通过混合碳酸盐-氢氧化物激活的方法，利用回收的沙子、废砖粉和回收的橡胶纤维，将沙子转化为高级工程土（Upcycled engineered earth）

《Materials & Design》：Upcycled engineered earth from recycled sand via hybrid carbonate–hydroxide activation of slag with waste brick powder and recycled rubber fibers

　　阿米尔侯赛因·莫埃兹|赛义德·穆罕默德·法塔希
伊朗德黑兰阿米尔卡比尔理工大学土木与环境工程学院

摘要
本研究探讨了用碱活化矿渣稳定并添加回收橡胶纤维的砂土的力学性能、微观结构演变及可持续性。采用了一种混合的Na2CO3–NaOH活化剂来提高矿渣的溶解效率，同时减少对高腐蚀性活化剂的依赖。评估了矿渣用量、废砖粉（WBP）和纤维含量对无约束抗压强度（UCS）、延展性和孔结构的影响。增加矿渣含量促进了C–(A)–S–H凝胶的形成，使基体更加致密，并增强了颗粒间的粘结作用，最大抗压强度达到了4.513 MPa。废砖粉主要起到了微填料和成核助剂的作用，改善了颗粒的堆积和基体的致密性。X射线衍射和场发射扫描电子显微镜证实了低结晶度粘结相的形成以及更紧凑的微观结构。图像分析显示孔隙变得更为细致，平均孔隙面积从0.399 μm2减小到0.037 μm2，孔隙圆度从0.450增加到0.706。纤维通过桥接裂纹提高了材料的后期性能，增强了延展性和能量吸收能力。碱活化混合物中的固有碳含量（62.95–75.42 kg CO2-eq/m3）低于OPC稳定系统（80.75–153 kg CO2-eq/m3），帕累托分析表明S8RF混合物在强度、成本和碳效率方面是一个平衡的选择。

1. 引言
建筑和拆除废弃物（CDW）是全球增长最快的废弃物类型之一，其产生速度受到快速城市化、基础设施更新和老旧建筑更换的推动[1],[2],[3]。尽管人们对循环经济策略的关注日益增加，但大部分CDW仍被填埋或低效利用，仅有少量被转化为高性能建筑材料[1],[4],[5]。在CDW衍生产品中，回收混凝土骨料（RCA），尤其是其砂粒级部分（通常称为回收砂 RS），仍然未得到充分利用。然而，RS在压缩土体建筑材料中具有巨大潜力，可以部分替代天然骨料，促进更可持续的建筑实践[4],[6],[7]。使用RS可以减少天然砂资源的开采，同时将废弃物从填埋场转移出来。

然而，RS的某些特性带来了工程上的挑战。与天然砂相比，RS通常具有更高的孔隙率、不规则的颗粒形态、粗糙的表面以及由于老砂浆附着和来源混凝土的异质性而导致的变化的细颗粒含量[8],[9],[10]。这些特性会增加water需求，降低填充效率，并对力学性能产生负面影响。以往的研究表明，含有RCA或RS的压实层的强度和刚度对级配、水分含量和粘合剂稳定性的变化非常敏感[11],[12]。如果未经适当处理，基于RS的材料可能无法满足结构或承重应用的力学要求。因此，需要有效的稳定方法来提高基于RS的建筑材料的性能和可靠性。

传统上，回收颗粒材料的稳定依赖于波特兰水泥或石灰[9],[10]。尽管这些粘合剂效果良好，但其生产过程中会产生大量的熟料消耗和二氧化碳排放[13]。此外，回收骨料中的多孔结构和残留砂浆往往需要更高的粘合剂用量才能达到所需的力学性能，这进一步加剧了环境问题和成本[12]。这些限制促使人们探索能够提供类似或更优工程性能的低碳粘合剂系统。

碱活化材料（AAMs），特别是基于粒化高炉矿渣（GGBFS）的系统，因其较低的环境影响而成为传统水泥粘合剂的替代品[14],[15],[16]。在碱活化矿渣（AAS）系统中，钙铝硅酸盐玻璃的碱性溶解会产生钙（铝酸盐）硅酸盐氢氧化物（C–(A)–S–H）凝胶，从而形成高力学强度和化学稳定性的致密基体[17],[18]。因此，基于矿渣的AAMs在涉及回收骨料和压缩土体复合材料的应用中受到了越来越多的关注，其中力学性能和环境可持续性都是重要的考虑因素[19],[20]。

大多数AAS系统使用高碱性的活化剂，如氢氧化钠或硅酸钠溶液。虽然这些活化剂能促进矿渣的快速溶解，但它们也存在处理安全性、腐蚀性和经济成本方面的实际问题[20]。因此，人们研究了碳酸钠（Na2CO3）作为一种更安全、更易使用的替代活化剂，因为它碱度较低且易于处理[21],[22]。然而，Na2CO3活化的矿渣反应速率较慢，强度发展也延迟，主要是由于碳酸盐沉淀和矿渣颗粒早期溶解受限[23],[24]。为克服这一限制，提出了结合碳酸钠和适量氢氧化钠的混合活化系统（NC–NH）。这类混合系统可以加速矿渣溶解，促进C–(A)–S–H凝胶的早期形成，同时保持碳酸盐活化的优势[25],[26],[27]。

