三元固体废弃物的协同利用在可持续红砂岩路基建设中的应用：一种单纯形-重心设计方法

《Journal of Environmental Management》：Synergistic utilization of ternary solid wastes for sustainable red sandstone subgrades: A simplex-centroid design approach

　　摘要

在中国安徽省南部山区，碎红砂岩作为一种潜在的路面填充材料，其工程应用常常受到其较差的水稳定性和机械脆弱性的限制。将多种来源的固体废弃物升级为胶凝材料，为改善碎红砂岩提供了一种资源高效、可持续且有效的解决方案。本研究开发了一种由碳化钙渣（CCS）、稻壳灰（RHA）和粉煤灰（FA）组成的三元胶凝材料，并通过单纯形-重心设计系统优化了其混合比例。通过宏观工程试验和微观结构分析，阐述了性能演变及其背后的机制。结果表明，与单独使用CCS相比，RHA和FA的协同加入显著提高了材料的机械性能。具体而言，较高的RHA含量显著增强了结构的 cohesion（内聚力），而三元混合物的平衡配比则最大化了无侧限抗压强度（UCS）和加州承载比（CBR）。通过叠加多个性能指标的等高线图，成功确定了最佳的多目标混合比例范围。从机理上讲，这种改性效果源于Ca-Si-Al之间的化学协同作用：CCS产生的高碱性环境强烈促进了RHA中高度反应性的非晶态二氧化硅和FA中玻璃质铝硅酸盐的溶解，从而驱动了大量的C-(A)-S-H凝胶的形成。结合阳离子交换、物理填充和碳酸化作用，这些多相胶凝成分有效填充了土壤颗粒间的空隙并细化了孔结构，最终将松散的颗粒矩阵转化为紧密相连的承重骨架。本研究为将多种来源的固体废弃物转化为无熟料胶凝材料提供了合理的混合设计策略，并为红砂岩作为路面填充材料的可持续利用提供了科学指导。

引言

中国安徽省东部和南部广泛分布着红砂岩层。该地区红砂岩中的胶凝物质主要为黏土质和钙质（Wang et al., 2021）。此外，红砂岩具有较高的孔隙率和丰富的裂隙，其矿物成分容易风化（Tang et al., 2018; Yu et al., 2019; Huang et al., 2021），这使得红砂岩在遇水时容易软化并溶解，导致其力学性能显著下降（Yan et al., 2023）。因此，它不适合直接用作路面填充材料（Yan et al., 2023）。根据《安徽省高速公路网规划（2020-2035）》，大规模的道路项目将在红砂岩区域修建，需要大量的填充材料。为了实现绿色公路建设的理念，应优先使用当地资源以避免长途运输（Chen et al., 2025）。研究表明，与从30公里外运输碎石相比，就地利用完全风化的云母作为路面填充材料可将碳排放和建设成本降低约30%。如果对当地采集的红砂岩进行适当处理后再用于路面建设，无疑将带来显著的经济和环境效益（Zhang et al., 2023; Jiang et al., 2025）。

目前，改善红砂岩路面填充材料的主要方法包括物理和化学处理（Yan et al., 2025; Zhang et al., 2023; Long et al., 2025）。其中，化学改性因适用范围广且不受高质量土壤和岩石资源可获得性的限制而得到广泛应用。传统工程实践中，通常使用波特兰水泥（PC）和石灰作为红砂岩的改性剂（Li et al., 2022）。研究发现，PC的水化产物能增强红砂岩颗粒间的粘结力，抑制黏土矿物的亲水性，从而提高红砂岩的强度和水稳定性（Liang et al., 2017）。然而，PC和石灰的添加虽然能改善红砂岩的变形特性、强度和水稳定性，但生产过程耗能较大且会产生高碳排放，这与绿色低碳公路建设的理念相悖（Ji et al., 2026; Lei et al., 2025; Wu et al., 2023）。

