新质生产力视角下多源固废基固化剂-固化土性能调控及工程应用

　　摘要：针对交通工程中渣土资源化利用率低的问题，本研究以湖南某高速红黏土为对象，采用多源固废基固化剂(TCSC)并引入化学/纳米外加剂(氢氧化钠(NH)、硫酸钠(NS)、铝酸钙水泥(CA)和纳米氧化铝(NA))进行性能调优。结果表明：单一外加剂NH和NS可显著提升固化土的7d及14d早期强度，10%掺量下分别增长57.3%和51.7%;复合外加剂NS2-CA2-7)在后期(28-90d)表现优异。机理分析揭示，固化剂中 Al2O3(8.9%-11.3%)与 SO3(5.8%-6.8%)的含量同步优化是促进钙矾石(AFt)稳定生长、构建致密结构的关键。

　　关键词：交通工程渣土;固废基固化剂;外加剂;无侧限抗压强度;微观机理

　　0. 引言

　　2023年9月7-8日，习近平总书记在黑龙江考察及新时代推动东北全面振兴座谈会上，首次提出“新质生产力”的概念。2023年12月，在中央经济工作会议上，总书记明确指出：以科技创新推动产业创新，以颠覆性技术和前沿技术催生新产业、新模式、新动能，发展新质生产力。在2024年1月31 日二十届中央政治局第十一次集体学习中，总书记全面定义了新质生产力：新质生产力，是创新起主导作用，摆脱传统经济增长方式、生产力发展路径，具有高科技、高效能、高质量特征，符合新发展理念的先进生产力质态。

　　作为国民经济的重要支撑和人民生活得重要保障，交通工程则是新质生产力落地应用的重要载体。当前，新能源、智能算法、轻量化新材料不断突破，推动车辆向电动化、网联化、低碳化迈进。便捷高效的陆路运输网络的建设，正加速物资、技术、人才跨区域流转，压缩物流成本，赋能产业协同集聚。

　　然而，在交通基础设施的高质量建设中，无论是路基回填、软基处理还是盾构施工，土方的开挖与回填始终是核心环节[1,2]。然而，伴随大规模工程建设而产生的大量原土、泥浆及工程渣土，若仅采取传统的堆放或填埋处理，不仅面临沉重的土地成本压力，更易引发次生环境污染及边坡失稳等安全隐患[3]。推动工程开挖原土、泥浆和渣土的资源化利用，已成为交通运输领域实现绿色低碳转型、培育交通新质生产力的关键路径。

　　目前，利用多源工业固废构建“钙-硅铝-硫”三元协同体系，是实现渣土固化的主流技术方案。通过富钙废料(如电石渣、钢渣等)提供的碱性环境激发粉煤灰、矿渣等硅铝酸盐材料的火山灰活性，并结合石膏等硫基材料诱导钙矾石(AFt)的生成。水化生成的 C-S-H 凝胶与针棒状 AFt 在微观尺度上相互穿插填充，构建起高强度的致密结构[4,5]。

　　然而，在面对复杂多变的交通工程环境时，多源固废协同体系往往存在早期强度增进缓慢、对特定组分渣土适应性较弱等局限。因此，引入针对性的外加剂以精准调控水化进程、优化产物形貌，成为提升固化材料性能的关键。

　　基于此，本文采用致同科技公司联合同济大学开发的多源固废固化剂，针对交通工程中常见的渣土特性，系统研究了氢氧化钠(NH)、硫酸钠(NS)、铝酸钙水泥(CA)和纳米氧化铝(NA)四种外加剂对固化土工程性能的影响。本文旨在揭示不同类型外加剂对“钙-硅铝-硫”体系水化动力学及微观结构演变的作用机制，为交通基础设施建设中渣土的绿色高效利用提供理论支撑与技术示范。

　　1. 材料与方法

　　1.1 原材料

　　本研究采用的试验用土取自湖南省桂东至新田(宁远)高速公路沿线，该红黏土的基本物理性质指标如表 1 所示。试验选用由致同科技公司与同济大学联合研发的多源固废基固化剂。为进一步调控固化性能，本研究选用了氢氧化钠(NH)、硫酸钠(NS)、铝酸钙水泥(CA)和纳米氧化铝(NA)四种外加剂，均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度为分析纯(AR)。

　　表 1红黏土基本物理性质

物理性质	天然含水率/%	最大干密度/（g/cm3）	最佳含水率/%	液限/%	塑限/%	塑性指数	土样最大粒径/mm	土样分类
数值	19.8	1.67	18.9	53.2	29.1	24.1	10	高液限粉土

　　1.2 试验方案

　　试样以最佳含水率(19.8%)制备，固化剂掺量固定为 15%(占干土质量)。采用 φ50mm×50 mm 圆柱体模具成型，在标准环境(20±2°C, RH>95%)下养护。依据 ASTM D2166M-16标准，利用 WDW-20 型万能机以1 mm/min速率进行无侧限抗压强度(UCS)测试。

　　2. 结果与讨论

　　试验系统研究了氢氧化钠(NH)、硫酸钠(NS)、铝酸钙水泥(CA)和纳米氧化铝(NA)四种化学外加剂在不同掺量(3%、7%和10%)下对TCSC固化红黏土无侧限抗压强度(UCS)的影响。无外加剂掺加的固化土(TCSC)在7 d，14 d，28 d及90 d的UCS分别为0.87 MPa，1.19 MPa，1.56 MPa及2.48 MPa，其中90 d的UCS测试数据结果以基准虚线的形式表示并与其它掺加外加剂的试验组进行对比。试验结果如图1，在7d和14d龄期内，NH和NS对强度的提升作用最为显著，且增强效果随掺量的增加而提高。当外加剂掺量达到10%时，NH和NS分别使固化土7d的UCS提升了57.3%和51.7%。这种显著的早强效应主要归因于体系碱度的提高，有效加速了多源固废材料的水化反应进程。

