工业废渣在道路工程中的资源化应用研究进展

　　摘要：在交通强国建设与 “双碳” 战略双重背景下，我国公路路网建设持续推进，传统水泥稳定碎石基层高碳排放、资源消耗大、抗裂性能不足的问题日益凸显，叠加大宗工业废渣堆存带来的环境压力，工业废渣的道路资源化利用已成为绿色公路建设的核心研究方向。本文系统梳理了工业废渣在道路工程中应用的国内外研究进展，全面总结了废渣路用适用性评价、废渣基胶凝材料研发与水化机理、废渣稳定基层性能优化、施工技术与工程应用四大方向的核心成果，明确了该技术的路用可行性与综合环境效益。针对现有研究中材料体系与基础理论存在系统性短板、工程化应用技术存在瓶颈、综合效益量化评价体系滞后三大核心问题，深入剖析了制约技术规模化推广的关键因素。最后从多元废渣协同作用机理、微观 - 宏观性能关联模型、全流程施工技术体系等方面提出未来研究重点，为工业废渣在道路工程中的规模化应用提供系统的理论参考。

　　关键词：工业废渣;绿色公路;胶凝材料;道路基层;资源化利用

　　1 引言

　　交通是国民经济发展的基础性、先导性、战略性产业，当前我国正处于交通强国建设的关键阶段，公路路网建设与升级改造持续推进，对道路基层材料的需求保持高位增长。《国家公路网规划(2022-2035年)》实施以来，江苏省公路网规模显著扩容，“十四五”期间计划新建及改建国省道超2200公里，公路建设市场空间持续扩大[1-2]。传统半刚性基层以水泥稳定碎石为核心材料，其生产过程存在高碳排放、资源消耗大、生态扰动强等问题，同时材料干缩温缩系数大，运营期易产生反射裂缝，与绿色交通发展及“双碳”战略目标形成突出矛盾。水泥生产作为典型的“两磨一烧”高耗能工艺，每生产1吨硅酸盐水泥需排放0.5-0.7吨CO₂，是交通基建领域主要碳排放源之一[3]。

　　与此同时，我国工业废渣年增量超40亿吨，存量已突破300亿吨，其中江苏省仅6个核心城市年一般工业废渣产生量就超9000万吨，大量废渣长期堆存占用土地资源，易引发粉尘、土壤及地下水污染等环境风险[4]。矿渣、钢渣、电石渣、脱硫石膏等大宗工业废渣均具备潜在水化活性与骨料应用潜力，近年来国家密集出台政策推动工业废渣的道路资源化应用，《公路工程工业废渣应用技术规范》(2024征求意见稿)的编制为废渣路用提供了专项技术支撑[5]，2026年初出台的《固体废物综合治理行动计划》(俗称“固废十条”)，则进一步推动了工业废渣在交通基建中的规模化应用，为工业废渣路用技术的发展与推广提供了顶层政策指引。在此背景下，系统梳理工业废渣在道路工程中的资源化应用研究进展，剖析现存技术瓶颈，明确未来研究方向，对推动绿色公路建设与废渣高值化利用具有重要的理论与工程意义。

　　2 国内外研究现状

　　大宗工业废渣的规模化消纳与高值化利用，是“双碳”目标下公路交通基建绿色低碳转型的核心课题。围绕工业废渣道路工程资源化利用，国内外学者已开展多维度系统研究，本文按研究方向梳理相关进展，为后续技术研发与工程应用提供参考。

　　2.1 工业废渣的路用适用性

　　工业废渣的理化特性与路用适配性是其在公路工程中资源化利用的基础前提，国内外学者围绕电石渣、脱硫石膏、粉煤灰、矿渣、钢渣等大宗工业废渣，系统开展了基本性能测试与路用场景适配性验证，明确了各类废渣的应用边界与性能优势。针对碱性激发类废渣，Horpibulsuk等[9]研究发现电石渣可替代生石灰作为碱性激发剂，其稳定土强度与石灰土相当，且干湿循环后强度损失更低;杜延军等[21]证实电石渣有效CaO含量可达65%以上，其-粉煤灰改良土强度可达4%水泥改良土的1.5~2.5倍，明确了电石渣在道路稳定材料中的高适配性。苏清发等[22]发现脱硫石膏在碱性环境下可释放SO42-，兼具激发矿渣水化活性与缓凝的双重作用，为其在胶凝体系中的应用提供了性能依据。针对钢渣等废渣骨料，国内外学者均开展了系统的路用性能验证，证实钢渣骨料压碎值、磨耗值均满足路用规范要求，具备强度高、耐磨性好的优势;发现了陈化处理对钢渣体积安定性的改善效果，明确其浸出毒性符合环保要求，无道路工程应用的环境风险;黄优等[3]进一步优化了钢渣骨料的掺量设计，证实其掺量50%时水泥稳定碎石综合路用性能最优。