近年来，利用多种来源的固体废弃物进行土壤改良的研究受到了国内外学者的广泛关注（Wei et al., 2026; Zhang et al., 2026; Zheng et al., 2025; Yao et al., 2026; Gu et al., 2025; Chen et al., 2026）。根据中国政府2026年发布的《综合性固体废物管理行动计划》，提高固体废弃物的综合利用效率亟需开发高效且高价值的综合利用模式。研究表明，大多数固体废弃物含有Ca、Si、Al等胶凝成分，使其与PC具有相似的成分特征（Gao et al., 2025; Tian and Olivetti, 2025; Guo et al., 2024; Chen et al., 2024; Teng et al., 2024; Ke et al., 2023; Zhang et al., 2021）。因此，越来越多的学者将各类固体废弃物应用于特殊岩石和土壤改良的研究中（Wu et al., 2021; Chen et al., 2022）。

碳化钙渣（CCS）是生产乙炔过程中产生的工业固体废弃物，年排放量约为4000万吨（Gong et al., 2022），主要成分是氢氧化钙，具有与消石灰相似的强碱性和物理化学性质，是石灰的理想替代品（Gong et al., 2022）。在土壤改良中，CCS的胶凝作用与发生的火山灰反应密切相关（Xi et al., 2025a, 2025b; Xu et al., 2025）。但如果改良后的土壤体系中缺乏足够的活性Si和Al，CCS改良土壤的强度发展和长期性能将受到限制（Li et al., 2025b; Wang et al., 2025a; Luo et al., 2025）。稻壳灰（RHA）是燃烧稻壳发电时产生的固体废弃物，中国年产量约为800万吨（Jiang et al., 2025），主要成分是SiO2（含量超过70%（Chen et al., 2022））。研究表明，纳米级SiO2颗粒和纳米级孔隙是RHA具有巨大比表面积、低导热性和高火山灰活性的主要原因（Ouyang and Chen, 2003）。尽管RHA含有大量SiO2并被归类为火山灰材料，但其本身不具备明显的胶凝性能（Chen et al., 2022），因此需要通过碱活化等技术激活其火山灰活性。目前，碱活化是最常用的改性方法（Maheepala et al., 2024; Li et al., 2025a）。Jiang et al.（2025）使用PC激活RHA并用于改良工程泥浆，发现PC和RHA的协同水化作用增强了其机械性能和水稳定性（Shaji and Divya, 2024）。粉煤灰（FA）是热力发电过程中产生的固体废弃物，富含Al和Si，具有强火山灰活性，已在土壤和岩石改良中得到广泛应用（Pan et al., 2023; Zimar et al., 2022），但单独使用时火山灰反应可能延迟或不完全，限制了其胶凝性能的发挥（Wan et al., 2024）。引入其他材料以实现协同活化是解决这一问题的关键（Patrick et al., 2026）。

综上所述，CCS、RHA和FA的大量积累使得它们的规模化资源化变得十分必要。尽管已有大量研究探讨了这些废弃物的其他应用方式（如Gong et al.提出的废水处理、Liu et al.提出的稀土提取或Zimar et al.提出的沸石合成等），但这些传统方法往往面临瓶颈，难以充分利用每年产生的大量废弃物。将它们用作路面填充材料具有重要意义，因为它为这些废弃物的持续大规模利用提供了实际的途径。虽然这些废弃物含有胶凝成分，但个体化学成分存在显著差异，Ca、Si、Al的含量也不均衡。通过协同混合利用每种废弃物的独特化学优势，可以实现互补效应（Wu et al., 2021; Chen et al., 2022）。多项研究证明，利用固体废弃物稳定岩土具有环境和经济优势（Wu et al., 2023）。量化分析表明，传统水泥固化的土壤在单位强度下的碳排放和建设成本分别比CCS、渣粉煤灰组合固化的土壤高出71.43至125.02倍和3.53至5.88倍（Zhu et al., 2024）。Xia et al.（2025）的技术经济分析显示，使用优配比的固体废弃物混合物（CCS、FA和钢渣）稳定污泥可分别减少94.65%、42.91%和76.85%的CO2、SO2和NOx排放。因此，开发基于固体废物的粘合剂用于红砂岩路基填料在岩土工程中已成为优先事项（Chen et al., 2022; Wang et al., 2025a）。尽管三元固体废物粘合剂在土壤固化应用中已经取得了进展（Wu et al., 2023; Yao et al., 2026; Wang et al., 2025a; Wang et al., 2025b），但最佳混合比例的确定仍主要依赖于经验和主观判断。传统的经验方法通常无法系统地揭示多种成分之间的相互作用。此外，测试点的选择也较为主观，可能会忽略最佳区域。这种缺乏系统优化的情况阻碍了材料功能潜力的充分开发。相比之下，单纯形-质心设计方法允许在受限的三元组成空间内进行系统性的点分布，有助于建立比例与性能之间的响应关系（Wu et al., 2023; Lu et al., 2022; Zheng et al., 2025; He et al., 2020）。因此，通过单纯形-质心设计方法建立一种协同框架，以优化CCS、RHA和FA的比例，对于改进红砂岩填料、推进资源回收和促进可持续基础设施建设至关重要。这也可以为设计基于固体废物的、无熟料的粘合剂提供科学依据。