　　相比之下，含氧化铝组分的外加剂(CA和NA)在提升强度方面的效率略逊于碱性激发剂。对于CA而言，随着掺量从3%增加至10%，其增强效果呈现逐渐减弱的趋势，高掺量的CA甚至导致7d强度低于未掺加外加剂的对照组。这一现象揭示了含铝组分在反应过程中会过度消耗体系内的OH-离子，导致碱度不足，并可能诱导生成膨胀性较低的单硫型水化硫铝酸钙(AFm)，从而抑制了强度的持续增长。尽管NA在90d龄期下仍能维持约7.3%的强度增幅，但多数单一外加剂在后期(90d)的有效性普遍下降，难以满足长期的性能优化需求。

　
　图 1四种单一外加剂对三元固化剂固化红黏土UCS的影响

　　为进一步优化固化性能，研究引入了NS/CA和NS/NA复合外加剂体系，复合体系的强度演变规律如图2所示。在总掺量为7%的条件下，复合体系在固化早期(7d)的强度增进效果虽不及单一NS激发剂，这主要是由于CA溶解过程中对OH-的消耗限制了NS的加速作用。然而，随着养护龄期的延长，复合体系的协同优势逐渐显现。特别地，当NS/CA比例为1:1时(NS2-CA2-7)，固化土28d的UCS达到2.04 MPa，较TCSC对照组提升了30.8%。

　　深入分析表明，复合外加剂在后期强度的表现优于单一组分，主要得益于NS有效阻止了钙矾石(AFt)向AFm的转化，并在消耗碱度的同时维持了体系的微观结构稳定性。当外加剂总掺量提高至13%以上时，增强效果开始显著下降，这表明复合外加剂的有效性仍高度依赖于TCSC基体的占比。

　　通过汇总不同外加剂对体系中Al2O3和SO3总含量的改变，可以更直观地揭示固化性能的内在控制因素。在固化7d和14d时，强度分布与组分配比的相关性并不显著，呈现出分散的规律。但随着反应进入28d及90d稳定期，高UCS区域开始表现出明显的聚拢特征，呈现出跨组分的演变趋势。具体的组分含量与强度演变云图见图3。

　　量化分析表明，固化红黏土的最佳强度性能主要集中在Al2O3含量为8.9%—11.3%且SO3含量为5.8%—6.8%的范围内。在该组分区间内，体系能够确保充足的硫源与铝源协同反应，促进AFt晶体的充分发育并维持其长效稳定，从而有效填充高孔隙黏土的内部空间。相反，若Al2O3和SO3的总含量过高，会导致UCS显著降低，这主要是因为固化剂中其他必要活性组分(如钙源等)的比例被过度压缩，破坏了原有的“钙-硅铝-硫”三元平衡体系。

　　3. 结论

　　本研究系统评价了外加剂对多源固废基固化红黏土强度的影响，得出以下主要结论：

　　(1)单一外加剂的强化效应：氢氧化钠(NH)与硫酸钠(NS)在提升早期强度方面表现卓越，在10%掺量下，其7dUCS分别增长57.3%和51.7%，这主要归功于碱度提升对水化进程的显著加速作用。相反，铝酸钙水泥(CA)掺量超过10% 会导致强度损失，其机理在于氧化铝过度消耗OH-导致碱度不足，并诱导生成了低膨胀性的AFm。

　　(2)复合体系的协同优势：复合外加剂可有效弥补单组分后期增进乏力的缺陷。当 NS/CA 以1:1比例复合(总掺量7%)时(NS2-CA2-7)，固化28d强度较对照组提升30.8%。其核心协同机制在于SO42-的引入稳定了AFt晶体结构，阻止了其向AFm的转化，从而在微观尺度上实现了结构的持续致密化。

　　(3)量效模型与工程意义：研究揭示了固化体系的最佳化学组分区间为 Al2O3(8.9%—11.3%)及 SO3(5.8%—6.8%)。这一发现为交通工程渣土的高性能固化提供了精准配比指导，通过“以废治废”的绿色路径，为推动交通运输新质生产力及行业高质量发展提供了关键技术支撑。

　　参考文献

　　[1] Capasso I, Liguori B, Ferone C, et al. Strategies for the valorization of soil waste by geopolymer production: an overview[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 288: 125646.

　　[2] Qaidi S M A, Tayeh B A, Zeyad A M, et al. Recycling of mine tailings for the geopolymers production: a systematic review[J]. Case Studies in Construction Materials, 2022, 16: e00933.

　　[3] 平洋, 李强, 王强勋, 等. 渣土类建筑垃圾的资源化利用技术研究与应用[J]. 建筑技术, 2023, 54(2): 239-241.

　　[4] Lei B, Pang S, Xie F, et al. Optimization of ratios and strength formation mechanism of fluidized solidified soil from multi-source solid wastes[J]. Journal of Building Engineering, 2025, 108: 112958.

　　[5] Zhu J, Wang Z, Tao Y, et al. Macro–micro investigation on stabilization sludge as subgrade filler by the ternary blending of steel slag and fly ash and calcium carbide residue[J]. Journal of Cleaner Production, 2024, 447: 141496.