《Materials》：Comparative Stabilization of TSC Composite Soil Using Cement, Lime, Solid-Waste-Based Binders, and MICP: Mechanical Performance, Microstructure, and Carbon Emissions
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为推动工业副产品钛石膏的资源化利用并改善其工程性能，本研究对一种按质量比60:40混合钛石膏与黏土制备的TSC复合土进行了探讨。研究人员系统比较了水泥、固废基胶凝材料、石灰及微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）四种稳定化方法。通过不同养护龄期的无侧限抗压强度（UC
为推动工业副产品钛石膏的资源化利用并改善其工程性能，本研究对一种按质量比60:40混合钛石膏与黏土制备的TSC复合土进行了探讨。研究人员系统比较了水泥、固废基胶凝材料、石灰及微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）四种稳定化方法。通过不同养护龄期的无侧限抗压强度（UCS）、水稳定性及冻融试验评估了力学与耐久性能，并采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜耦合能谱分析（SEM-EDS）及氮气吸附-脱附法（BET）表征了稳定化机理。进一步基于生命周期排放因子法评估了碳排放。整合工程性能、微观结构机理与环境影响的比较框架构成了本研究的主要贡献。在28天时，水泥稳定土的UCS最高，约为2.6 MPa，其次为固废基胶凝材料、石灰及MICP体系。MICP产生的CaCO3沉淀填充孔隙并形成颗粒间桥接结构，尽管其短期强度相对较低，但改善了水稳定性与结构完整性。MICP体系的净碳排放估算值为4.3 kg CO2/t稳定土，较水泥稳定化降低了约86%。这些结果表明，四种稳定化方法在力学性能与环境影响之间存在明显的权衡关系，并指出MICP是一种有前景的低碳选项，适用于钛石膏基复合土，但仍需进一步的现场尺度与长期验证。
论文解读文章
一、研究背景与问题
随着基础设施建设的持续扩张，路基工程对填筑材料的需求显著增长。至2025年，中国公路建设年消耗土方材料预计超过20亿吨。天然黏土资源的过度开采加剧了水土流失与地质环境风险。与此同时，工业固体废弃物的大量产生与长期堆积已成为重大环境挑战。因此，推动工业副产品利用与土壤改良技术的协同发展，是实现资源循环利用与绿色基础设施建设的重要途径。由工业副产品钛石膏与天然黏土混合形成的TSC复合土，是一种兼具废弃物利用与性能调控潜力的新材料体系。然而，未经处理的TSC复合土存在干密度低、体积稳定性差、强度有限等局限，难以满足路基工程的承载力与耐久性要求。传统稳定材料如水泥和石灰虽能显著提升土体强度，但其生产过程伴随高碳排放与大量能耗，与绿色低碳发展目标相悖。因此，开发兼顾工程性能与环境效益的可持续稳定化技术，具有重要的理论与实际意义。
现有研究已探索了水泥、石灰、固废基胶凝材料及MICP等技术在土壤改良中的应用，但在同一复合土体系内系统比较其力学性能、耐久性、微观机理及碳排放的研究仍十分有限。特别是针对钛石膏基复合土，不同稳定化方法的适用性与优化策略尚不明确。为此，本研究旨在通过统一的比较框架，揭示传统、固废基与生物介导稳定化方法之间的差异，评估工程性能与环境影响之间的权衡关系，并为TSC复合土的可持续稳定化提供依据。
二、研究内容与结论
研究人员以钛石膏与黏土按质量比60:40配制的TSC复合土为基材，系统比较了水泥、石灰、固废基胶凝材料及微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）四种稳定化方法的效果。通过不同养护龄期（3、7、14、28天）的无侧限抗压强度（UCS）、水稳定性及冻融循环试验评价力学与耐久性能，并结合X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜耦合能谱分析（SEM-EDS）及氮气吸附-脱附法（BET）进行微观机理表征。同时，采用基于生命周期的排放因子法评估碳排放。
研究表明，水泥稳定化在力学性能与耐久性方面表现最优，28天UCS达2.6 MPa，水稳定系数为0.88，冻融后强度为2.02 MPa，但碳排放最高（45 kg CO2/t）。固废基胶凝材料实现了较好的综合力学性能（28天UCS为1.94 MPa，水稳定系数0.82），碳排放大幅降低至12.8 kg CO2/t。石灰稳定化效果较弱（28天UCS为1.57 MPa，水稳定系数0.77），碳排放为35 kg CO2/t。MICP虽短期强度最低（28天UCS为1.12 MPa，水稳定系数0.79），但凭借CaCO3沉淀的孔隙填充与颗粒桥接作用，展现出良好的结构完整性，且净碳排放仅为4.3 kg CO2/t，较水泥降低约86%。研究揭示了四种方法在力学性能与碳排放之间的明确权衡关系，并指出MICP作为低碳稳定化技术的潜力。
三、关键技术方法