鉴于此，本研究选取了来自安徽省南部山区的水泥裂纹红砂岩路基填料作为改进对象。通过使用CCS作为钙源来创造碱性环境，RHA作为硅源，FA作为铝源，建立了一个多源固体废物协同改进系统。基于单纯形-质心设计方法，设计了11组CCS-RHA-FA改良红砂岩填料的混合比例。通过压实试验、CBR试验、UCS试验和直剪试验，研究了CCS、RHA和FA混合比例对改良红砂岩填料工程性能的影响。进一步通过分析孔隙流体电导率（EC）、孔隙流体pH值以及基体的相组成、微观形态和孔结构，探讨了CCS、RHA和FA对红砂岩填料的改性机理。最后，通过叠加各种性能指标的等高线图确定了最佳混合比例范围。这项研究可以促进CCS、RHA和FA的高效和高价值利用，有助于发展资源高效的道路建设，为缓解固体废物处理带来的环境和经济负担提供实际途径。

**材料**
测试中使用的红砂岩取自中国安徽省南部宣城-泾县高速公路沿线具有代表性的路段。如图1所示，在高速公路建设过程中产生了大量的红砂岩废料。根据初步研究中确定的红砂岩的水诱导分解特性（Han, 2025），该红砂岩被归类为II型红砂岩，不适合直接用作路基填料（DB 36/T 713-2013）。

**最佳含水量**
图9展示了不同混合比例下改良红砂岩填料的??opt等高线图。可以看出，CCS-RHA-FA改良碎石红砂岩填料的OMC表现出明显的非线性变化，特征为“单峰双谷”模式。等高线在FA成分附近分布更密集，表明FA用量的变化对改良填料的??opt影响更为显著。

**结论**
(1) 针对中国安徽省南部山区典型碎石红砂岩较差的工程性能，本研究成功开发了一种基于固体废物的CCS-RHA-FA粘合剂，并使用单纯形-质心设计评估了11种混合物。所开发的模型系统地描述了粘合剂组成对改良填料工程性能的影响。
(2) 与纯CCS混合物相比，二元和三元混合物表现出改善的机械性能。

**作者贡献声明**
宋威龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原初稿，方法论，形式分析。
韩云飞：形式分析，数据管理，撰写 – 原初稿。
姚华远：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，概念化。
唐瑞：项目管理，资金获取。
曹玉鹿：资源调查。
熊峰：形式分析。
杨帆：数据管理。
陈玉凡：调查。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了宁夏回族自治区自然科学基金（编号2024AAC03168）、国家自然科学基金（编号42402271）、中央高校基本科研业务费（编号JZ2025HGTB0188）以及安徽建筑与建设投资集团有限公司的技术发展项目（编号W2023JSKF0703）的支持。

宋威龙 | 韩云飞 | 姚华远 | 唐瑞 | 曹玉鹿 | 孟峰 | 杨帆 | 陈玉凡
合肥工业大学土木工程学院，合肥，230009，中国