利用碱活化铜工业废渣改善可压缩土壤以用于建筑基础

《Journal of Building Engineering》：Ground Improvement of Collapsible Soils for Building Foundations Using Alkali-Activated Copper Industry Wastes

　　•铜冶炼渣废料作为新型地质聚合物稳定剂的应用•其强度会随材料类型、用量、固化时间以及KOH浓度而变化•在浸水状态下的较高抗拉强度可降低土壤的坍缩性•MPT和CSSW在增强土壤稳定性的同时有助于实现材料的可持续再利用

引言
近几十年来，岩土工程研究在解决环境友好问题及推动可持续发展方面取得了更为积极的进展。实际上，岩土工程师们致力于通过多种方法提供对策与解决方案，以减轻各种危害（如工业或自然废物堆积，以及具有坍缩性的不良土壤）。过去，人们越来越重视用低二氧化碳排放量的水泥基材料（如环保型地质聚合物）替代高二氧化碳排放量的普通波特兰水泥，以此来改善地基条件并稳定土壤，相关研究已有很多报道。近年来，越来越多的地质聚合物被引入岩土工程领域，包括回收废料[10]、混凝土粉[11]和再生砖[12]，还有诸如高炉矿渣[13]之类的工业废物及副产品。这些地质聚合物材料大多是为建筑和铺路用途而开发的。此外，化学稳定剂、土工合成材料[15]以及生物聚合物[16]也是其他类型的可持续材料，同样受到了关注。所有这些材料都具有成本效益高、生产过程中二氧化碳排放量低[17]、能耗少，以及强度较高的优点[18]。

可持续建筑领域的最新进展（2023–2026年）强调将工业和农业副产品整合起来，在不影响结构完整性的前提下实现大幅降碳。Ghayeb等人以及Rahmani等人的研究表明，采用棕榈油燃料灰、硅灰和木屑等材料作为三元粘结剂，可通过加速碳化作用和优化微观结构，将熟料含量降低多达45%，同时提升材料的力学性能[19, 20]。与此同时，利用建筑和拆除废物开发无水泥地质聚合物技术也成为一种可行的替代方案。Fahmi等人以及Hanafi等人指出，通过优化活化剂配方，可将再生砖[21]和混凝土粉[22]重新加工成环保型砖块和结构构件。此外，Rahimpour等人以及Rahimpour与Esmaeili的研究证实，这类完全由回收材料制成的地质聚合物系统不仅符合国际上关于强度和吸水率的标准，其在抗拉强度以及全生命周期生态成本方面也优于传统的普通波特兰水泥混凝土[23, 24]。

坍缩性土壤广泛分布于干旱和半干旱地区，这些地区的湿度增加会导致土壤体积显著减小并发生结构坍塌[25]。这种坍塌可能在自重或外部荷载作用下局部发生，通常表现为地面突然沉降、承载力下降、结构开裂以及基础不均匀沉降。这类不良土壤多以风成沙和粉砂的形式存在，或者以淤积物形式出现，如粉质黏土和含石膏的土壤[26, 27, 28]。在这些沉积物分布的地区，基础设施的快速扩张使得在坍缩性土壤上施工的风险日益增加。然而，这类土壤对湿度的敏感特性仍然给岩土工程设计带来了挑战。尽管已经研究了机械稳定法和化学稳定法，但它们的性能会在潮湿环境下下降，这就凸显出需要更可靠且可持续的土壤改良策略。机械方法虽然可以提高土壤的强度和刚度，但在饱和条件下却无法有效防止坍塌现象。例如，Bahrami和Marandi[29]发现，随机分布的纤维能够改善坍缩性土壤的剪切性能，但由于纤维的排列方向会受到压实程度和荷载条件的影响，因此会给设计带来不确定性。在后续研究中，Bahrami和Marandi[30]表明，土工格栅加固的岩石柱可以将黏质坍缩性土壤的坍缩程度降低多达82%，不过，由于该方法的施工成本较高，其大规模应用可能受到限制。此外，废玻璃[31]和再生轮胎纤维[32]等环保材料也被用来提高不良土壤的抗性。然而，现有研究一致表明，仅依靠机械改良无法可靠地消除土壤在潮湿条件下的坍塌风险。

最近的研究还探讨了纳米二氧化硅和蒙脱石纳米颗粒等添加剂，这类添加剂可通过增强颗粒间的结合力以及改善土壤微观结构来降低坍塌风险，但现有研究大多依赖于人工合成的纳米材料，对于绿色材料、工业副产品或废弃物材料的应用研究则相对较少[33, 34]。不过，Khodabandeh等人（2023年）的一项综合研究表明，少量（低于4%）的纳米材料、纤维或聚合物就能显著改善土壤性能，而某些以工业废物为原料的粘结剂则需要高达30%的比例才能达到类似的性能水平。这些研究结果凸显出优化粘结剂的种类和用量的重要性，尤其是对于那些对湿度敏感的土壤而言。还有一些研究着眼于环保型粘结剂以及混合加固方法。例如，有研究显示，20%比例的生态石灰可以有效消除土壤的坍塌现象[35]，而电石虽然能降低土壤的坍缩风险，但会增加其最佳含水量，并降低最大干密度[36]。另有研究指出，聚丙烯纤维能够提高经过稳定处理的黏土的强度和延展性[37]。与此同时，以NaOH活化的地质聚合物体系或经纳米材料加固的地质聚合物体系，在沙质土壤中也表现出更高的强度和耐久性[38, 39]。不过，目前大多数研究都集中在特定类型的土壤或单一的稳定材料及其性能评估上，那些同时针对稳定的地质聚合物前体以及坍缩性土壤的强度特性和坍塌行为展开全面研究的成果仍然较为有限。