除了回收骨料外，其他CDW衍生材料也可以进一步提高资源效率。废砖粉（WBP）由粉碎的烧制粘土砖废弃物制成，富含二氧化硅和氧化铝[28],[29],[30]。尽管其在碱活化系统中的火山灰活性可能有限，但WBP可以有效作为细填料，改善颗粒的堆积和基体致密性[31],[32],[33]。通过填充颗粒间隙和细化孔结构，WBP可以提高复合材料的物理稳定性，并增加CDW的资源回收潜力。

另一种有前景的回收途径是使用从轮胎寿命终结时获得的回收橡胶纤维（RF）。这些纤维通常来自轮胎的纺织或聚合物组件，已被证明可以提高水泥基和土聚合物复合材料的抗裂性、韧性及能量吸收能力[34],[35],[36]。纤维增强可以通过桥接裂纹和重新分配应力来减轻脆性破坏[37],[38],[39]。然而，这些纤维的性能很大程度上取决于纤维与基体的相互作用、界面粘结以及周围粘合剂凝胶的完整性[40]。在含有回收颗粒介质和碱活化粘合剂的系统中，这些相互作用尚未得到充分理解。

尽管关于碱活化粘合剂和回收骨料的研究越来越多，但仍存在重要知识空白。特别是，很少有研究探讨使用混合NC–NH活化矿渣粘合剂稳定完全回收的颗粒系统（包括回收砂、细填料和纤维）的效果。现有研究大多单独考虑这些组分，而未系统地探索多种回收成分在单一稳定复合材料中的综合效应。此外，除了抗压强度外，纤维增强回收颗粒系统在刚度、韧性和破坏行为方面的影响也需要进一步研究。

设计这类复合材料本质上是复杂的，因为多个参数（包括粘合剂含量、活化剂用量、回收填料含量、纤维含量和固化时间）同时影响材料性能。传统的试错实验法效率低且耗时。响应面方法（RSM）为建模变量间的相互作用、建立预测关系和简化实验次数提供了有效的统计框架[41],[42],[43]。虽然RSM已应用于碱活化粘合剂和回收骨料混凝土的研究，但在用于压缩土体建筑的多回收复合材料中的应用仍有限。

在此背景下，本研究探讨了一种使用混合NC–NH活化矿渣粘合剂的可持续稳定策略，结合废砖粉作为细填料和回收橡胶纤维作为离散增强剂的回收砂稳定方法。采用I-最优响应面方法评估矿渣含量、Na2CO3用量、NaOH/Na2CO3比例、WBP含量、RF含量和固化时间对无约束抗压强度（UCS）的影响，从而开发出用于混合物优化的预测二次模型。选定的混合物通过力学测试进一步表征，包括UCS、间接抗拉强度、切线模量（E50）和韧性，并通过微观结构分析（XRD和FE–SEM/EDS）确定反应产物并阐明微观结构与力学性能之间的关系。总体目标是评估完全回收的NC–NH活化矿渣–RS–WBP–RF复合材料作为坚固且可持续的压缩回收土体材料的可能性[44]。

本研究基于使用混合Na2CO3–NaOH活化矿渣粘合剂稳定的回收砂，结合废砖粉作为细填料和回收橡胶纤维作为离散增强剂，开发了一种升级的工程土复合材料。通过I-最优响应面设计量化耦合效应并确定最佳混合物，同时评估力学性能、微观结构（XRD/FE-SEM/EDS）以及从摇篮到自然界的固有碳含量和材料成本，以实现以性能为导向的实际设计框架。

2. 材料与方法
2.1. 材料
实验中使用的材料包括回收砂（RS）作为颗粒骨架，粒化高炉矿渣（GGBFS）作为富含钙的铝硅酸盐前驱体（粘合剂），以及废砖粉（WBP）作为回收细填料。添加回收橡胶纤维（RF）以改善抗裂性和后期完整性。碱活化采用混合的碳酸钠–氢氧化钠系统（NC–NH）实现。固体前驱体的粒径分布见图1，氧化物组成通过X射线荧光（XRF）测定，结果见表1。原材料的代表性照片见图2。

图1. 回收砂（RS）、矿渣（S）和废砖粉（WBP）的粒径分布。
表1. 回收砂（RS）、废砖粉（WBP）和矿渣（S）的氧化物组成。

组分 [wt.%]
CaO SiO2 Al2O3 MgO TiO2 MnO Fe2O3 K2O Na2O
RS 24.0 14.6 6.9 3 1.8 0.2 4 0.1 1.2 4 13.7
WBP 13.5 5 3.9 3.3 0.6 0.2 5.4 2.6 1.4 4.5 9 0.5
S 37.9 3 5.9 8.4 8.9 1.9 1.5 0.6 0.7 1.9 0.9

