利用再生混凝土废料和大理石废料与胶凝材料对萨布哈盐渍土进行可持续稳定化处理：强度、耐久性及微观结构评估

《Next Materials》：Sustainable stabilization of sabkha soil using recycled concrete waste and marble waste with cementitious binders: Strength, durability, and microstructural assessment

　　

在干旱地区，尤其是阿拉伯半岛和中东地区，萨布哈盐渍土（sabkha soil）因其高可溶盐浓度、有限的承载能力和不良工程特性而带来严重的岩土工程问题。因此，不经处理就将萨布哈盐渍土用作基层材料或路基十分困难。鉴于此，有必要通过再生混凝土废料（concrete waste，CW）和大理石废料（marble waste，MW）等废弃物的利用方式来提高萨布哈盐渍土的稳定性。本研究中，研究人员将萨布哈盐渍土分别以25%、50%和100%的干质量比例用CW和MW替代，并掺入占干混合料总质量5%和10%的普通波特兰水泥（ordinary Portland cement，OPC）。同时，研究人员对选定配合比测定了偏高岭土（metakaolin，MK）和石膏（gypsum，G）按水泥质量10%掺入对改良萨布哈盐渍土性能的影响。通过无侧限抗压强度（unconfined compressive strength，UCS）、加州承载比（California Bearing Ratio，CBR）试验、标准轻型击实试验和破碎耐久性试验，并辅以X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）进行微观评估，对试样进行了评价。结果发现，当萨布哈盐渍土被混凝土或大理石废料替代时，随着替代比例的增加，最大干密度（maximum dry density，MDD）增大，而最优含水率（optimum moisture content，OMC）降低。此外，当萨布哈盐渍土被混凝土或大理石废料替代时，UCS增大。研究发现，由25%混凝土或大理石废料、5%普通波特兰水泥和10%偏高岭土组成的混合物具有优异的力学性能，因其产生了最高的UCS值、CBR值和耐磨性。此外，该体系通过混凝土和大理石废料处理与胶凝材料相结合，成功消除了萨布哈盐渍土中有害矿物盐的不利影响。因此，研究人员认为，在萨布哈盐渍土中使用混凝土废料和大理石废料，同时加入额外胶凝材料，是一种理想的解决方案。

**论文解读：基于再生混凝土废料与大理石废料协同胶凝材料稳定萨布哈盐渍土的强度、耐久性及微观机理**

**1. 研究背景与目的**

在阿拉伯半岛及中东等干旱地区，萨布哈盐渍土（sabkha soil）广泛分布于沿海低地，因其含有高浓度可溶盐（如氯盐和硫酸盐）、天然承载力低且对水分极为敏感，遇水易发生崩解和强度骤降，故在道路工程中难以直接用作路基或基层填料。阿曼苏丹国沿海地区建设活动频繁，大量萨布哈盐渍土的存在对基础设施构成严重威胁。传统采用普通波特兰水泥（OPC）稳定处理虽可改善强度，但盐分会干扰水泥水化反应，过量掺入水泥既不经济也不环保。已有研究表明，再生混凝土废料（CW）和大理石废料（MW）等工业废弃物具有火山灰活性或填充效应，有潜力用于改良盐渍土。然而，将CW和MW联合水泥基胶凝材料用于萨布哈盐渍土稳定化，并系统评价其宏观力学性能与微观结构演变的研究仍不足。因此，本研究旨在探索采用CW和MW部分或完全替代萨布哈盐渍土，并结合OPC、偏高岭土（MK）和石膏（G）等胶凝材料，评估其在道路底基层应用中的可行性，同时实现废弃物资源化利用与水泥用量削减的双重目标。

**2. 研究内容与主要技术方法**

研究中，萨布哈盐渍土取自阿曼锡卜（Seeb）地区，混凝土废料取自阿曼经授权的建筑拆除废弃物处置场，大理石废料取自马斯喀特北巴提奈地区的大理石加工厂。以CW和MW按0%、25%、50%和100%四种比例替代萨布哈盐渍土干重，OPC掺量分别为土和废弃物总干质量的5%和10%；在此基础上，选取25%替代率的配合比，进一步以MK或G替代水泥质量的10%，共设计19组配合比。主要技术方法包括：标准轻型击实试验（ASTM D698）用以确定各配合比的最优含水率（OMC）与最大干密度（MDD）；无侧限抗压强度试验（ASTM D2166）；加州承载比试验（ASTM D1883，试件在OMC与MDD条件下浸水测试）；破碎耐久性试验（ASTM D4664，测定第二循环耐久性指数Id₂）；以及利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜结合能谱分析（SEM/EDX）表征矿物组成和微观形貌。所有力学试验均进行三次重复并取平均值。

**3. 研究结果与分析**

**3.1 最大干密度与最优含水率（MDD和OMC）** 通过击实试验发现，向萨布哈盐渍土中掺入水泥会使MDD和OMC均升高，这归因于水泥颗粒较高的比重（3.15 g/cm3）填充了土颗粒间孔隙且水化需水量增大。当用CW以25%~100%替代萨布哈土时，MDD随替代率增加而增大，而OMC降低，原因是再生混凝土颗粒较致密、棱角分明且吸水能力较低。MW替代土也呈现类似趋势，但由于大理石颗粒表面光滑、形貌圆滑，颗粒间嵌锁效果较弱，MDD增幅小于CW。掺入MK后，因其比重（2.57 g/cm3）低于水泥且比表面积（5182 cm2/g）极大，混合料MDD下降而OMC升高；掺入G后，由于细石膏粉体填充孔隙，混合料MDD略有增加且OMC亦有所升高。

