基于粒化高炉矿渣的道路路基稳定化：路面设计、成本优化与CO2减排

《Materials》：Road Subgrade Stabilization Using Ground Granulated Blast Furnace Slag: Pavement Design, Cost Optimization, and CO2 Emission Reduction

　　

本研究考察了在道路路基稳定化中使用粒化高炉矿渣（GGBFS）对路面结构与可持续性的影响。研究人员通过向被评估为道路路基的膨润土（BT）土样中按5%、10%、15%和20%的比例掺加GGBFS制备试样。室内试验结果表明，最佳GGBFS掺量为15%；该掺量在3、7和28 d养护龄期结束时，使5.0 mm贯入深度处（被采用为主要结构设计基准）的加州承载比（CBR）值分别提高109%、185%和234%，而无侧限抗压强度（UCS）值分别提高124%、166%和208%。依据AASHTO 1993方法开展的路面厚度与成本设计显示，柔性路面厚度最多减少29.41%，单位面积成本最多降低14.20%。对于刚性（混凝土）路面，厚度最多减少6.06%，单位面积成本最多降低6.77%。对于尺寸为1000 m × 20 m的道路，柔性路面最多可节约成本107,800 USD，刚性路面最多可节约70,792 USD。基于初始施工阶段CO₂排放的可持续性分析表明，使用GGBFS使柔性路面CO₂排放降低11.95%，刚性路面降低7.50%。经评估，这些排放的最大来源为材料生产过程，其分别约占柔性结构总排放的57%和刚性结构总排放的约95%。

一、研究背景与问题提出

在现代工程实践中，以安全、经济且可持续的方式建设工程结构是主要目标之一。建于软弱与问题性土体之上的道路，随着时间推移易出现承载力损失、沉降与表面变形等结构问题，不仅增加财务风险，也危及交通安全。当项目选址在技术或经济上无法迁移时，采用土体改良方法以确保结构连续性和降低维护成本具有重要意义。在改良工艺中，基于调整土体粒径分布的机械方法与利用石灰、水泥、粉煤灰等火山灰质外加剂的化学方法较为突出。近年来，出于环境可持续性与经济效率的考量，高炉矿渣、粉煤灰、稻壳灰等工业废弃物在土体加固中的应用持续增加。

高炉矿渣是钢铁冶炼过程的工业副产物，含有大量二氧化硅、氧化铝和氧化钙。该材料经粉磨后具有水硬性胶凝特性，与土接触后发生火山灰反应。既有研究已证实其可作为多种土类稳定化的有效外加剂。然而，尽管基于高炉矿渣的土体稳定化研究已较为广泛，但将力学性能评价与通过碳足迹分析开展的可持续性评估整合于统一试验框架内的综合性研究仍然有限。特别是结合路基强度提升、基于AASHTO设计方法的路面厚度优化以及柔性路面与刚性路面CO₂排放对比的综合研究尚不充分。本研究即针对这一空白，考察以GGBFS稳定膨润土作为公路路基材料的性能，通过室内试验评价力学性能，采用AASHTO 1993方法评估路面设计影响，并通过计算施工阶段CO₂排放采用可持续性评估方法，从而实现环境与经济性能的对比评价。

二、研究方法概述

本研究以膨润土（BT）为路基土，GGBFS为稳定剂。通过标准击实试验（ASTM D698）确定最佳含水率与最大干密度；制备GGBFS掺量5%、10%、15%、20%的混合料；开展无侧限抗压强度试验（ASTM D2166）与加州承载比试验（ASTM D1883），养护龄期为3、7、28 d；采用扫描电子显微镜（SEM）分析微观形貌与稳定化机理；开展冻融耐久性试验（ASTM D560/D560M-16），循环次数为3、6、12次。路面设计方面，柔性路面与刚性路面均按AASHTO 1993方法进行，设计交通量为200,000,000 ESALs，设计参数依据土耳其公路总局（KGM）相关规范选取，并通过CBR-回弹模量（M_R）经验关系确定路基参数。成本分析采用KGM单价。可持续性分析采用IPCC Tier 1方法计算初始施工阶段材料生产、运输与机械作业的CO₂排放，评价对象为1000 m × 20 m的双向分离式公路。GGBFS取自ISDEMIR（土耳其哈塔伊），膨润土取自?ANBENSAN（土耳其昌克勒）。

三、研究结果

3.1 标准击实与无侧限抗压强度试验结果

随着GGBFS掺量增加，最佳含水率上升而最大干密度下降，归因于GGBFS低比重与多孔结构导致孔隙比增大、压实难度增加。无侧限抗压强度随GGBFS掺量与养护龄期增加而提高；15% GGBFS试样强度最高，3、7、28 d龄期较未处理膨润土分别提高124%、166%、208%。应变值随掺量与龄期增加而降低，与材料刚度提高相关。