图2. 本研究中使用的回收材料照片：(a) 回收砂（RS）；(b) 废砖粉（WBP）；(c) 回收橡胶纤维（RF）。

2.1.1. 回收砂（RS）
RS来自伊朗德黑兰东部郊区Ab-Ali CDW处置和回收设施内的建筑和拆除废弃物（CDW）回收中心。RS是经过破碎和筛分混凝土/砂浆废弃物后得到的砂粒级部分。颗粒粒度分析显示其具有良好的级配，均匀系数（Cu）为8，曲率系数（Cc）为1.22；根据统一土壤分类系统（USCS），RS被归类为良好级配的砂（SW）。RS的颗粒比重（Gs）为2.75。RS的化学组成见表1。

2.1.2. 矿渣
粘合剂前驱体为粒化高炉矿渣（GGBFS），几乎所有颗粒均小于30 μm。XRF结果（表1）表明该矿渣是一种典型的高钙铝硅酸盐，主要由CaO和SiO2组成。

2.1.3. 废砖粉（WBP）
WBP由CDW中的烧制粘土砖废弃物粉碎而成，粒径分布显示WBP比RS更细，100%的颗粒通过了0.1 mm筛子（图1）。XRF分析（表1）表明WBP富含SiO2和Al2O3。在本研究中，WBP主要作为细填料使用，以改善颗粒堆积和基体致密性。

2.1.4. 回收橡胶纤维（RF）
回收橡胶纤维来自轮胎寿命终结时的材料，通常用于增强水泥基和土聚合物复合材料，已被证明能提高抗裂性、韧性和能量吸收能力[34],[35],[36]。纤维增强可以桥接裂纹并在基体内重新分布应力[37],[38],[39]。然而，这些纤维的性能很大程度上取决于纤维与基体的相互作用、界面粘结以及周围粘合剂凝胶的完整性[40]。在含有回收颗粒介质和碱活化粘合剂的系统中，这些相互作用尚未得到充分理解。

尽管关于碱活化粘合剂和回收骨料的研究日益增多，但仍存在重要的知识空白。特别是，很少有研究使用混合NC–NH活化矿渣粘合剂稳定完全回收的颗粒系统（包括回收砂、细填料和纤维）。现有研究大多单独考虑这些组分，而没有系统探讨多个回收成分在单一稳定复合材料中的综合效应。此外，除了抗压强度外，纤维增强回收颗粒系统在刚度、韧性和破坏行为方面的影响也需要进一步研究。

设计此类复合材料本质上很复杂，因为多个参数（包括粘合剂含量、活化剂用量、回收填料含量、纤维含量和固化时间）同时影响材料性能。通过传统试错实验来探索这些相互作用既低效又耗时。响应面方法（RSM）为建模变量间的相互作用、建立预测关系和优化混合比例提供了有效的统计框架[41],[42],[43]。虽然RSM已应用于碱活化粘合剂和回收骨料混凝土的研究，但在用于压缩土体建筑的多回收复合材料中的应用仍有限。

在本研究中，探讨了一种使用混合NC–NH活化矿渣粘合剂的回收砂可持续稳定策略，结合废砖粉作为细填料和回收橡胶纤维作为离散增强剂。采用I-最优响应面方法评估矿渣含量、Na2CO3用量、NaOH/Na2CO3比例、WBP含量、RF含量和固化时间对无约束抗压强度（UCS）的影响，从而开发出用于混合物优化的预测二次模型。选定的混合物通过力学测试进一步表征，包括UCS、间接抗拉强度、切线模量（E50）和韧性，并通过微观结构分析（XRD和FE–SEM/EDS）确定反应产物并阐明微观结构与力学性能之间的关系。总体目标是评估完全回收的NC–NH活化矿渣–RS–WBP–RF复合材料作为坚固且可持续的压缩回收土体材料的可行性。

2.2. 材料与方法
2.2.1. 材料
实验中使用的材料包括回收砂（RS）作为颗粒骨架，粒化高炉矿渣（GGBFS）作为富含钙的铝硅酸盐前驱体（粘合剂），废砖粉（WBP）作为回收细填料。添加回收橡胶纤维（RF）以改善抗裂性和后期完整性。碱活化采用混合的碳酸钠–氢氧化钠系统（NC–NH）实现。固体前驱体的粒径分布见图1，氧化物组成通过X射线荧光（XRF）确定，结果见表1。原材料的代表性照片见图2。

2.2.2. 矿渣
粘合剂前驱体为粒化高炉矿渣（GGBFS），几乎所有颗粒均小于30 μm。XRF结果（表1）表明该矿渣是一种典型的高钙铝硅酸盐，主要成分是CaO和SiO2。

2.2.3. 废砖粉（WBP）
WBP由CDW中的烧制粘土砖废弃物粉碎而成，粒径分布显示其比RS更细，100%的颗粒通过了0.1 mm筛子（图1）。XRF分析（表1）表明WBP富含SiO2和Al2O3。在本研究中，WBP主要作为细填料使用，以改善颗粒堆积和基体致密性。

