基于CS–AR激活的FASP系统的软土固化机理

《Transportation Geotechnics》：Mechanism of Soft Soil Stabilization Using a CS–AR-Activated FASP System

　　

• •
  CS-AR双碱系统能迅速提高pH值，同时保持稳定的碱性环境。
• •
  在FA-GGBFS-PS三元前驱体中，活性组分之间的协同反应增强了水化反应并细化了微观结构。
• •
  全固废体系促进了AFt的形成以及C-(A)-S-H和其他凝胶互连网络的生成。
• •
  C-(A)-S-H和M?S?H凝胶形成内聚结合框架，增强了稳定土的力学性能。

引言

作为典型的软弱土类型，粉土[1]、[2]具有高含水率、高孔隙率、低强度和高风险性等工程性质差的特点[3]、[4]、[5]、[6]。这些特性使其在外荷载作用下容易发生过量沉降、承载力不足和边坡失稳，对基础设施的安全性和长期性能构成重大挑战。因此，改善软土的工程性能长期以来一直是岩土工程领域的重要研究焦点。目前，水泥和石灰等传统胶凝材料仍被广泛用于软土固化[7]、[8]、[9]。虽然能有效提高强度，但其生产过程伴随着高能耗和大量碳排放[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。与此同时，快速的工业发展导致大量工业固废的产生和积累，如FA、GGBFA和PS，导致土地占用和土壤及水资源的潜在污染[17]、[18]。在此背景下，利用工业固废开发低碳胶凝材料为废弃物资源化利用提供了有前景的途径，并成为岩土工程与材料科学交叉领域的新兴研究课题[19]、[20]。

近年来，碱激发材料(AAMs)因其低碳特性和工业固废高效利用的潜力，在软土固化领域受到越来越多的关注。大多数早期研究采用单一工业固废作为前驱体进行相关探索。Hou等[21]、Debnath等[22]、Wang等[23]、Sanku等[24]和Wan等[25]分别使用GGBFS、铜渣、FA、稻壳灰(RHA)和赤泥(RM)等单一固废进行软土固化试验。试验结果证明，碱激发固废能有效提高土体强度。然而，单一固废系统中活性硅酸盐和铝酸盐组分含量有限，限制了水化产物的数量和结构发展，无法满足高含水率和复杂工程条件下软土的应用要求。为解决这些局限性，引入了多组分前驱体以改善凝胶结构和整体性能。例如，Shang等[3]使用硅酸钠活化CSP基材料，发现强度随含水率增加而降低，但随胶凝材料掺量增加而提高。Wu等[26]和Luo等[27]采用GGBFS-FA混合物，通过硅酸钠和NaOH的组合活化，实现了28天强度1.68~2.0 MPa。Jing等[28]开发了以自燃煤矸石(SCCG)、GGBFS和PS为铝硅酸盐前驱体的三元体系，28天强度满足Ⅲ级稳定土要求。已有研究表明，多种固废的协同活化促进了胶凝凝胶的形成。在这些产物中，C-S-H和C-(A)-S-H凝胶通过填充孔隙和增强颗粒间粘结，在提高稳定土体强度方面发挥关键作用。然而，大多数这些体系依赖于外源碱性激活剂，如硅酸钠和NaOH，这不仅增加了材料成本，还可能削弱其整体环境效益。为提高固废利用率并减少化学激活剂的依赖，近期研究越来越关注利用富碱工业固废作为替代天然激活剂。特别是电石渣(CS)，作为乙炔工业的主要副产品，呈强碱性且富含氧化钙，适合作为碱性激活剂。Li等[13]开发了以煤矸石(CG)和CS为原料的地质聚合物体系，凝胶形成和孔隙细化有助于提高软土强度。Yi等[29]采用CS活化GGBFS以稳定软黏土。在最优配合比下，无侧限抗压强度超过普通硅酸盐水泥(PC)稳定土的2倍以上，尽管7天强度仍相对较低，仅为1.2 MPa。Lang等[30]使用25%~30% CS活化GGBFS稳定疏浚淤泥，28天强度比15%普通硅酸盐水泥处理土高1.45倍。Liu等[31]利用CS作为碱性激活剂激发GGBFS和FA，形成了大量非晶态C-(A)-S-H凝胶及AFt，实现了具有良好力学性能的低碳胶凝材料的制备。Liu等[32]进一步开发了由CS、GGBFS和FA组成的全固废胶凝材料，在该体系中，CS作为碱源用于稳定胶州湾海洋软土。掺量为4%~6%时，28天强度持续增长，且单位强度的碳足迹和成本均显著降低。富钙工业固废可作为碱源，通过水化释放OH^-创造碱性环境，同时提供Ca²⁺，从而促进C-S-H和C-(A)-S-H凝胶的形成。该方法支持固废的大规模利用，且在工程实施上相对简单。在单一碱固废体系的基础上，研究人员引入了辅助组分以提高活化效率，开发了各种改性碱激发体系。例如，Wang等[33]将CS作为激活剂与脱硫石膏结合，石膏中的SO₄^2-促进了凝胶形成，使28天强度比水泥稳定土高1.23倍。Qiu等[34]开发了基于赤泥-石灰协同活化体系的多源固废稳定剂，在最优掺量下满足了土体稳定化强度要求。然而，单一碱固废体系通常对铝硅酸盐材料玻璃相的解聚能力有限，活性物质溶解缓慢且长期性能不稳定。因此，引入第二种碱性固废形成双碱活化体系可能提供更稳定的碱性环境和更高的反应活性，但其内在机理和性能仍需进一步系统研究。

