纳米材料改性碱激发胶凝材料固化废弃海相黏土的优化与机理：考虑养护温度影响的田口方法

《Results in Engineering》：Optimization and mechanism of nanomaterial-modified alkali-activated binders for stabilizing waste marine clay: A Taguchi approach incorporating curing temperature effects

　　

废弃海相黏土具有高含水量、高压缩性和低承载力的特点，即使在预处理后仍不适用于道路建设，需要进一步使用土壤稳定剂进行改良。传统的普通硅酸盐水泥（OPC）或石灰稳定法存在环境缺陷和低温性能差的问题，而传统的碱激发胶凝材料（AAB）（矿渣–Ca(OH)₂体系）则表现出有限早期效力和长期可靠性。本研究探讨了nano-SiO₂、nano-CaCO₃和nano-Al₂O₃对用于固化预处理海相黏土的碱激发胶凝材料（AAB）力学和微观结构性质的影响。研究人员采用田口方法对纳米改性AAB（N-AAB）的配合比进行了优化。结果表明，优化后的N-AAB显著提升了土壤的力学性能，在标准养护7天和60天后，无侧限抗压强度（UCS）分别达到2.773 MPa和7.103 MPa；在低温养护下，7天和60天UCS分别为2.681 MPa和6.764 MPa，显示出优异的强度保持率。N-AAB固化土壤在低温和长期强度发展方面均优于OPC固化土壤。微观结构和矿物学分析揭示，低温养护促进了N-AAB固化土壤中独特的水化产物和微观结构的形成。诸如AFm相和C-(A-)S-H凝胶等水化物通过形态和数量上的优势改善了土壤基质，从而增强了强度。本研究建立了一种将纳米材料整合到土壤固化中的可行方法，并支持废弃海相黏土在道路建设中的可持续再利用。

**论文解读文章**

**1. 研究背景与问题**

在沿海地区交通建设快速发展的背景下，废弃海相黏土的产生量日益增加。海相黏土作为典型的问题土，具有高压缩性、高塑性指数和低承载力等缺陷，难以直接用于工程。传统的普通硅酸盐水泥（OPC）或石灰稳定法虽广泛应用，但OPC生产伴随大量温室气体排放，不符合可持续发展理念；而石灰同样存在碳排放问题。碱激发胶凝材料（AAB）因其环保优势受到关注，然而传统矿渣–Ca(OH)₂体系在早期强度和长期可靠性方面表现不足，且对养护温度敏感，低温下性能明显下降。为克服这些局限，研究人员尝试引入纳米材料来改善AAB的性能。但目前关于多种纳米材料协同改性AAB用于土壤固化的研究较少，且缺乏系统的优化方法。因此，本研究旨在通过田口方法系统优化纳米改性AAB（N-AAB）的配合比，并探究其在标准及低温养护条件下的作用机理，为废弃海相黏土在道路工程中的可持续利用提供依据。该论文发表在《Results in Engineering》。

**2. 关键技术方法**

研究人员采用田口方法（Taguchi method）进行实验设计与多目标优化，构建L₁₆（4⁴）正交表，以nano-SiO₂、nano-CaCO₃、nano-Al₂O₃掺量及矿渣（GGBS）与电石渣（CCS）质量比（G/C比）为四因素，每个因素设四个水平。通过信号噪声比（SNR）分析和方差分析（ANOVA）评估各因素对无侧限抗压强度（UCS）的影响，并确定最优配合比。微观结构表征采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析。样本来源：废弃海相黏土取自中国温州某桥梁基础工地，经3%生石灰和3%重质碳酸钙预处理。

**3. 研究结果**

**3.1. 压实试验**
通过压实试验发现，AAB处理显著降低了最大干密度（MDD），提高了最优含水率（OMC），这归因于CCS中Ca(OH)₂引发的离子交换和絮凝-团聚效应，以及GGBS较低的比重。纳米材料的引入进一步降低了MDD，主要是由于物理化学作用增强了内摩擦阻力，但过量掺入导致团聚，进一步降低MDD。

**3.2. 无侧限抗压强度试验**

**3.2.1. 单因素参数筛选试验**
单因素试验表明，G/C比在1.0–2.0范围内时，AAB固化土强度较高且组间差异小，适合进行田口优化。纳米材料的最佳掺量分别为：nano-SiO₂ 0.4%、nano-Al₂O₃ 0.4%、nano-CaCO₃ 0.9%（占干土质量）。其中nano-SiO₂的增强效率最高（32%），nano-CaCO₃和nano-Al₂O₃均为13%。