2.2.4. 回收橡胶纤维（RF）
回收橡胶纤维来自轮胎寿命终结时的材料，作为离散增强剂使用。这些纤维通常是直的，表面不规则（图2c），可以增强与周围粘合剂基体的机械互锁。RF的主要物理和力学特性见表2。虽然在老化过程中的pH变化没有进行连续监测，但平衡后的pH值以及Na2O当量（下文定义）提供了对本研究中使用活化剂碱度的可重复描述。活化溶液的有效碱度是通过Na2O当量（Na2Oeq）来量化的，Na2Oeq通常用于表示碱激活系统中的有效碱含量。Na2Oeq是根据NaOH和Na2CO3的质量计算的：Na2Oeq=0.775mNaOH+0.585mNa2CO3，其中mNaOH和mNa2CO3分别是NaOH和Na2CO3的质量（千克/混合物），转换因子是根据它们的摩尔质量与Na2O的比率得出的。Na2Oeq以相对于渣料质量的百分比表示。根据实验设计，Na2Oeq在调查的设计空间内的范围为0.95-21.76 wt%。

2.2. 样品制备
对两种边界混合物进行了标准Proctor型压实试验，以确定一致的制备参数：(i) 含4%渣料的RS；(ii) 含12%渣料和15% WBP的RS。相应的压实曲线显示在图3中，最佳含水量被发现大约在14–16%的狭窄范围内。因此，所有混合物都采用了15%（按干固体质量计）的恒定含水量，以确保可比的水化和活化条件。为了减少与压实相关的变异性，为所有样品指定了一个恒定的干单位重量γd = 17.2 kN/m3。这个值大约是最细颗粒边界混合物（12%渣料 + 15% WBP）的0.90γdmax，并提供了在整个设计空间内可实现的保守压实状态。在样品制备过程中，γd是通过设计控制的：计算并称量了所有成分的干质量和混合水的含量（15%），然后将混合物压实到固定体积（50 mm × 100 mm）的模具中。因此，所有混合物的γd在狭窄的容差（±0.1kN/m3）内几乎是恒定的，这一点通过样品质量检查得到了确认。

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图3. 压实曲线显示了RS-渣料-WBP混合物的干单位重量与含水量之间的关系。

首先称量了所需的RS、渣料和WBP的质量（总干质量 = 337.5 g），并干混直至均匀。然后逐渐加入规定量的再生橡胶纤维（RF）以促进均匀分散。另外，通过将所需量的NH和NC剂量溶解在蒸馏水中来制备活化剂溶液，总液体质量设定为干固体的15%。冷却至室温后，将活化剂溶液逐渐加入干混合物中，同时继续搅拌直至获得均匀且可操作的复合材料。NC剂量定义为相对于渣料质量的Na2CO3质量百分比，NH/NC比率定义为NaOH与Na2CO3的质量比；这两种化学物质都是通过活化剂溶液引入的。活化剂溶液至少在混合前12小时制备，以确保达到热平衡。

新鲜混合物按照ASTM D698的压实程序分三层放入分裂的钢模具（直径50 mm × 高度100 mm）中。样品被压实至目标γd 17.2 kN/m3，然后密封并在25 ± 2 °C下固化至指定的测试年龄。为了减少测试期间与游离水分相关的变异性，样品在测试前24小时在70 °C下进行烘烤处理24小时。

2.3. 测试程序
机械表征包括无约束抗压强度（UCS）和间接抗拉强度（巴西 splitting）测试。此外，选定的混合物还使用了微观结构技术（XRD和FE-SEM/EDS）进行了研究。统计建模和优化是通过响应面方法（RSM）和使用I-最优设计进行的。

2.3.1. 无约束抗压强度（UCS）测试
UCS测试是在圆柱形样品（直径50 mm × 高度100 mm）上进行的，符合ASTM D1633标准。样品在位移控制下以1 mm/min的恒定横梁速率加载直至破坏。轴向应力计算为施加的负荷除以初始横截面积，轴向应变计算为横梁位移除以初始样品高度。每种混合物测试了三个重复样品，并报告了平均值。50%峰值应力时的剪切模量（E50）是根据UCS应力-应变曲线从原点到对应于0.5σpeak点的斜率计算得出的（E50 = 0.5σpeak / ε50）。韧性定义为压缩应力-应变曲线在峰值应力（σpeak）以下的面积，并通过对记录的压力-应变数据（直到σpeak）进行数值积分（梯形法则）来计算。

2.3.2. 间接抗拉（巴西）测试
间接抗拉强度是使用巴西 splitting测试根据ASTM D3967标准进行的。从压实的圆柱体中制备直径为50 mm、厚度（高度）为37.5 mm的圆盘样品。每个圆盘水平放置在两个钢加载盘之间，并在位移控制下以1 mm/min的速率加载直至分裂破坏。连续记录加载-位移数据。每种混合物测试了三个重复样品，并报告了平均值。间接抗拉强度（TS）计算如下：TS=2P/πDL，其中TS是间接抗拉强度（MPa），P是最大施加的负荷（N），D是样品直径（mm），L是样品厚度（mm）。每种混合物测试了三个样品，并报告了平均值。

