粘土土壤对水分变化和物理扰动非常敏感，这通常会导致其强度显著下降，从而限制了其工程应用[1]。因此，采用改进方法来修改这些土壤的性质并缓解这些缺陷具有重要意义[2]。在岩土工程实践中，土壤稳定已被认为是解决这些问题的有效方法[3]、[4]、[5]。通过将稳定剂掺入粘土土壤中并经过充分混合和固化，可以在土壤基质中引发一系列化学、物理和机械相互作用，最终提高软粘土的强度、刚度和耐久性[6]、[7]、[8]、[9]。在各种稳定材料中，传统的粘合剂如PC和石灰已被广泛用于改善粘土土壤的工程性能[10]。特别是PC，由于其已被证明的有效性、成熟的应用技术和一致的材料质量而占据主导地位[11]。然而，传统水泥的生产伴随着巨大的环境成本。根据国际能源署（IEA）的数据，水泥行业是全球第二大工业能源消费者和第三大工业二氧化碳排放源，约占人为碳排放总量的5-8%[12]、[13]、[14]。这一现实与全球实现碳峰值和碳中和的发展目标明显不符，凸显了开发低成本和环保替代稳定材料的迫切需求，以支持土壤稳定技术的可持续发展。在这种情况下，工业固体废弃物的资源化利用被广泛认为是同时解决环境排放减少和工程应用需求的有效途径。
GGBS是一种典型的潜在水硬性材料，产生于炼铁过程中，其化学成分与普通波特兰水泥非常相似。由于其含有大量的活性Ca和Si成分，在适当的活化条件下，GGBS可以形成以C–(A)–S–H凝胶为主的致密水化产物，从而显著提高材料的机械性能[15]、[16]。得益于其潜在的水硬活性和相对较低的碳足迹，GGBS已被广泛用于制备基于固体废弃物的水泥基材料，并显示出相当大的强度发展潜力[17]、[18]。先前的研究表明，在碱活化系统中，加入碱性固体废弃物可以进一步促进GGBS的水化，增加C–(A)–S–H凝胶和填充相的形成，从而使微观结构更加致密，并赋予材料可调的工作性和机械性能[19]、[20]。从机理角度来看，水滑石类相和脱聚的C–A–S–H凝胶被认为是碱活化矿渣系统中的典型水化产物[21]。
PG是磷酸盐工业产生的大量副产品，全球年产量约为2亿至3亿吨。然而，其利用率仍低于20%，长期堆放不仅占用大量土地资源，还对周围生态系统构成重大环境风险[22]、[23]、[24]、[25]。因此，近年来PG的资源化利用已成为主要的研究焦点。现有研究表明，PG可以在水泥基材料中发挥有益作用。Sarra等人通过湿-干循环测试证实，PG–FA–石灰系统在水暴露条件下仍能保持满意的强度稳定性[26]。Tang等人报告称，PG与电解锰渣（EMR）、GGBS和PC联合使用可显著减少材料收缩并提高抗硫酸盐能力[27]。赵等人进一步证明，在蒸汽固化条件下，将10%的PG加入粉煤灰砂浆中，1天和28天的抗压强度分别比对照组提高了11%和5.37%[28]。
SR是索尔维法生产纯碱过程中产生的固体副产品，每吨纯碱大约会产生0.3吨SR[29]、[30]。由于其高碱度和较高的氯含量，大规模利用SR长期以来受到限制，堆放或填埋仍是主要的处置方法[31]。然而，近年来人们越来越关注将SR作为潜在的碱活化剂或辅助碱源在水泥基系统中的应用。Qi等人使用NaOH与SR结合活化GGBS，开发出一种28天抗压强度高达2.4 MPa的矿山回填材料[32]。Liu等人证明，在NaOH和SR共同活化下，当SR含量占粘合剂质量的10%时，基于尾矿的地质聚合物的28天抗压强度达到了20.78 MPa[33]。
近年来，城市地下工程项目产生的大量挖掘土壤主要通过大规模堆放进行处理。这种做法不仅消耗了大量土地资源，而且在储存过程中可能对周围生态系统构成重大威胁[34]、[35]。为应对这些挑战，许多研究表明，工业固体废弃物可以部分替代水泥用于粘土稳定，从而促进更环保、低碳的建筑材料的发展，符合减排目标。基于对GGBS、PG和SR用于生产低碳水泥基材料的分析，这三种材料被确定为有前景的粘土稳定活化剂和前体，具有环境和工程优势，并具有巨大的应用潜力。大量研究表明，基于GGBS的碱活化或复合稳定系统可以显著提高稳定土壤的强度和耐久性[36]、[37]、[38]、[39]。此外，将GGBS掺入水泥基系统中可以有效提高膨胀土壤的抗压强度并抑制其膨胀行为[40]。最近的研究进一步表明，碱活化稳定系统表现出优异的耐久性和环境性能[41]、[42]。同时，SR和PG在调节水化反应和微观结构演变中起着关键作用，从而控制稳定土壤的强度发展[43]、[44]、[45]、[46]。
总之，现有研究清楚地表明了各种工业固体废弃物在粘土稳定方面的巨大潜力，特别是在GGBS作为主要水泥前体的系统中，表现出良好的机械性能、耐久性和环境效益。然而，以往的研究主要集中在二元复合系统（例如GGBS–FA、GGBS–SR）上。相比之下，系统研究同时包含SR、GGBS和PG的多组分复合系统，并加入少量PC以实现工程适用性和稳定性之间的平衡的研究仍然有限。最佳混合比例、协同反应机制以及对粘土稳定宏观-微观性能以及环境和经济效益的全面影响尚未完全阐明。
在我们之前的研究中，我们系统地研究了由碱渣（SR）活化的基于GGBS的水泥基系统的制备方法、水化特性和反应机理，证明了SR活化系统在材料层面的可行性[47]。然而，该研究主要关注材料本身的微观机理，未探讨其在实际土壤工程应用中的性能。
本研究旨在系统评估新型GMA稳定剂在粘土稳定方面的工程性能和微观机理，并将其与传统的波特兰水泥（PC）系统进行比较。研究重点包括以下方面：
(1) GMA系统是否能够在大幅减少水泥使用量的同时实现有效的土壤稳定，通过利用多种工业固体废弃物的协同作用来提高材料效率；
(2) 分析新鲜状态下的工作性和短期强度发展，评估不同混合比例下的可施工性和3天、7天、14天及28天强度的变化；
(3) 评估经济和环境性能，从成本和碳排放的角度量化稳定剂的可持续性和实际价值。
与之前的研究相比，本研究不仅验证了材料层面机制的可行性，还探讨了系统在宏观土壤尺度上的性能，将实际应用行为与环境和经济指标相结合。这代表了从“材料机理研究”向“工程应用实践”的科学延伸。
