钙质电石渣基材料改良软黏土的耐久性与环境性能研究

《Developments in the Built Environment》：Durability and environmental performance of calcium carbide residue-based materials in improving soft clay

为评估工业废料作为土壤稳定剂的环境效益和工程性能，本研究系统比较了钙质电石渣（CCR）、CCR-粉煤灰（FA）复合物及碱激发CCR-FA在软黏土稳定中的耐久性、浸出行为和生命周期环境影响。研究通过干湿循环、浸出试验及生命周期评估（LCA）发现，CCR-FA复合材料在七次循环后强度仍保持增长，且所有材料重金属浸出浓度均低于法规限值，其中CCR-FA对Cu、Cr、As的固化效果显著。LCA结果表明，CCR基材料在气候变化、海洋富营养化等关键环境指标上优于传统水泥和石灰，展现了其作为可持续土壤稳定剂的巨大潜力。

　　

随着全球对基础设施建设的需求日益增长，如何改良承载力低的软黏土地基成为工程领域的一大挑战。传统上，工程师们常采用波特兰水泥或石灰等粘结剂来加固土壤，但这些材料的生产过程伴随着高能耗和大量的温室气体排放，给环境带来全球变暖、臭氧层消耗等多重压力。与此同时，工业生产中产生的大量废料，如电石渣、粉煤灰等，正堆积如山，它们的处置本身就是一个环境负担。那么，能否“变废为宝”，用这些工业废料来替代传统的高碳粘结剂，实现土壤改良与环境友好的双赢呢？这正是当前可持续岩土工程领域的研究热点。

尽管利用钙质电石渣（Calcium Carbide Residue, CCR）及其复合材料进行土壤稳定已受到越来越多的关注，但其长期耐久性、重金属浸出风险以及对环境综合影响的全方位评估仍然不足。特别是当这些稳定化土壤暴露于干湿循环等恶劣环境条件时，其性能能否保持稳定？材料中含有的重金属是否会渗入环境造成污染？与传统的“灰色”方案（水泥、石灰）相比，这些“绿色”方案是否真的更可持续？为了系统回答这些问题，由Panpan Tang、Akbar A. Javadi和Raffaele Vinai组成的研究团队开展了一项深入的研究，相关成果发表在《Developments in the Built Environment》上。

为了全面评估CCR基材料的性能，研究人员主要采用了三种关键的技术方法：一是干湿循环试验，依据ASTM D559-2015标准进行，通过交替的浸水和烘干模拟自然环境下的风化作用，并同步监测无侧限抗压强度（UCS）、超声脉冲速度（UPV）和质量损失的变化；二是储罐浸出试验，遵循NEN 7375:2004标准，模拟长期暴露于水环境下的情景，定期检测浸出液中重金属（如Cu、Cr、As、Pb、Zn、Ni、Hg）的浓度，以评估环境安全性；三是生命周期评估，遵循ISO14040/44标准，从“摇篮到大门”系统边界，对比分析了为达到目标强度（约345 kPa）生产1立方米稳定化土壤所需的CCR基材料与传统粘结剂（水泥、石灰）在多种环境指标（如全球变暖潜势、人体毒性等）上的影响。研究所用的软土为高岭土，工业废料CCR和FA均来自英国供应商。

研究结果主要从材料的耐久性、浸出性和环境影响三个方面展开。

在3.1. 耐久性部分，研究揭示了不同材料在干湿循环下的性能演变。仅使用8% CCR（8C）且养护28天的土样，在两个循环后强度显著下降并最终崩解，这表明短期养护的CCR单独使用难以抵抗干湿循环的破坏。然而，当养护时间延长至60天，8C的耐久性得到显著改善，强度在前五个循环中持续增长。对于掺加了12%粉煤灰的8C12F土样（养护28天），其强度变化趋势与养护60天的8C类似，呈现出先增后减的规律，在七次循环后仍能保持较高强度（约1160 kPa）。性能最为突出的是经过碱激发的8C12F-A土样，其强度在整个七次循环期间呈现持续增长的趋势。超声脉冲速度（UPV）和质量损失的监测结果与强度变化相互印证，表明所有材料在前几个循环中均出现结构微裂纹，但后续逐渐趋于稳定。总体而言，添加火山灰材料（FA）和/或进行碱激发，以及延长养护时间，都能有效提升CCR基稳定化土的抗风化能力。