2.3.3. 微观结构分析
对选定的稳定样品进行了微观结构研究，以检查反应产物和负责强度发展的键合机制。使用溶剂交换程序来阻止水化和碱激活反应，并将微观结构保持干燥状态。首先对粉末样品进行X射线衍射（XRD）以识别结晶相，并检测与碱激活相关的变化。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）用于观察反应产物的形态和空间分布，而能量分散X射线光谱（EDS）用于确定元素组成，并绘制粘合剂富集区域以及RS颗粒与凝胶基质之间界面的关键元素。

2.3.4. 使用Design-Expert的响应面建模（RSM）
鉴于混合物设计的多变量性质，RSM用于量化关键变量对UCS的影响，并开发预测模型。采用了I-最优响应面设计（38次运行），考虑了六个因素：渣料含量（A）、NC剂量（B）、NH/NC比率（C）、WBP含量（D）、RF含量（E）和固化年龄（F）。因素水平和实验矩阵在表3中提供。模型选择是通过拟合候选模型并基于统计显著性和拟合优度标准（调整后的R2、预测R2和术语p值）来进行的，同时根据统计显著性和模型适用性筛选术语，同时保持模型层次结构。

表3. 研究中使用的实验设计和因素水平。

*考虑的因素包括：A—渣料含量（S，相对于RS的重量百分比）；B—碳酸钠（NC，相对于渣料的重量百分比）；C—氢氧化钠（NH），表示为NH/NC重量比率；D—填料含量（相对于RS的重量百分比）；E—再生橡胶纤维（RF，相对于RS、渣料和砖粉的总固体质量的重量百分比）；F—固化年龄（天）。

2.3.5. 选定的实验样品
为了限制与详细测试相关的实验工作量，从RSM设计空间中选择了九种代表性混合物，以覆盖渣料和RF含量的组合范围，同时保持其他参数不变。对于这个子集，NC固定在10%（按渣料质量计），NH剂量固定在NH/NC = 0.5，WBP含量固定在7.5%（按RS的质量计），固化年龄固定在7天。渣料含量（4%、8%、12%按RS的质量计）和RF含量（0%、0.75%、1.5%按RS的质量计）进行了变化（表4）。这些混合物用于UCS和巴西测试、E50评估、韧性计算和破坏模式记录。

表4. 从Design-Expert获得的选定混合物设计及其因素水平的总结。

使用ImageJ软件（美国国立卫生研究院）对SEM显微图像进行了定量分析。获取的SEM图像首先转换为灰度，然后使用Otsu的自动全局阈值方法处理，以区分固体基质和孔隙区域。在测量之前，根据每个SEM显微图像中提供的刻度尺校准图像，将像素尺寸转换为实际空间单位。然后生成二值图像，以便定量评估孔隙特性。孔隙面积基于校准后的像素面积计算，并以μm2报告。总孔隙率计算为总孔隙面积与整个图像面积的比率。此外，还使用ImageJ中的粒子分析工具获得了孔径分布等形态参数。这种定量图像处理程序用于评估稳定土壤混合物的微观结构紧凑性，并支持对其机械性能的解释。

2.3.6. 内含碳评估（从头到尾，GWP100）
为了评估稳定系统的环境性能，对1立方米稳定土壤的功能单元进行了从头到尾的内含碳评估。排放因子取自已建立的LCA资源，表示为每千克材料的GWP100，以kg CO2-eq表示。总内含碳计算如下：ECtotal=∑i(mi×EFi)，其中mi是组分i的质量（kg/m3）（表5），EFi是其排放因子（kg CO2-eq/kg）。碳强度定义为CI=ECtotal/UCS（kg CO2-eq/MPa）。

表5. 1立方米压实材料的稳定土壤混合物的混合比例：(a) AAM-稳定混合物和(b) OPC-稳定参考混合物。
Mix-ID RS(kg/m3) NC(kg/m3) NH(kg/m3) WBP(kg/m3) RF(kg/m3)
S8 17 20 13.76 6.88 12 90
S12 17 20 20.64 10.32 12 90
S8 0.75 17 20 13.76 6.88 12 91
S12 1.5 17 20 20.64 10.32 12 92
5.8 17 20 13.76 6.88 12 92 5.8

使用ImageJ软件（美国国立卫生研究院）对SEM显微图像进行了定量分析。首先将图像转换为灰度，然后使用Otsu的自动全局阈值方法处理，以区分固体基质和孔隙区域。在测量之前，根据每个SEM显微图像中提供的刻度尺对图像进行校准，将像素尺寸转换为实际空间单位。然后生成二值图像，用于定量评估孔隙特性。孔隙面积基于校准后的像素面积测量，并以μm2报告。总孔隙率计算为总孔隙面积与整个图像面积的比率。此外，还使用ImageJ中的粒子分析工具获得了孔径分布等形态参数。这种定量图像处理程序用于评估稳定土壤混合物的微观结构紧凑性，并支持对其机械性能的解释。