　　2.2废渣基胶凝材料的路用性能

　　废渣基胶凝材料是工业废渣路用资源化的核心研究方向，国内外围绕碱激发胶凝材料体系构建、多元废渣协同改性、水化硬化微观机理开展了全链条研究，形成了系统的理论体系与技术成果。Davidovits于1978年提出的地聚物理论，为该领域发展奠定了核心理论基础[6]。Lothenbach等[7]和Scrivener等[8]系统研究了粉煤灰、矿渣辅助胶凝材料的应用特性，证实工业废渣替代水泥可显著降低碳排放，同时发现碱激发矿渣材料具备优异的强度与耐久性，但存在早期强度发展过快、收缩大等技术短板。Qing等[11]证实电石渣电离的Ca²+与OH⁻可显著加速矿渣水化，激发效果优于碱渣，为废渣基激发体系提供了理论依据。王营等[25]探索了石灰-矿渣复合体系，证实适量Ca(OH)₂可显著提升矿渣水化速率与早期强度，为体系配方优化提供了直接支撑。

　　针对单一废渣胶凝体系的性能短板，国内外研究已逐步从单一废渣利用转向多元废渣协同利用，通过不同废渣的性能互补优化材料综合路用性能。Rashad等[17]研究了矿渣-钢渣-粉煤灰三元碱激发体系，证实多元协同可显著改善胶凝材料的工作性与强度发展规律。Wansom等[18]发现脱硫石膏与粉煤灰、水泥复配可显著提升混合料耐水性与抗压强度。国内研究已实现从二元体系到多元协同体系的技术跨越，张军林等[23]以粉煤灰、矿渣、脱硫石膏、电石渣为原料制备了水稳层专用胶凝材料，强度满足规范要求，凝结时间较水泥延迟2h，适配公路基层施工的作业窗口期需求;刘晓明等[24]以赤泥、煤矸石、粉煤灰制备的基层材料，7d无侧限抗压强度达6MPa以上，进一步拓展了工业废渣的协同利用范围。

　　针对废渣基胶凝材料的强度形成机制，国内外学者借助XRD、SEM等微观测试技术开展了系统的水化机理研究，明确了碱激发矿渣体系的水化产物主要为C-S-H凝胶与钙矾石，二者交织形成的致密结构是材料强度的核心来源;宋维龙等[31]揭示了粉煤灰-矿渣-钢渣三元体系的水化机理，证实矿渣决定材料早期强度，钢渣主要发挥物理填充作用，为胶凝材料的配方优化提供了微观理论支撑。

　　2.3废渣稳定基层的路用性能

　　围绕工业废渣作为替代半刚性基层中无机结合料、天然骨料的全场景应用，国内外针对废渣稳定基层混合料的强度特性、收缩特性、耐久性能开展了全面的试验研究，形成了成熟的材料配合比设计方法与性能控制体系。国外研究表明，钢渣骨料替代天然碎石可显著提升混合料抗变形能力，其掺量75%时混合料7d无侧限抗压强度可达4.77MPa，且干缩应变随掺量增加而降低，美国、德国、日本等国家已将钢渣广泛应用于道路基层与面层工程。针对各类废渣稳定基层混合料，国内学者开展了系统的路用性能验证，任亚伟等[26]研发的电石渣-粉煤灰稳定煤矸石混合料90d抗压强度达5.18MPa，满足高等级公路基层的强度要求;周明凯等[27]和刘超等[28]系统研究了水泥磷石膏稳定碎石的性能，证实其具备优异的强度与水稳定性;栗培龙等[29]明确了电石渣稳定土的设计与施工控制参数。近年来，该领域研究重点逐步向抗裂性能与长期耐久性延伸，国内外相关研究均证实，合理设计的废渣稳定基层的干缩温缩性能普遍优于传统水泥稳定碎石，可有效抑制半刚性基层的收缩开裂通病，具备更优的长期服役性能。

　　2.4施工关键技术与工程应用

　　在室内试验与理论研究的基础上，国内外围绕工业废渣路用的施工关键技术、标准体系建设、工程规模化应用与综合效益评价开展了系统研究，形成了配套的技术推广体系。欧美、日本等发达国家自20世纪70年代起便开展工业废渣路用技术的工程探索，目前已形成完善的技术与标准体系;国内多条高速公路、国省道已铺筑废渣稳定基层试验段，形成了配套的摊铺、碾压、养护等成套施工工艺与现场质量控制技术，栗培龙等[29]明确了电石渣稳定土的现场施工控制参数，为规模化工程应用提供了技术指导。标准体系建设方面，美国、德国、日本等针对钢渣等工业废渣路用制定了专项技术标准;国内《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)已明确工业废渣路用的技术要求，行业专项技术规范《公路工程工业废渣应用技术规范》已完成征求意见稿[5]，江苏、山西等多省份也出台了地方标准，为技术的规范化推广提供了完善的制度支撑。