3.2 CBR试验结果

以15% GGBFS为最优掺量，在5.0 mm贯入深度处，3、7、28 d养护后CBR值较未处理土分别提高109%、185%、234%，达到10.80%、15.43%、20.99%。研究者指出，GGBFS中钙、硅、铝的反应性通过形成水化产物提高力学抗力；超过最优值后未反应自由材料累积，不再产生额外强度增长。

3.3 微观结构分析结果

SEM图像显示，15% GGBFS时凝胶形成最大、微观结构最为致密。强度发展与最优掺量的确定归因于阳离子交换、颗粒团聚与火山灰反应的协同作用：GGBFS释放的Ca²⁺在蒙脱石表面引发阳离子交换，减小双电层厚度并促进絮凝；随后膨润土与GGBFS中的溶解硅、铝物种发生长期火山灰反应，形成充填基质的胶凝水化产物，与文献报道的水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-A-H）凝胶相一致。在无外部碱性激发剂的无活化体系中，孔隙溶液固有碱度不足以完全溶解并反应过量GGBFS颗粒，20%掺量时未反应颗粒作为非胶结夹杂与弱界面区存在，确认15%为该体系的化学饱和阈值。

3.4 耐久性（抗冻融性能）

经3、6、12次冻融循环后，未处理BT与15% GGBFS试样的无侧限抗压强度分别记录为：3次循环84.21 kPa与249.43 kPa；6次循环65.54 kPa与202.98 kPa；12次循环22.11 kPa与83.53 kPa。相对0次循环基准，未处理BT在3、6、12次循环后强度损失分别为35.89%、50.10%、73.74%，质量损失分别为2.78%、3.23%、3.86%；15% GGBFS试样强度损失分别为28.51%、41.82%、66.51%，质量损失分别为1.39%、1.67%、2.03%。初始强度优势为166%，经3、6、12次循环后相对性能优势扩大至196%、210%、278%。优越的抗冻融性能归因于火山灰水化产物形成的致密微观网络，C-S-H凝胶充填微孔隙、降低渗透性并抑制毛细水迁移。

3.5 路面设计

以各养护龄期最高CBR值确定路基回弹模量M_R（采用MEPDG-3的M_R = 2555(CBR)^0.64关系）与地基反应模量k（k = M_R/19.4）。未处理BT的M_R在3、7、28 d分别为7312、7527、8281 psi；15% GGBFS土分别为11,716、14,271、17,926 psi。路基稳定化成本按0.85 USD/m²计，包含GGBFS 500 km运输及KGM推荐的设备与人工单价。敏感性评价表明，原材料制造（柔性路面沥青生产约占总排放57%，刚性路面硅酸盐水泥生产占95%以上）主导总体环境足迹；即使考虑延长的GGBFS运输距离，通过15% GGBFS路基稳定化实现的层厚大幅减少仍带来两类路面累积CO₂排放的稳健净减排。

3.6 柔性路面设计

相较于未处理BT，GGBFS稳定化土使柔性路面层厚在3、7、28 d养护后分别减少17.76%、23.81%、29.41%；单位面积成本分别降低8.38%、12.64%、14.20%；对1000 m × 20 m道路对应节约65,200 USD、97,600 USD、107,800 USD。

3.7 刚性路面设计

未处理BT所需混凝土板厚在3、7、28 d分别为18.02、17.97、17.92英寸，实用取46 cm；GGBFS稳定化土所需板厚分别为17.31、16.90、16.51英寸，实用取44、43、42 cm。相较于未处理BT，层厚分别减少3.03%、4.55%、6.06%；单位面积成本分别降低3.39%、5.08%、6.77%；对1000 m × 20 m道路对应节约35,396 USD、53,094 USD、70,792 USD。

3.8 基于初始施工CO₂排放的可持续性分析

柔性路面：3 d养护下，未处理BT路基总排放719,606 kg（材料57.51%、运输16.41%、机械26.08%），GGBFS稳定化路基总排放681,639 kg，减排5.36%；7 d养护下总排放由713,233 kg降至644,723 kg，减排9.61%；28 d养护下由703,261 kg降至619,231 kg，减排11.95%。刚性路面：未处理BT路基总排放3,512,675 kg（材料95.43%、运输3.04%、机械1.53%）；3、7、28 d养护下GGBFS稳定化路基总排放分别为3,392,267 kg、3,320,708 kg、3,249,189 kg，分别减排3.43%、5.46%、7.50%。总排放主要来源为材料相关排放（柔性路面约57%，刚性路面约95%），与文献一致；通过稳定化减小路面层厚被视为有效且适宜的途径。

四、讨论与结论

讨论部分指出，GGBFS稳定化BT土工程性能的提升可归因于养护期间渐进的水化与潜在水硬性反应，促进C-S-H与C-A-S-H等胶凝产物形成，增强颗粒间粘结并降低孔隙连通性，与SEM观察到的更致密微观结构一致；稳定化效果不仅取决于掺量，还取决于是否提供足够养护时间。从路面工程角度，路基支撑提高使路面结构更有效分布交通荷载，从而降低对上部路面层的结构需求，这解释了稳定化土性能提升转化为路面厚度减小而非仅停留于室内性能增益；柔性路面的响应更为显著，表明其结构设计比刚性路面更直接受路基改良影响，后者混凝土板本身提供更大比例的结构能力。工程改良还通过降低材料需求产生间接经济与环境优势，主要经济效益并非源于稳定材料本身，而源于路面几何优化减少集料、沥青混合料与混凝土用量。研究人员强调应以集成工程框架评价GGBFS稳定化效益，而非将土体强度提升视为孤立性能指标。

