《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Stabilization of sandy and clayey soils with ornamental stone sludge
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本研究调查了装饰性石材加工污泥（SOSP）对两种不同类型土壤（高塑性黏土和砂土）土工行为的影响。超越以往仅关注低SOSP掺量和短养护期的文献，本研究报告了在养护60天后，以0%、25%、50%、75%和100%替代率混合的土壤-SOSP混合物的强度、回弹和微观
本研究调查了装饰性石材加工污泥（SOSP）对两种不同类型土壤（高塑性黏土和砂土）土工行为的影响。超越以往仅关注低SOSP掺量和短养护期的文献，本研究报告了在养护60天后，以0%、25%、50%、75%和100%替代率混合的土壤-SOSP混合物的强度、回弹和微观结构行为。实验方法包括浸水加州承载比（CBR）和重复荷载三轴回弹模量（MR）试验，并结合pH、SEM、XRD和XRF分析。定量结果显示，黏质和砂质土壤的CBR指数分别最大提升60%和50%，而纯SOSP的3.11%固有膨胀在所有土壤-SOSP混合物中被有效控制在1%以下。这些变化背后的微观结构机制由物理微填充效应和随时间推移的渐进碱性支持的定向胶凝反应主导。定量发现表明，将SOSP掺入黏质和砂质土壤中，为路基路面应用提供了技术上可行且高度可持续的解决方案。
本论文解读文章基于发表在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》上的研究《Stabilization of sandy and clayey soils with ornamental stone sludge》。研究背景方面，装饰石材加工产生大量污泥（SOSP），其不当处置（如露天堆放或填埋）导致环境污染和健康风险。传统土壤稳定剂（如石灰、水泥）存在高碳排放、能耗和成本问题，且对硫酸盐敏感。因此，开发低成本、环境可持续的土壤稳定材料至关重要。SOSP的化学成分（含CaO、SiO
2、Al
2O
3）与水泥部分相似，具有潜在胶凝活性。然而，以往研究仅关注低SOSP掺量（<30%）和短养护期（<7天），缺乏对高掺量、长养护期下砂质土壤的评估，且未系统分析回弹模量（MR）和微观结构机制。为此，研究人员开展了本研究，旨在填补这些空白。
研究人员采用两种对比土壤：高塑性黏土（BR-120土壤）和黏质砂土（VILA土壤），均采集自巴西米纳斯吉拉斯州。SOSP来自花岗岩加工污泥，取自ADAMAG垃圾填埋场。通过标准普氏击实试验确定最优含水率和最大干密度，制备0%、25%、50%、75%、100%SOSP替代率的混合料，并在湿润条件下养护60天。主要技术方法包括：浸水加州承载比（CBR）试验（NBR 9895）、重复荷载三轴回弹模量（MR）试验（ME 134标准）、pH测试、X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析。其中，MR试验采用复合数学模型拟合数据，考虑围压（σ
3）和偏应力（σ
d）的联合影响。
研究结果部分总结如下：
- 力学性能：CBR指数随SOSP掺量增加先降后升，黏土在75%掺量时达最大值（67.6%提升），砂土在50%掺量时最佳（22.4%提升），但75%掺量时相近（15.5%提升）。所有土壤-SOSP混合物的膨胀量均<1%，而纯SOSP膨胀达3.11%。MR试验显示，掺入75%SOSP后，黏土混合料MR值与纯黏土同量级，砂土混合料在较高应力水平下MR值甚至超过纯砂土。
- 矿物与化学分析：XRD显示SOSP含石英、微斜长石、方解石、水化硅酸钙（C-S-H）等；土壤含石英、伊利石、高岭石（黏土）或石英、微斜长石（砂土）。混合料中出现方解石和钙矾石，但钙矾石峰较弱。XRF表明，混合料中SiO
2和Al
2O
3含量高于纯SOSP，与挥发性损失（LOI）降低一致，指示水化产物形成。pH从初始7.24-7.60升至60天后8.11-8.29，碱度增加促进火山灰反应。
- 微观结构：SEM显示黏土混合料中SOSP颗粒填充大颗粒间隙，形成致密结构；砂土混合料中稍松散，但均观察到C-S-H和C-A-H凝胶包覆颗粒，增强胶结。EDS证实硅钙水合物存在。
讨论部分强调了物理微填充和化学胶凝协同作用：黏土中颗粒级配优化（物理稳定）和离子交换、火山灰反应（化学稳定）共同提升强度；砂土中主要依赖化学胶凝。膨胀控制归因于钙矾石在土壤限制下被有效抑制。MR结果符合塑性指数和干密度关系，但差异不显著，表明SOSP替代可行。所有混合料满足路基加固层要求（CBR>原始路基、膨胀<2%）。结论部分翻译如下：
本研究得出以下结论：（1）SOSP对黏质和砂质土壤的掺入效果有利于不同颗粒级配材料的稳定，特别是高于以往文献的掺量。物理效应（颗粒稳定）在黏土中更显著。物理、化学、矿物和微观分析表明，高SOSP掺量的益处源于石灰可用性增加和火山灰反应（60天养护期）导致的颗粒间胶凝活性改善。（2）所有土壤-SOSP混合物的膨胀均<1%，显示出受控膨胀行为。微观结构分析揭示了致密固体结构和C-S-H、C-A-H胶凝剂的存在。纯SOSP的高膨胀使其不适合路面层应用。（3）复合模型拟合显示，混合料MR值与围压和偏应力正相关，而纯土壤MR值与偏应力负相关。黏土混合料对应力变化更敏感，砂土混合料则呈现更平衡的响应。（4）SOSP与任何土壤类型的混合均可用于可持续交通基础设施的路基加固层，是SOSP回收和减少自然资源消耗的可行方案。研究还建议未来开展耐久性、环境评估以及不同养护龄期和更高击实能量的研究。