研究人员采用了以下主要关键技术方法：1）X射线荧光光谱（XRF）分析原材料化学组成；2）无侧限压缩试验测定UCS；3）浸水后强度测试计算水稳定系数；4）程序控制冻融箱进行冻融循环试验；5）X射线衍射（XRD）鉴定晶相；6）傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团；7）热重分析（TG-DTG）定量分析产物；8）扫描电子显微镜耦合能谱分析（SEM-EDS）观察微观形貌与元素分布；9）氮气吸附-脱附法（BET）测定比表面积与孔隙结构；10）基于生命周期排放因子法的碳排放评估。
四、研究结果
4.1 力学性能与环境耐久性评估
4.1.1 无侧限抗压强度分析：通过UCS试验发现，所有稳定化样品的UCS均随养护龄期持续增长。水泥稳定化（TSC-S）表现出显著的早期强度优势，28天UCS约2.6 MPa，归因于水化生成的C-S-H凝胶与钙矾石（AFt）形成的连续胶结网络。固废基胶凝材料（TSC-G）强度居中，28天约1.94 MPa，得益于碱激发反应生成的C-(A)-S-H凝胶。石灰稳定化（TSC-H）强度较低，28天约1.57 MPa，受限于有限的火山灰反应产物。MICP（TSC-J）强度最低，28天约1.12 MPa，但持续增长，主要依靠CaCO3沉淀填充孔隙与胶结颗粒。
4.1.2 水稳定性研究：通过浸水前后UCS比值计算水稳定系数K。所有体系的水稳定性随龄期提高。TSC-S最高，从3天的0.66增至28天的0.88，源于致密的水化产物网络。TSC-G次之，28天为0.82。TSC-H较低，28天为0.77，因胶结产物分散。TSC-J从0.58增至0.79，CaCO3桥接结构增强了耐水侵蚀能力。
4.1.3 冻融耐久性评价：经10次冻融循环后，所有样品UCS持续下降。TSC-S与TSC-G保持较高强度保留率，10次后分别为1.01 MPa和0.71 MPa，归因于水化产物的抗冻胀能力。TSC-H与TSC-J劣化严重，后者强度近乎为零，表明MICP处理在反复冻融下胶结结构破坏显著，不建议直接用于寒冷地区。
4.2 微观机理分析
4.2.1 产物物相分析：结合XRD、FTIR与SEM-EDS分析，TSC-S中检测到AFt与AFm水化产物及C-S-H凝胶，形成致密胶结网络。TSC-G主要形成低结晶度的硅铝酸盐凝胶（C-(A)-S-H），均匀分布于颗粒间。TSC-H中存在剩余Ca(OH)2及碳化生成的CaCO3，但胶结相分散。TSC-J以CaCO3沉淀为主，形成颗粒间桥接结构。
4.2.2 固化产物定量关系：TG-DTG分析显示，TSC-S总失重约8.68%，主要在200–400°C（C-S-H脱水）与600–800°C（CaCO3分解）。TSC-G总失重10.72%，200–400°C失重5.91%，热稳定性较好。TSC-H总失重7.88%，以Ca(OH)2脱水为主。TSC-J总失重7.28%，CaCO3的高温稳定性提升了耐热性。
4.2.3 微观结构特征：BET与SEM分析表明，未固化TSC呈松散多孔结构。TSC-S与TSC-G呈现致密微观结构，孔隙被水化产物有效填充。TSC-H孔隙较明显，胶结相分散。TSC-J中CaCO3晶体填充孔隙并形成桥接，增强了结构稳定性。
4.3 碳排放分析
采用生命周期评价（LCA）与排放因子法，以5%掺量为基准，计算单位质量稳定土的碳排放。水泥稳定化最高（45 kg CO2/t），主要来自石灰石煅烧。石灰稳定化为35 kg CO2/t。固废基材料降至12.8 kg CO2/t，受益于工业副产品的碳封存潜力。MICP系统总排放13.8 kg CO2/t，但CaCO3沉淀固定9.5 kg CO2/t，净排放仅4.3 kg CO2/t，较水泥降低约86%。此外，MICP的单位能耗仅为水泥的20.7%，且改性土成本不高于80元/吨，较水泥固化低17.2%。
五、总结与结论
讨论部分指出，四种稳定化方法在力学性能、耐久性与碳排放之间存在明确权衡。水泥与固废基胶凝材料在试验条件下提供了相对优越的力学性能，而MICP虽短期强度较低，但净碳排放更低，展现了作为低碳稳定化技术的潜力。然而，所有实验均在可控实验室条件下进行，最大养护龄期为28天，冻融循环次数有限，长期现场性能尚不确定。碳排放估算依赖于所采用的系统边界、排放因子、运输与能源假设及碳封存量估算。原材料变异性、MICP处理均匀性、施工规模可行性及综合经济性能尚未充分评估。
研究结论翻译如下：（1）水泥稳定化TSC复合土在28天时表现出最高的力学性能，UCS为2.6 MPa，水稳定系数0.88，冻融后强度2.02 MPa，耐久性最佳，但碳排放最高，为45 kg CO2/t。（2）固废基胶凝材料28天UCS为1.94 MPa，水稳定系数0.82，综合力学性能良好，兼具固废利用优势，碳排放约12.8 kg CO2/t。（3）石灰固化28天UCS为1.57 MPa，水稳定系数0.77，力学性能较弱，冻融耐久性较差，碳排放为35 kg CO2/t。（4）MICP固化28天UCS为1.12 MPa，水稳定系数0.79，短期力学性能较低，但CaCO3沉淀促进了孔隙填充与颗粒胶结，净碳排放为4.3 kg CO2/t，较水泥降低约86%，表明其作为低碳稳定化方法的潜力，但工程可行性需进一步现场验证。
