农业废弃物协同碱激发固化赤泥用于道路基层的性能优化与环境安全评估

《Developments in the Built Environment》：Valorization Of Spent Coffee Grounds and Casein for A New Bio-Composite Material

为缓解道路建设中天然材料消耗和工业固废（如赤泥BR）堆积问题，本研究利用农业废弃物稻壳灰RHA对赤泥进行改性，并探讨了碱激发剂（NaOH/Na2SiO3）对BR-RHA复合材料工程性能和环境安全性的影响。结果表明，95% BR与5% RHA在90% NaOH+10% Na2SiO3碱激发下，其无侧限抗压强度UCS提升显著（1247.78 kPa），加州承载比CBR值满足规范要求，且浸出毒性达标。该研究为赤泥和稻壳灰的资源化利用提供了可行路径，兼具环保与工程价值。

　　

道路网络是国家的经济命脉。以印度为例，其国家高速公路网在过去十年（2014-2024年）里程几乎翻倍，伴随的资本支出也大幅增长。然而，这种快速扩张背后隐藏着巨大的环境与资源挑战。为获取传统筑路材料（如砂石）而进行的开采活动，不仅破坏生态环境，也日益面临资源枯竭的窘境。与此同时，工业生产正产生着海量的固体废弃物，它们堆积如山，占用土地且污染环境。这其中，赤泥（Bauxite Residue， BR）——氧化铝生产过程中的红色副产物，因其高碱性（pH>10）和潜在的重金属毒性，被视为棘手的工业废物。全球每年产生约1.6亿吨赤泥，仅印度就贡献了其中6%。如何安全、大规模地消纳这些“红色废物”，同时为基础设施建设寻找可持续的替代材料，成为了一个亟待解决的全球性难题。

传统上，研究人员尝试用水与各种工业副产品（如粉煤灰、矿渣）混合来稳定赤泥，但效果提升有限。这主要是因为在水介质中，反应温和，难以充分激发材料的胶凝潜力。近年来，碱激发地聚合技术为赤泥等富铝硅废料的资源化带来了曙光。该技术利用碱性溶液（如氢氧化钠NaOH、硅酸钠Na₂SiO₃）激发材料中的活性成分，形成类似水泥的坚固三维网络结构（如钠铝硅酸盐N-A-S-H凝胶），从而获得优异的力学性能。然而，赤泥本身硅含量较低，单独作为地聚合原料效果不佳。稻壳灰（Rice Husk Ash， RHA）作为一种富含无定形二氧化硅（SiO₂）的农业废弃物，恰好可以弥补赤泥的硅缺陷。那么，将这两种废物“联姻”，在碱激发剂的“撮合”下，能否“化腐朽为神奇”，变身为合格的道路基层材料呢？其环境安全性又如何保障？

为了回答这些问题，来自印度理工学院达尔瓦德分校的研究团队在《Developments in the Built Environment》上发表了一项系统研究。他们深入探讨了利用碱激发的稻壳灰改性赤泥用于道路工程（路基、基层）应用的可行性。研究不仅评估了复合材料的力学性能，还通过微观表征揭示了性能提升的机理，并 critically 评估了其环境安全性（浸出毒性），为这项技术的实际应用提供了扎实的科学依据。

本研究主要采用了以下关键技术方法：1. 材料表征：对赤泥、天然土壤和稻壳灰进行了物理性质（颗粒级配、阿太堡界限、击实特性）、化学组成（X射线荧光光谱）和微观形貌（扫描电子显微镜SEM）分析。2. 试样制备与力学测试：将赤泥与不同比例（5%， 10%， 15%， 20%）的稻壳灰混合，分别用水和不同配比的碱激发剂（100% NaOH； 90% NaOH+10% Na₂SiO₃； 80% NaOH+20% Na₂SiO₃）作为拌合溶液，在最佳含水率和最大干密度下制备试样。养护7、14、28天后，进行无侧限抗压强度（Unconfined Compressive Strength， UCS） 和加州承载比（California Bearing Ratio， CBR） 测试。所有样品均设置平行样，结果以平均值±标准差表示。3. 微观机理研究：使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）结合能谱（EDS）观察优化配比样品养护28天后的微观形貌和元素分布；使用X射线衍射（XRD）分析物相组成变化。4. 环境安全性评估：测量了所有配比样品的pH值和电导率（EC）；并按照美国环保署（USEPA）的毒性特征浸出程序（Toxicity Characteristic Leaching Procedure， TCLP） 对优化样品进行了重金属（铬Cr、锌Zn、铅Pb）浸出浓度分析。

研究结果

3.1. 阿太堡界限

研究人员首先测定了赤泥和天然土壤掺入不同比例稻壳灰后的液限（W_L）和塑性指数（W_PI）。无论对于赤泥还是天然土壤，随着稻壳灰掺量的增加，液限和塑性指数均呈线性上升趋势。在水拌合条件下，赤泥复合材料的最高液限和塑性指数分别达到35.1%和10.21%。当使用碱激发剂拌合时，其液限和塑性指数值普遍低于水拌合的情况。这归因于碱激发促进了地聚合物凝胶的形成，这些凝胶紧密地包裹并粘结颗粒，减少了粘土的活性及其吸收和保持自由水的能力。