2.3.6. 内含碳评估（从摇篮到坟墓，GWP100）
为了评估稳定系统的环境性能，对1立方米稳定土壤的功能单元进行了从摇篮到坟墓的内含碳评估。排放因子取自已建立的LCA资源，表示为每千克材料的GWP100，以kg CO2-eq表示。总内含碳计算如下：ECtotal=∑i(mi×EFi)，其中mi是组分i的质量（kg/m3），EFi是其排放因子（kg CO2-eq/kg）。碳强度定义为CI=ECtotal/UCS（kg CO2-eq/MPa）。

表5. 1立方米压实材料的稳定土壤混合物的混合比例：(a) AAM-稳定混合物和(b) OPC-稳定参考混合物。
Mix-ID RS(kg/m3) NC(kg/m3) NH(kg/m3) WBP(kg/m3) RF(kg/m3)
S8 17 20 13.76 6.88 12 90
S12 17 20 20.64 10.32 12 90
S8 0.75 17 20 13.76 6.88 12 91
S12 1.5 17 20 20.64 10.32 12 92 5.8

(a) Mix-ID 自然砂（kg/m3） OPC（kg/m3）
OPC5 17 0 85
OPC7 17 0 119
OPC10 17 0 170

*注：OPC5、OPC7和OPC10分别代表含有5%、7%和10%普通波特兰水泥（OPC）的参考混合物，按干砂的质量计，这些是在水泥处理土壤中常用的稳定水平[3]、[59]、[67]、[68]、[69]、[70]。

混合设计基于初步实验观察和先前研究中报告的信息建立。最初含有4%渣料（S4）的试验混合物显示出相对较低的抗压强度；因此，选择了8%和12%的较高渣料含量作为主要实验程序。此外，还加入了0.75%和1.5%的再生橡胶纤维，以评估纤维添加对稳定材料整体性能的影响。废砖粉也作为再生矿物成分包含在混合物中。为了比较目的，准备了传统的波特兰水泥稳定混合物作为参考系统。水泥含量选择在土壤稳定中常用的范围内，以实现大约1–4 MPa的抗压强度，如先前研究中报告的。因此，考虑了三种含有5%、7%和10%普通波特兰水泥（OPC）的参考混合物，以评估所提出的稳定方法的性能[46]、[47]。

使用所有AAM和OPC混合物中使用的材料的既定CO2等效（CO2–eq）排放因子进行了从摇篮到坟墓的内含碳评估。排放因子来自广泛认可的来源，主要是Inventory of Carbon and Energy (ICE v3.0)和ecoinvent v3.8数据库。表6总结了每种组分材料采用的CO2–eq排放因子。这些值用于计算每种混合物每立方米的CO2–eq内含量，与该研究中定义的功能单元一致。

表6. AAM-和OPC-稳定土壤混合物中使用的材料的CO2排放因子。
材料 CO2排放因子（kg CO2/kg）
普通波特兰水泥（OPC） 0.85
粒化高炉矿渣（GGBFS） 0.07
氢氧化钠（NaOH） 1.1
碳酸钠（Na2CO3） 0.45
自然砂 0.005
再生砂（RS） 0.02
废砖粉（WBP） 0.04
再生橡胶纤维（RF） 0.03

注意：CO2排放因子来自ICE v3.0和ecoinvent v3.8，以确保与土壤稳定材料的既定生命周期评估实践兼容。

对1立方米稳定土壤的功能单元进行了从摇篮到坟墓的材料成本评估。分析包括每种混合物中使用的所有组分的采购成本。总材料成本计算如下：Ctotal=∑i(mi×Pi)，其中Pi是组分i的单位价格（$/kg）。（表7）所有成本均以$/m3报告。范围限制：分析仅限于材料采购成本，不包括运输、能源、劳动力、设备、现场执行或使用寿命结束阶段的成本。

表7.原材料的单价用于从摇篮到大门（cradle-to-gate）的成本分析。
| 材料 | 价格（美元/千克） |
|-------------|--------------|
| OPC | 0.1 |
| GGBF | 0.04 |
| NaOH | 0.575 |
| Na2CO3 | 0.4 |
| 天然砂 | 0.015 |
| 回收砂（RS） | 0.012 |
| 废砖粉（WBP） | 0.018 |
| 回收轮胎纤维（RF） | 0.05 |

**注：** 所报告的单价是根据现有文献和市场数据汇编的，用于估算每种混合物的材料成本，参见参考文献[3]、[72]、[73]、[74]、[75]、[76]。
为了同时评估环境和经济指标，采用了基于帕累托（Pareto）的可视化方法，考虑了从摇篮到大门的嵌入碳（GWP100，千克二氧化碳当量/立方米）和从摇篮到大门的材料成本（美元/立方米）。由于这些是成本类型的指标（数值越低越好），因此进行了归一化处理：
**Xnorm = Xmin / Xi**，其中Xi表示混合物i的指标值，Xmin是所有混合物中的最小值。根据这个定义，Xnorm=1对应于该指标表现最佳的混合物。气泡大小代表归一化的UCS值，(1,1)表示在研究数据集中可实现的最佳综合成本-碳性能。本研究采用的集成评估工作流程包括机械性能、嵌入碳（CO2当量）和材料成本，如图4所示。
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**图4.** 用于集成评估UCS、从摇篮到大门的嵌入碳和材料成本的流程，从而选择基于帕累托的最优混合物。