总体而言，尽管利用工业固废稳定软土已取得一定进展，但多源活化体系仍面临若干挑战。首先，传统单碱体系难以维持持续的高碱度。碱度随时间的衰减限制了铝硅酸盐相的持续溶解及随后凝胶的形成。尽管部分研究探索了双碱活化，但在环境暴露条件下的长期力学稳定性仍未得到充分认识。此外，硫酸盐诱导的AFt形成及其在结构致密化中的作用尚未得到充分研究，AFt与凝胶相之间的潜在协同效应往往被忽视。最后，以往研究主要关注C-(A)-S-H凝胶，而对凝胶与晶相形成的互穿微观结构关注有限。

针对上述问题，本研究开发了一种由FA、GGBFS和PS组成的三元固废前驱体体系，并配合由CS和AR组成的双碱激活剂。该体系旨在调节碱性环境并控制活性组分的释放。采用XRD和SEM-EDS对稳定产物的相组成和微观结构进行了系统表征，并结合力学和耐久性测试。本研究的目的是为工业固废的高值化利用和低碳软土固化技术的发展提供理论基础，从而推动双碱激发固废体系在地下工程、路基和软基处理中的实际应用。

章节摘要

粉质软土试样

本研究使用的粉质软土采集自河南省某池塘区域。该土具有高含水率和高孔隙比的特点。其化学成分见表1。CaO含量较低，仅为1.82%，表明原始粉土本身缺乏有效的钙源，难以通过自发水化形成稳定的胶凝结构。因此，需要外加固化剂来提供Ca²⁺。

胶凝材料组成对稳定土力学性能的影响

不同固废的火山灰活性差异较大，因此胶凝材料组成直接决定了FASP稳定土的水化反应和抗压强度。为阐明不同固废比例对固化效果的影响，分别分析了FA和GGBFS含量变化对UCS的影响，如图6所示。

图6(a)揭示了FA含量变化对FASP稳定土强度发展的影响。当……

结论

1. CS作为微溶性钙源，可持续释放Ca²⁺；AR作为缓释碱源，可补充水化过程中消耗的碱度。双碱活化体系结合两种碱源，实现了碱度迅速升高和持续稳定，克服了单一激活剂的波动问题。这为水化创造了稳定环境，促进了结合产物的形成，增强了强度和……

未来工作

尽管CS-AR激发的FASP体系在环境侵蚀下表现出优异的强度发展和耐久性，但在实际工程应用中应仔细考虑其在劣化过程中的脆性破坏倾向。未来研究将采用更精确的局部变形测量技术，进一步研究该固废基稳定体系的变形行为、损伤演化和失效机理。

CRediT作者贡献声明

Yannian Zhang：资源、调研、资金支持。Dewang Li：撰写—审阅与编辑、数据整理、概念构思。Yingliang Tan：撰写—审阅与编辑、监督、资金支持。Qingjie Wang：验证、调研。Moncef L. Nehdi：监督、调研。Hao Wang：监督、调研。Changli Han：监督。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金重点项目（编号：52234004）、辽宁省振兴人才计划（XLYC2502042）、辽宁省科技计划工业技术创新类重点研发项目（编号：2024JH2/102400016）、辽宁省教育厅基本研究项目（LJ212510150005）以及科学和……

Yannian Zhang|Dewang Li|Yingliang Tan|Qingjie Wang|Moncef L. Nehdi|Hao Wang|Changli Han