3.2. 击实特性

随着稻壳灰掺量从0%增加到20%，赤泥复合材料的最大干密度（Maximum Dry Density， MDD） 逐渐降低，而最优含水率（Optimum Moisture Content， OMC） 则相应升高。这是由于稻壳灰的比重（2.25）低于赤泥（2.95），且其多孔结构增加了对水分的亲和力。使用碱激发剂（特别是90% NaOH+10% Na₂SiO₃）拌合时，复合材料的最大干密度值高于纯水拌合的情况，表明碱激发有助于改善颗粒间的堆积。尽管最优含水率超出了一些规范建议的典型范围（10%-20%），但低掺量稻壳灰（如5%）处理的赤泥其最大干密度值仍能满足道路基层材料的要求。

3.3. 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是评价材料能否用于道路基层的关键指标。研究发现，无论是水拌合还是碱激发拌合，赤泥和天然土壤的强度均在掺入约5%稻壳灰时达到峰值，随后随着稻壳灰掺量继续增加而下降。纯水拌合的赤泥-稻壳灰复合材料，其28天无侧限抗压强度最高为770 kPa，勉强接近但不足以稳定满足道路基层规范要求（通常要求>700-1500 kPa）。然而，当引入碱激发剂后，强度得到大幅提升。其中，最优配比（95% BR + 5% RHA）在90% NaOH + 10% Na₂SiO₃溶液拌合并养护28天后，无侧限抗压强度达到了1247.78 kPa，显著超越了规范要求。对于天然土壤，其最优配比则有所不同，在碱激发下，85% NS + 15% RHA的组合表现出最高强度（约3858 kPa）。这种差异源于两种基质材料化学组成和反应活性的不同。

3.4. 加州承载比

加州承载比测试进一步验证了材料在浸水条件下的承载能力。未经处理的赤泥，其未浸水加州承载比仅为3.5%，远低于规范对重要交通道路路基的要求（>8%）。掺入稻壳灰并进行碱激发处理后，材料的加州承载比显著提高。优化配比（95% BR + 5% RHA + 90% NaOH + 10% Na₂SiO₃）的浸水加州承载比值满足了规范要求，表明其具备作为路基材料的潜力。

3.5. 微观特性

扫描电镜图像清晰地展示了性能提升的微观机制。水拌合的赤泥-稻壳灰样品呈现多孔、松散的结构。而经100% NaOH碱激发后，样品结构变得致密，颗粒聚集明显。当使用90% NaOH+10% Na₂SiO₃复合碱激发剂时，微观结构最为密实，孔隙显著减少，形成了连续的整体。元素面扫分析证实了地聚合物凝胶（富含Na、Al、Si）的均匀分布及其对赤泥中铁、钛等主要元素的包裹。X射线衍射分析表明，水拌合样品主要显示赤泥自身的矿物（如赤铁矿、三水铝石）和稻壳灰中石英的特征峰。碱激发后，三水铝石等矿物的衍射峰强度减弱甚至消失，并在22°、31°附近出现了属于方钠石型钠铝硅酸盐等新物相的衍射峰，同时非晶态的“鼓包”变得更加明显，这证实了地聚合物凝胶的生成。

3.6. 环境特性

环境安全性是废弃物资源化应用的底线。研究测定了样品的pH和电导率。赤泥本身呈强碱性（pH约10.96），掺入稻壳灰后，由于稻壳灰的火山灰反应消耗了部分游离碱，pH值有所下降。使用碱激发剂初期pH很高（>12），但随着养护进行和地聚合反应的消耗，pH值逐渐降低。电导率的变化趋势与pH值类似，碱激发样品的电导率最终也呈下降趋势，这反映了溶液中自由离子的减少和被固定到凝胶结构中的过程。最关键的是，毒性特征浸出程序测试结果显示，优化配比样品（C2和G4）浸出液中的铬、锌、铅浓度均远低于世界卫生组织和美国环保署规定的限值，证明其环境风险极低，可以安全用于地下工程。

结论与意义

本研究系统论证了利用碱激发的稻壳灰固化赤泥用于道路基层技术的可行性。主要结论包括：1）稻壳灰的掺入能改善但不足以单独满足高强度要求，必须结合碱激发技术；2）对于赤泥，最优工程配比为95% BR + 5% RHA，并使用90% NaOH + 10% Na₂SiO₃作为碱激发剂，其28天无侧限抗压强度达到1247.78 kPa，加州承载比满足规范，完全符合道路基层材料的标准。3）微观分析证实，性能提升源于碱激发剂促进了赤泥和稻壳灰中硅铝相的溶解与重组，形成了致密的钠铝硅酸盐凝胶网络，从而大幅增强了材料的整体性与强度。4）环境评估表明，优化后的复合材料重金属浸出浓度在安全范围内，不会对地下水和周边环境构成威胁。

这项研究的意义重大且深远。首先，它为解决赤泥这一全球性环境难题提供了一条具有工程价值的高效资源化路径，实现了“以废治废、变废为宝”。其次，它将农业废弃物稻壳灰的价值最大化，为减少稻壳焚烧带来的空气污染提供了新的解决方案。最重要的是，该技术能够大量消耗固体废弃物，直接减少对天然砂石材料的开采需求，保护了不可再生的自然资源和生态环境。从实验室性能到环境安全性，这项研究为碱激发赤泥-稻壳灰复合材料在未来道路工程中的规模化应用奠定了坚实的科学基础，展示了循环经济与可持续基础设施建设的完美结合。