**3. 结果**
**3.1. UCST的响应面建模**
简化二次模型的方差分析（ANOVA）结果见表8。整个模型在统计上非常显著（F = 1566.96，p < 0.0001），证实了选定因素与UCS之间的强相关性。所有线性项在研究范围内都显著，包括矿渣（A：F = 6825.16，p < 0.0001）、NC（B：F = 136.38，p < 0.0001）、NH/NC（C：F = 2164.68，p < 0.0001）、填料（D：F = 324.62，p < 0.0001）、RF（E：F = 930.03，p < 0.0001）和固化时间（F：F = 26.06，p = 0.0003），表明UCS显著受到混合物设计参数和固化条件的影响。

**表8.** 简化二次模型的ANOVA结果，显示了各种因素对UCS的影响显著性。

**3.2. 多因素交互作用**
多个两因素交互作用也显著，分别是AB（F = 437.14，p < 0.0001）、AC（F = 3243.67，p < 0.0001）、AE（F = 12.21，p = 0.0044）、AF（F = 672.71，p < 0.0001）、BC（F = 1156.66，p < 0.0001）、BD（F = 22.73，p = 0.0005）、BE（F = 199.29，p < 0.0001）、BF（F = 279.19，p < 0.0001）、CD（F = 490.81，p < 0.0001）、CE（F = 315.95，p < 0.0001）和DF（F = 5.00，p = 0.0451）。而AD的交互作用不显著（F = 0.0235，p = 0.8808）。这表明UCS不是由单个变量独立控制的，而是受矿渣、活化剂化学成分（NC和NH/NC）、填料、RF和固化时间的耦合效应共同影响的。二次项也显著（A2：F = 619.52，p < 0.0001；B2：F = 55.09，p < 0.0001；C2：F = 149.14，p < 0.0001；E2：F = 9.74，p = 0.0088；F2：F = 4.86，p = 0.0477），表明响应面存在曲率。此外，拟合不足不显著（F = 2.67，p = 0.1486），支持所提模型在研究设计空间内的适用性。

**模型 adequacy 统计指标** 如表9所示。决定系数（R2）非常高（R2 = 0.9997），调整后的R2（R2 = 0.9991）接近预测的R2（R2 = 0.9940），表明预测能力优异，且没有过拟合迹象。标准差（Std. Dev. = 0.6152）相对响应均值（Mean = 32.76）较低，因此变异系数（C.V. = 1.88%）较小。此外，充分精度值（Adequate Precision）远高于推荐的最低值4，证实了模型具有非常强的信噪比和可靠的区分能力。

**总体而言，** 该模型表现出优异的拟合度和预测性能。非常高的预测R2（R2 = 0.9940），加上拟合不足不显著（p = 0.1486），表明高R2并非由于过拟合，而是反映了模型在研究设计空间内的良好泛化能力。通过多个统计指标评估了所开发的RSM模型的稳健性。应用了Box-Cox变换（λ = 0.5）来改善响应的正态性和方差稳定性。预测值与实际值的对比图（图5）显示了实验值和预测值之间的强一致性，进一步证实了模型的可靠性。

**图6.** 代表性的响应表面图。图6a展示了NC和NH/NC对UCS的综合影响。NC和NH/NC的增加通常会增强UCS，在较高剂量下具有明显的协同效应。图6b突出了矿渣含量与固化时间之间的交互作用。等高线图主要沿着固化时间轴排列，表明在7-28天区间内，矿渣含量对UCS的影响大于固化时间。图6c显示了WBP与NH/NC之间的关系。响应表面显示出NH/NC的变化较大，而WBP的变化在研究范围内的UCS变化相对较小，这与表8中WBP的平方和相对较小相符。图6d展示了矿渣含量与橡胶纤维（RF）之间的交互作用。响应表面表明，增加矿渣含量显著提高UCS，而RF主要在较高矿渣水平下修改响应，反映了基质强化和纤维增强的互补作用。

**3.2. 无约束抗压强度（UCS）**
选定混合物的应力-应变响应如图7所示。矿渣含量的增加系统性地使曲线向上移动，表明在给定应变下应力水平更高。这种趋势在所有RF含量中都很明显，证实了矿渣在增强回收砂基质中形成更坚固、更紧密结合的骨架方面的主导作用。