在3.2. 浸出性部分，研究评估了重金属从稳定化土中释放的风险。所有CCR基材料在64天的浸出试验中，释放的Cu、Pb、Cr、As、Zn等重金属的累积量均低于英国法规对于非危险单块废物的限值，表明了其较低的环境风险。然而，不同材料对特定重金属的固化效果存在差异。尽管单独CCR（8C）中Cu和Zn的总含量较低，但其浸出量却高于8C12F和8C12F-A，说明CCR单独使用对这两种金属的固化能力有限。对比8C12F和8C12F-A，8C12F能更有效地降低Cu、Cr和As的移动性，而8C12F-A则对Pb表现出更好的稳定效果。这种差异与材料体系pH值对金属化合物溶解度的影响密切相关。

在3.3. 生命周期评估部分，研究定量比较了不同粘结剂方案的环境足迹。以生产达到目标强度的1立方米稳定化土为功能单位，结果表明，与6%水泥（6Cement）和16%石灰（16Lime）等传统方案相比，CCR基材料在气候变化（GWP₁₀₀）、海洋富营养化（MEP）、颗粒物形成（PMFP）和陆地酸化（TAP₁₀₀）等关键环境指标上具有显著优势。这主要归因于CCR和FA作为废弃物，避免了水泥和石灰生产过程中的高能耗煅烧环节。在CCR基材料内部，CCR与FA的复合物（8C12F） 在多数环境影响类别中表现最佳，是最可持续的选择。而碱激发CCR-FA（8C12F-A） 虽然在淡水富营养化（FEP）、人体毒性（HTP_inf）和臭氧消耗（ODP_inf） 等类别中影响较高（主要归因于碱性激发剂的生产），但其展现出最优异的耐久性。此外，敏感性分析指出，废弃物的运输距离和生产过程的能源结构对CCR基材料（尤其是非活化体系）的环境表现有重大影响。当运输距离超过400公里或使用高排放的煤电时，CCR基材料的部分环境优势会被削弱甚至逆转。

研究结论与讨论部分对全文进行了总结。本研究系统评估了CCR、CCR-FA和活化CCR-FA在软土稳定中的表现。核心结论如下：首先，在耐久性方面，短期养护的纯CCR抗干湿循环能力差，但添加FA或延长养护可显著改善，而碱活化体系则展现出强度持续增长的优异性能。其次，在环境安全方面，所有材料浸出的重金属浓度均符合法规，风险较低，其中CCR-FA对Cu、Cr、As固化效果好，而活化CCR-FA更擅长稳定Pb。最后，在环境影响方面，CCR基材料，特别是CCR-FA组合，在减少碳足迹和多种污染方面明显优于传统水泥和石灰，体现了将工业废物转化为可持续建设材料的巨大潜力。

这项研究的重要意义在于，它不仅通过系统的实验数据揭示了不同CCR基材料在工程性能和环境行为上的差异，为实际工程中的材料选择提供了科学依据，更通过生命周期评估，从全链条的角度量化了其环境效益，有力地论证了利用工业废物进行土壤稳定是一条兼具技术可行性和环境优越性的可持续发展路径。研究也坦诚地指出了其环境优势对废物可获得性（运输距离）和能源结构的依赖性，为未来的技术优化和政策制定指明了方向。总体而言，该工作为推进绿色岩土工程和循环经济提供了有价值的数据支撑和理论见解。