　　针对工业废渣路用技术的可持续性，学者们建立了完善的生命周期评价(LCA)方法，完成了废渣基路用材料的环境效益量化分析：Plamondon等[19]研究证实工业废渣每替代1吨水泥可减少约0.6吨CO₂排放;Scrivener等[20]发现低熟料废渣基水泥体系的碳排放不足传统硅酸盐水泥的10%，为废渣基路用材料的低碳价值提供了量化支撑，也为工业废渣路用技术的长期规模化推广提供了环境效益层面的核心论证。

　　3 现有研究存在不足

　　综合国内外研究成果，工业废渣路用技术的可行性已得到充分证实，但现有研究仍存在多维度核心短板，制约了技术的规模化推广，主要可归纳为以下三个方面：

　　一、材料体系构建与基础理论研究存在系统性短板

　　现有碱激发体系多依赖烧碱、水玻璃等高能耗化工激发剂，增加了材料成本与碳排放，电石渣、脱硫石膏等废渣基全固废激发体系研究不足，尤其多元联合激发的协同效应与性能调控机制研究不够系统;研究多局限于胶凝材料或骨料的单一环节替代，极少实现 “胶凝材料 + 骨料”100% 全废渣基基层材料的制备，工业废渣的消纳潜力未得到充分发挥;微观机理研究多停留在水化产物定性分析，对多元废渣协同水化动力学、产物演化规律揭示不足，未建立微观结构参数与宏观路用性能的量化关联模型，理论研究对材料配方优化的指导作用有限。

　　二、核心路用性能与工程化应用技术存在瓶颈

　　钢渣骨料的体积安定性问题未得到根本解决，现有研究未明确钢渣粒径的安全应用范围，无法从根源上规避游离氧化钙、游离氧化镁带来的安定性风险，同时钢渣骨料与废渣基胶凝材料的界面适配性研究几乎处于空白;现有研究多聚焦于抗压强度单一指标，对劈裂强度、收缩特性、抗疲劳性能等全项路用性能研究不够全面，针对废渣稳定基层材料的长期服役耐久性研究不足，配套的全流程施工关键技术与现场质量控制体系尚未完善，直接制约了技术的规模化工程落地。

　　三、综合效益量化与全生命周期评价体系建设滞后

　　现有研究对工业废渣路用技术的环境效益多为定性描述，缺乏系统的全生命周期量化评价，尚未建立涵盖资源消耗、碳排放、环境影响、经济成本的多维度综合评价体系，无法为技术的规范化推广、产业政策适配提供全面、可靠的量化支撑，也难以充分凸显该技术的低碳价值与综合社会效益。

　　4 研究展望

　　针对现有研究的不足，结合交通行业绿色发展需求，未来应重点围绕以下科学与工程问题开展系统研究。

　　在关键科学问题层面，一是揭示多元废渣胶凝体系各组分的协同作用机理，明确碱性激发与硫酸盐激发的耦合效应调控机制;二是阐明多元废渣体系水化产物演化规律与微观结构演变特征，建立微观结构参数与宏观路用性能的量化关联模型;三是明确钢渣骨料与废渣基胶凝材料的界面作用机制，提出界面结构优化方法。

　　在工程应用层面，一是优化多元废渣胶凝材料配合比，实现凝结时间、体积安定性、强度发展的多目标协同优化，满足公路工程施工要求;二是设计混合料骨架密实结构级配，优化胶凝材料剂量，实现混合料强度、抗裂性、耐久性的综合最优;三是针对多元废渣稳定材料的施工特性，确定“拌和-运输-摊铺-碾压-养生”全流程关键施工参数，形成成套施工关键技术与质量控制体系;四是量化评价多元废渣稳定基层的经济、环境、社会效益，建立完善的综合效益评价体系;五是推动技术标准化建设，形成完善的技术标准与应用指南，实现技术的规模化、产业化推广。

　　5 结论

　　工业废渣在道路工程中的资源化应用，是破解传统基层材料环境痛点、消纳工业废渣、助力“双碳”战略的重要路径。国内外研究围绕废渣路用适用性、废渣基胶凝材料性能、废渣稳定基层路用特性、施工技术与工程应用四个方面取得了丰硕成果，已充分证实其技术可行性与综合效益。同时，深入剖析了当前研究在材料体系构建、工程化技术配套、综合效益评价三大维度存在的核心短板，明确了制约技术规模化推广的关键瓶颈。未来需从基础理论突破、材料性能优化、施工技术配套、评价体系完善等方面系统发力，推动工业废渣路用技术的标准化、规模化应用，为绿色交通高质量发展提供技术支撑。

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