**3.2.2. 田口优化**
田口优化试验结果（表6）表明，N-AAB固化土在标准养护下7天和60天UCS分别达到2.77 MPa和7.03 MPa，满足轻交通道路基层强度标准；低温养护下强度保持率（L/S比）超过90%，显著优于OPC和普通AAB。最优配合比为：nano-SiO₂ 0.3%、nano-CaCO₃ 0.75%、nano-Al₂O₃ 0.4%、G/C比1.5。验证试验误差小于3%，证实了优化结果的可靠性。

**3.3. 统计分析**

**3.3.1. 方差分析结果**
方差分析（ANOVA）显示，在标准养护下，G/C比对UCS贡献率超过40%，是最关键因素；纳米材料中nano-SiO₂对早期强度贡献较大。低温养护下，纳米材料的总贡献率显著提高，其中nano-Al₂O₃对60天低温强度贡献最大，而nano-CaCO₃贡献率较低。

**3.3.2. 平均信噪比分析结果**
平均信噪比（Mean-SNR）分析表明，各因素对UCS的影响排序为：nano-SiO₂ > G/C比 > nano-Al₂O₃ > nano-CaCO₃。

**3.4. 优化与验证**
基于Mean-SNR分析，最优参数组合为：0.3% nano-SiO₂（A3）、0.75% nano-CaCO₃（B3）、0.4% nano-Al₂O₃（C4）、G/C比1.5（D3）。验证试验结果与预测值误差不超过3%，证明优化高度可靠。

**4. 微观结构与物相组成分析**

**4.1. XRD分析**
XRD分析显示，不同纳米材料促进不同水化产物形成：nano-SiO₂促进C-S-H和C-(A-)S-H凝胶生成；nano-Al₂O₃和nano-CaCO₃促进AFm相向方解石转化，形成C-A-O-H和方解石。低温养护下，N-AAB样品中AFm相和Al-水化物信号更强，表明纳米材料改变了低温水化路径。

**4.2. SEM分析**
SEM图像显示，N-AAB固化土在标准养护下形成大量絮状、片状C-(A-)S-H凝胶，包裹土壤颗粒，消除大孔隙；低温养护下，N-AAB样品中出现大量棒状AFm相（0.5–2.0 μm），细化孔隙结构。60天后，水化物从絮状转变为箔片状，高Ca/Si的C-(A-)S-H改善了水分分布，但脆性增加导致微裂纹，解释了低温下宏观强度略低的原因。

**5. 讨论与结论**

在讨论部分，研究人员指出，GGBS和CCS作为工业固废，供应链成熟，具有显著环保优势。纳米材料虽价格较高，但掺量低，且绿色合成路线有望降低成本。微观结构证据表明，纳米材料通过提供成核位点、优化Ca/Si和Al/Si比、促进多种水化物生成，增强了土壤基质的密实度和颗粒连接性，预期可提升抗冻融、干湿循环和硫酸盐侵蚀的耐久性，但需进一步长期试验验证。

**6. 研究结论**

（1）本研究证明了田口方法用于纳米改性碱激发胶凝材料设计的可行性。Mean-SNR分析确定最优配合比为0.3% nano-SiO₂、0.75% nano-CaCO₃、0.4% nano-Al₂O₃和G/C比1.5，该组合共同增强了固化效果。

（2）N-AAB有效提高了预处理海相黏土的强度，可作为OPC的可行替代品。验证试验证实，N-AAB固化土的UCS满足高等级道路基层/底基层的强度标准，且优于传统AAB和OPC固化土。具体而言，在标准养护下，纳米改性使7天和60天UCS分别提高约40%和16%；在低温养护下，L/S比分别提高约10.5%（7天）和7.6%（60天），表明纳米材料有效缓解了低温对强度发展的不利影响。

（3）方差分析揭示，各因素的贡献率随养护温度和龄期而变化。在低温养护下，纳米材料通常表现出更高的贡献率，因为它们能更好地利用自身特性减轻不利环境的影响。然而，过高的纳米材料含量会导致团聚，降低基体完整性和密实度，从而增加OMC、降低MDD并抑制强度发展。

（4）微观形貌分析表明，纳米材料作为成核位点，调节Ca/Si或Al/Si比，并提高碱激发效率。XRD和SEM结果进一步揭示，低温养护促进了N-AAB固化土中独特的水化产物和微观结构的形成，这些结构比传统体系更有利于强度发展。