结论部分译为：本研究考察了GGBFS稳定化BT土对公路路面的影响，现将室内试验、路面设计（柔性或刚性）、成本分析与初始施工阶段CO₂排放计算所得结论呈现如下。压实特性方面，标准击实试验结果表明，GGBFS替代率增加提高最佳含水率并降低最大干密度，归因于GGBFS低比重与多孔结构导致需水量增加。抗压强度方面，无侧限抗压强度结果表明GGBFS掺量与养护龄期增加提高土体强度；15% GGBFS试样在3、7、28 d龄期强度分别提高124%、166%、208%；SEM分析证实水与GGBFS作用形成的改良结构较未处理土更为致密。承载能力方面，15% GGBFS试样CBR值在3、7、28 d养护后最大提高109%、185%、234%，表明GGBFS中钙、硅、铝的反应性通过形成水化产物增强力学抗力。养护龄期效应方面，养护龄期是强度增长最关键因素之一，所有情形下强度随龄期延长而增加，因此设计路面结构时确定适宜养护龄期至关重要。冻融耐久性方面，0、3、6、12次冻融循环试验表明15% GGBFS稳定化显著增强抗冻性；未处理膨润土在12次循环后损失73.74%抗压强度（降至22.11 kPa），而15% GGBFS稳定化土保留83.53 kPa的显著残余强度（较未处理土性能优势达278%），质量损失仅2.03%，证实不溶性C-S-H凝胶有效形成以抵抗循环热应力。柔性路面分析方面，GGBFS稳定化使柔性路面厚度最多减少29.41%、单位成本最多降低14.20%，带来可观经济节约。刚性路面分析方面，15% GGBFS稳定化路基的总路面厚度最多减少6.06%，单位面积成本最多降低6.77%；对1000 m长、20 m宽分离式公路，实施GGBFS稳定化带来可观经济节约，最高达70,792 USD。环境影响方面，初始施工CO₂排放对比表明，GGBFS稳定化使柔性路面排放分别降低5.36%、9.61%、11.95%（对应减排38,538 kg、68,509 kg、84,031 kg CO₂）；刚性路面分别降低3.43%、5.46%、7.50%（对应减排120,408 kg、191,967 kg、263,487 kg CO₂）。GGBFS稳定化实现的CO₂减排量相当于数千株成熟树木的年固碳能力，凸显公路建设环境可持续性的显著潜力。研究结果表明，土体稳定化显著改善柔性或刚性路面系统的结构性能，降低初始建设成本与CO₂排放；稳定化带来的承载力与耐久性提升预期将减少路面服役期内的维护与修复需求，因而稳定化实践不仅贡献短期经济效益，也通过减少材料消耗及相关碳排放贡献长期环境可持续性。因此，土体稳定化可被视为改善路面基础设施整体经济与环境性能的有效策略。总之，GGBFS用于土体稳定化预期可在柔性或刚性路面设计中显著降低路面层厚与建设成本，这些经济有效的设计也预期降低初始施工阶段CO₂排放。此外，本研究强调仅提高土体强度可能不足以最小化公路建设成本；由于GGBFS为可连续供应的工业副产物，其利用预期进一步增强成本效率。通过稳定化减少路面建设所需材料量，可最小化与材料生产、运输及应用相关的CO₂排放，从而贡献环境可持续性。尽管结果具有前景，应承认本研究局限性：路面厚度与性能评价依赖AASHTO力学-经验路面设计指南（MEPDG-3, 2024）推荐的CBR经验关系用于初步设计层面分析；化学稳定化土在现场可能表现出复杂的应力相关非线性变形行为；12次室内冻融试验确认了短中期环境耐久性，但组合环境暴露（干湿循环与湿度波动）下的长期现场性能仍是必要要求；将施工阶段生命周期评价（LCA）结果推广至不同地理区域时应考虑场地特定物流变化；环境可持续性分析聚焦初始施工阶段（摇篮到大门），运营维护与寿命终结阶段的评价仍属未来综合LCA的研究课题。最重要的是，本研究超越传统土体稳定化，强调将GGBFS作为工业废弃物的战略升级利用，以直接最小化柔性或刚性路面结构的初始建设成本与摇篮到大门CO₂排放。总体而言，本研究作为初步研究框架，突出GGBFS在路面基础设施中的显著潜力、成本效率与碳足迹削减效益；对于详细场地特定实施，建议未来研究采用直接循环三轴回弹模量试验、加速路面试验与长期现场性能监测以进一步修正这些经验估计。