏生态系统并产生碳排放（Ren等人，2025年；Scrivener等人，2018年）。因此，使用基于SR的固体废弃物混合物作为再生建筑材料可以结合堆场修复、天然材料替代、减少碳密集型粘合剂的使用以及低碳道路建设（Gu等人，2023年）。

先前的研究已经在SR的道路再利用方面取得了进展。Ma等人（2020年）通过实验室和实地测试证明了制备和铺设SR土壤的可行性，并验证了其足够的承载能力和变形模量。Liu等人（2024年）和Wang等人（2026年）使用水泥、GGBS和SR制备了轻质基层填料，并报告说无侧限抗压强度（UCS）、加州承载比（CBR）、回弹模量和变形满足相关设计要求。Zhao等人（2024年）展示了石灰-SR稳定土壤的有利实地UCS、CBR和回弹模量，而Zhang等人（2025年）报告了SR-磷酸盐尾矿改良鱼塘土壤的高速公路性能令人满意。然而，这些系统通常依赖于传统粘合剂，SR含量相对较低，或缺乏对实地机械性能、环境行为和高残渣含量下长期行为的综合评估。

在SR能够以大规模、低碳和环保的方式用于道路基层之前，仍存在几个问题。首先，大多数基于SR的道路材料仍然依赖水泥、石灰或工业碱活化剂，这限制了SR的用量，并使得高固体废弃物的利用难以与低碳建设相结合；当地的可用性和运输成本也受到较少关注。其次，以往的研究主要集中在UCS、CBR和回弹模量等机械指标上，而对特征阴离子（Cl^-和SO₄^2-）和重金属的渗出、迁移和长期释放关注较少。在实际服务条件下，特别是在温度、含水量和降雨效应共同作用的情况下，长期实地监测尤为缺乏。第三，大多数可用数据来自标准养护条件下的实验室样品，无法完全反映原位混合、水分调节、分层压实、自然养护和降雨渗透的情况。最后，SR的高含水量、细颗粒和强保水性使得实地施工对含水量非常敏感，高SR含量的全固体废弃物基层的施工和质量控制程序还不够完善。

为此，进行了一项全尺度现场试验，使用当地堆放的SR与铁尾矿（IT）、GGBS和粉煤灰（FA）混合，制备了全固体废弃物稳定的苏打残渣（S-SR）。该研究旨在：（1）建立撒布、原位混合、水分调节、分级和压实的实用工艺；（2）利用CBR、板载荷回弹模量（M_R）、Benzelmann梁回弹变形（BBD）、便携式落下重物变形仪（PFWD）动态变形模量（E_vd）和动态圆锥贯入（DCP）测试及动态圆锥贯入指数（DCPI）来表征随时间变化的现场性能；（3）通过多龄期核心渗滤实验表征重金属和特征阴离子的释放行为，并结合现场渗滤仪pH值和电导率（EC）、内部基层条件和施工前后的地下水质量监测来评估S-SR的环境行为和现场环境响应。水化、微观结构演变和离子稳定机制在另一项研究中进行了报道（Xu, Jin等人，2026年）。

章节片段

现场描述

现场试验在中国江苏省连云港市连云区的南通路项目上进行，地理位置约为北纬34.76°，东经119.30°（图1a）。连云港属于温带湿润季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。试验地点靠近黄海海岸，距离SR堆场及相关处理设施约2公里。周边地区主要由规划中的道路、未开发的土地和排水渠道组成。

压实程度和最大干密度

S-SR的实验室压实曲线如图4a所示。随着含水量从24.5%增加到32.1%，干密度呈现预期的单峰趋势。最佳含水量和最大干密度分别为28.4%和1.26 g/cm³。较高的最佳含水量与SR的高细颗粒含量、多孔结构、富含Ca和Mg的成分以及强保水性一致。最大干密度仅为传统材料的约70%

压实程度和初始含水量对现场机械性能的影响

现场结果表明，施工过程中确定的压实程度和初始含水量的差异继续影响了S-SR的后续机械性能。如图S8所示，压实程度与E_vd呈正相关（R² = 0.93），与DCPI呈负相关（R² = 0.98）；初始含水量的相应R²值分别为0.79和0.77。第三层的含水量最高（31.20%），压实程度最低（93.1%）。

结论

基于全尺度现场试验，本研究调查了全固体废弃物稳定苏打残渣（S-SR）基层的施工、早期机械性能、渗滤行为和原位环境响应。主要结论如下：

(1)

建立了一种实用的施工工艺，用于高SR含量的S-SR，采用分层放置、多遍原位混合、分阶段水分调节和分级压实。最佳含水量和最大干密度分别为

CRediT作者贡献声明

Yang Xu：写作 – 修订与编辑，原始草稿撰写，方法学研究，资金获取，正式数据分析，数据管理。Jialei Wan：方法学研究，数据管理。Fei Jin：写作 – 修订与编辑，监督，方法学研究。Chuizheng Fan：方法学研究，资金获取。Yan-Jun Du：写作 – 修订与编辑，监督，资金获取，正式数据分析。Dexing Liu：方法学研究，数据管理。Bo Huang：资源协调，方法学研究，资金获取

未引用参考文献

ASTM D6951, 2023; ASTM E2835-21, 2021; CJJ 37-2012, 2016; Consoli等人，2011; GB/T 14848-2017, 2017; GB/T 51366-2019, 2019; HJ 557–2010, 2010; JTG 3430-2020, 2020; JTG 3450-2019, 2019; JTG D30-2015, 2015; TB 10751-2018, 2018; Wang等人，2025; Xu等人，2026.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金会（资助编号：42477178）、徐州师范大学博士研究生创新能力提升计划（CXJH_SEU 24174），以及中国环境集团有限公司的苏打残渣资源化利用研究项目（项目编号：8521006515）的支持。

Yang Xu|Jialei Wan|Fei Jin|Dexing Liu|Bo Huang|Chuizheng Fan|Yan-Jun Du