**3.2 无侧限抗压强度（UCS）** 无侧限抗压强度试验表明，未经处理的萨布哈盐渍土强度极低；单掺5%和10%水泥稳定28天后UCS分别约为1.3 MPa和1.9 MPa。以CW替代萨布哈土25%、50%和100%时（固定5%水泥），UCS较纯土水泥样分别提高146%、185%和238%；MW替代时相应提高77%、115%和162%。将水泥掺量从5%提高至10%进一步增大了各替代率下的UCS。CW改善效果优于MW，归因于CW颗粒锐利粗糙，增加了内摩擦角和界面过渡区（ITZ）的致密性；而MW则通过细颗粒填充和碳酸盐化学作用提供增益。在含25%CW或MW的体系中，掺入10%水泥质量的MK使UCS较未掺MK的配合比（PC5-CW25和PC5-MW25）分别提高22%和35%，机制在于MK的火山灰反应消耗氢氧化钙（Ca(OH)₂）并生成额外水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝硅酸钙（C-A-S-H）凝胶，填充微孔隙并强化基体。相反，含10%G的配合比在养护7天时UCS提高约14%，但28天时较无G配合比分别降低6%（PC5/G-CW25）和4%（PC5/G-MW25），与延迟钙矾石（AFt）生成引起的膨胀开裂有关。

**3.3 加州承载比（CBR）** 浸水CBR测试结果显示，未处理萨布哈土CBR仅为6.3%，掺5%水泥处理后增至17.1%。当25%萨布哈土分别被CW或MW替代后，CBR大幅提升至55.2%和47.5%，原因在于盐分减少以及废弃物颗粒带来的机械嵌锁与填充效应。掺加10%MK的配合比（PC5/MK-CW25和PC5/MK-MW25）较无MK配合比CBR分别提高74%和73%，达到较高的承载水平；而掺加10%G的配合比CBR反而较无G配合比下降4%和6%，这与石膏引入硫酸盐导致钙矾石增多、土体结构松散化有关。

**3.4 破碎耐久性（Slake Durability）** 经28天养护和两次转筒循环后，仅掺5%水泥的萨哈布土耐久性指数Id₂约48%，属很低耐久性类别。以25%CW替代后Id₂升至74%，以25%MW替代后为67%，分类为中低耐久性。加入10%MK的配合比Id₂进一步提高至87%（CW）和79%（MW），分别达到中高耐久性和中等耐久性水平，表明MK生成的稳定凝胶显著降低了水渗透和湿化崩解。加入10%G的配合比Id₂仅为59%和53%，耐久性劣化，归因于浸水循环过程中石膏中硫酸盐重新溶解、延迟形成钙矾石，加剧了土体的崩解。

**3.5 X射线衍射（XRD）分析** 通过XRD衍射图谱分析，当CW或MW替代率增加至50%时，盐类矿物（特别是石盐（halite）和石膏）的特征峰明显减弱，证实废弃物替代有效降低了体系中有害盐分。在含MK的配合比中，氢氧化钙（Portlandite，Ca(OH)₂）特征峰显著降低，指示火山灰反应的发生；同时出现更多C-S-H和C-A-S-H凝胶相，与宏观强度增长相吻合。在含G的配合比中，钙矾石（ettringite）和石膏相衍射峰增强，解释了后期强度降低和耐久性变差的矿物学机制。此外，含MW的配合比中检出单碳铝酸钙水化物（carboaluminate）峰，表明大理石中的碳酸盐参与了水化反应，体现其化学活性。

**3.6 微观结构（SEM/EDX） 形貌观察** 扫描电镜观察显示，5%水泥单掺的萨哈布土基体仍然疏松，可见微裂缝、石盐晶体和由硫酸盐反应生成的钙矾石，界面过渡区（ITZ）缺陷明显，印证了水泥单独稳定效果有限。当以25%和50%CW替代时，微观结构趋向致密，C-S-H凝胶呈纤维状包裹废弃物颗粒和土粒，粒间孔隙显著减少，ITZ结合紧密。MW替代后孔隙虽有减少，但界面区较CW体系稍差，与大理石光滑表面导致凝胶附着点减少一致。掺加MK的试样呈现连续、致密且均匀的凝胶基质，几乎看不到可见的钙矾石针状晶体；而掺加G的试样中可见晶簇状或针棒状二次钙矾石填充于裂隙中，伴随细小微裂缝，成为性能退化的微观根源。

**4. 讨论与结论**

综合宏观力学测试和微观表征，研究人员揭示了废料与胶凝材料协同作用提高萨布哈盐渍土性能的机理：一方面，CW和MW替代盐渍土直接削减了体系内可溶盐总量，弱化了盐类对水泥水化的化学干扰，并通过物理填充和颗粒嵌锁改善初始堆积状态；另一方面，水泥水化产生的C-S-H与MK发生的二次火山灰反应进一步填充孔隙、优化孔结构，共同提高强度、刚度和耐久性。相较之下，G虽在养护早期因微晶钙矾石填充效应提升强度，但后期在浸水条件下延迟钙矾石膨胀引发开裂，故不宜用于长期稳定。

论文总结指出，采用25%CW或MW配合5%OPC和10%MK的混合料是稳定萨布哈盐渍土的最优组合，该配比获得最高的UCS值、CBR值和Id₂耐久性指数，同时完全消除了有害盐分的不良影响。研究意义在于，通过废弃物资源化方式实现了盐渍土工程利用与水泥减量化，符合循环经济理念，具有较好的现场应用潜力。该研究成果发表于《Next Materials》。