矿业废物是另一类具有潜力的替代前体材料，但如果管理不善，它们也可能带来环境风险[40, 41, 42]。例如，有研究显示，以铜矿尾矿为原料制成的碱活化地质聚合物粘结剂能够提高沙质土壤的无侧限抗压强度[43]，而铜渣则可将膨胀性土壤的膨胀潜力降低近70%[44]。此外，经铜渣及其他矿业废物处理后的土壤，在冻融循环条件下的耐久性也有所提升[45, 46]。尽管以尾矿为原料的地质聚合物在改善膨胀性土壤、沙质土壤和黏质土壤的性能方面取得了良好效果，但过去其在坍缩性土壤中的应用研究相对较少。据估计，全球每年产生的矿矿尾矿量约为34.4亿吨[47]，铜渣量约为3800万吨[48]，这些大量废物给环境带来了严峻挑战。因此，将这些废物用于各类工程应用，尤其是在土壤稳定项目中，不仅能带来经济利益，还能产生积极的环境效益。过去，研究人员通常会利用铜矿尾矿、铜渣以及其他基于地质聚合物的材料，评估其在不同土壤中的抗压强度提升效果，尤其是非坍缩性土壤。虽然抗压强度被视为衡量大多数常见土壤整体力学性能的合适指标，但对于那些具有特殊性质的土壤，尤其是坍缩性土壤，还需要进一步研究其其他力学性能和强度指标，才能全面描述其在不同条件下的行为表现。特别是，研究土壤的抗压强度和抗拉强度、其在浸水与未浸水状态下的行为表现、用于表征土壤刚度的P波速度，以及探索将CSSW作为新型地质聚合物前体用于稳定坍缩性土壤的方法，这些都是非常重要的研究内容，但过去却鲜有涉及。因此，本研究旨在通过整合机械测试、统计分析以及微观结构观察等方法，来解决上述研究空白。本研究提出的多尺度综合分析框架将力学行为、微观结构观察和统计分析相结合，更多细节将在讨论部分阐述。综上，本研究的主要贡献如下：
•评估铜冶炼渣废料（CSSW）作为新型地质聚合物前体的应用潜力，并将其与矿物加工尾矿（MPT）在稳定坍缩性土壤方面的性能进行比较。
•建立经验回归模型，揭示抗拉强度与土壤坍缩行为之间的关系，为评估稳定后土壤的性能提供预测工具。
•研究粘结剂类型、用量以及固化条件对稳定后土壤力学响应的综合影响，确定影响土壤性能提升的关键因素。

材料与方法
本节介绍了本研究中所使用的材料、实验方案和分析方法。为便于理解研究方法，首先阐述了所提出的多尺度分析框架，说明了如何将力学分析、微观结构分析和统计分析相结合，从而探究坍缩性土壤的稳定机制。该多尺度分析框架整合了宏观尺度的力学测试、微观尺度的材料特性分析等内容。

土壤试样
为分析本研究中所使用的未经处理的土壤的岩土工程特性，进行了系列物理、力学和化学试验，具体内容见表5。经处理的未经处理土壤的坍缩指数约为7.2%，这表明该土壤具有坍缩性，根据ASTM（2003）标准，可判定其为极易出现问题的土壤类型。

传统稳定处理的试样（对照组2和3）
在本研究中，为了评估和比较不同稳定处理方法的效果，制备了相应的试样。

结论
本研究探讨了矿物加工尾矿（MPT）和铜冶炼渣废料（CSSW）作为地质聚合物前体，在降低土壤坍缩特性方面的作用。本研究的主要结论如下：
•实验结果表明，当使用20%比例的MPT并与9 M浓度的氢氧化钾溶液共同使用时，能够获得最高的无侧限抗压强度，且该强度会随着固化时间的延长而上升。
•用氢氧化钾溶液进行稳定处理的试样……

作者贡献声明
Mohammad Bahrami：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、概念构思。
Reza Etesami：撰写——审阅与编辑、软件应用、正式分析、数据整理。
Shahrzad Mashinchi：撰写——初稿撰写、可视化、实验研究、正式分析、数据整理。
Mohammad Hossein Bagheripour：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法设计、概念构思。
Ehsan Yaghoubi：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法设计。
Mohammad Sadegh……

关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明
在撰写本文的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）工具，以提高手稿的语法水平、清晰度以及整体可读性。在使用该工具之后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表文章的内容负全部责任。

利益冲突声明
? 作者声明自己不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢克尔曼省沙希德·巴霍纳尔大学工程学院卡希加尔岩土力学中心的负责人Saeed Karimi Nasab教授。同时，也感谢伊朗拉夫桑詹市萨尔切什梅铜矿区的研发部门，他们提供了用于测定坍缩指数的重要试验设备，还承担了扫描电子显微镜和X射线荧光分析所需的费用。

Shahrzad Mashinchi|Mohammad Hossein Bagheripour|Mohammad Bahrami|Reza Etesami|Ehsan Yaghoubi|Mohammad Sadegh Jafari