**图8.** 随矿渣和RF含量变化的UCS、50%峰应力下的剪切模量（E50）和韧性（定义为应力-应变曲线下的面积）的变化。如图6a所示，UCS随矿渣含量增加而增加，RF的益处在高矿渣水平下更为显著。最高UCS出现在矿渣含量为12%、RF含量为1.5%的混合物中，显示出粘合剂含量和纤维增强之间的协同作用。E50也表现出类似的趋势：E50随矿渣含量增加而增加，RF的添加进一步提高了高矿渣水平下的E50，表明纤维不仅改善了峰值后的行为，还影响了复合材料的表观刚度。微观结构表征
图13展示了未处理RS、处理过的RS、矿渣和WBP的X射线衍射（XRD）图案。RS的衍射图案主要由明显的晶体峰会主导，这些峰主要对应于石英（SiO2）在大约26.6°（2θ）和方解石（CaCO3）在大约29.4°（2θ），表明这些矿物是原始沉积物的主要结晶成分。在2θ ≈ 27–28°区域的峰主要与石英和斜长石相关，这些矿物在天然土壤中很常见。

在稳定化的样品中，位于2θ ≈ 27°的衍射峰比原始土壤中的更宽且强度更低。这种峰的宽化通常与结晶度的降低以及形成低结晶度或非晶态反应产物有关。这种现象在基于矿渣的稳定系统中经常被报道，并通常归因于钙铝硅酸盐氢氧化物类型凝胶（C–(A)–S–H）的形成。该区域中石英和斜长石反射的重叠也可能导致峰形的改变。

与原始沉积物相比，处理后的样品中2θ ≈ 29°的衍射峰变得更宽且不那么尖锐。根据谢勒关系（Scherrer relation），这种宽化可能表明晶粒尺寸的减小和/或低结晶度相的形成。这种变化可能与在稳定过程中细碳酸盐相的沉淀或低结晶度反应产物的发展有关。

处理后，稳定化RS的XRD图案在大约20–35°（2θ）范围内显示出明显的 diffuse 背景强度增加。这种宽的隆起通常与形成低结晶度或非晶态的钙铝硅酸盐氢氧化物凝胶（C–(A)–S–H）有关，这些凝胶被广泛报道为含矿渣或碱激活系统中的主要结合相。这种 diffuse 特征的存在表明形成了有助于处理材料结合结构的反应产物。

矿渣的XRD图案的特点是在25至35°（2θ）之间有一个宽的非晶态隆起，表明其主要是玻璃态结构。这一特征与已知的人造焦粒矿渣的非晶态性质一致，并解释了它在碱性环境中的高反应性。此外，在处理后的系统中，2θ ≈ 34–35°附近出现的弱反射可能归因于水滑石类层状双氢氧化物（LDH）相，这些相经常被报道为基于矿渣的粘合剂中的次要反应产物。在20–21°（2θ）附近观察到的一个次要反射也可能与文石的形成有关，文石是CaCO3在碱性环境中的亚稳态多形体。

WBP的XRD图案显示了典型的结晶相，包括石英和莫来石，这些都是砖衍生材料的典型矿物成分。总体而言，衍射图案的比较表明，虽然原始材料包含几个定义明确的结晶相，但处理过的RS显示出非晶态和低结晶度反应产物的发展，这与形成负责材料稳定的结合凝胶一致。

XRD图案显示，与原始土壤（RS）相比，处理样品在10–35°（2θ）范围内的 diffuse 背景强度有明显增加，这通常与非晶态或低结晶度相有关。为了量化这种变化，使用Origin软件对两个区域（10–20°和20–35° 2θ）的基线校正后的强度进行了积分。总积分面积从RS的6972.39增加到处理样品的7679.02，相当于大约10.1%的增加。

FE-SEM显微照片显示，稳定化的混合物S8NC10NH0.5F7.5RF0.75形成了富含粘合剂的基质，并且在孔网络中发展出多种反应产物（图14a–c）。如图14a所示，微观结构特征是一个连续的凝胶状相，被识别为C-(A)-S-H，它连接颗粒框架并填充颗粒间的空隙。除了主导的凝胶基质外，还可以看到几种结晶/半结晶产物。碳酸盐型沉淀物和碳酸盐型微晶在基质中广泛分布，经常以聚集的细小沉积物形式出现（图14a）。在富含粘合剂的区域中也观察到了文石作为离散的碳酸盐晶体（图14a），这表明在稳定化过程中发生了活跃的碳酸盐沉淀。此外，还检测到了水滑石的局部存在（图14a），这与在含矿渣的碱激活环境中形成的LDH型产物一致。

图14的FE-SEM和EDS结果显示，使用混合物S8NC10NH0.5F7.5稳定的RS：FE-SEM显微照片在（a）5,000×和（b）15,000×；（c）显示EDS分析位置的FE-SEM图像；（d）相应的半定量EDS结果（原子%和重量%）；以及（e）选定点的EDS光谱。图14的面板（b）突出了稳定基质中的明显方解石特征。方解石的存在以及周围的反应产物表明，碳酸盐相作为局部结晶域嵌入在凝胶网络中。总体而言，FE-SEM观察结果支持了一种混合稳定机制，其中C-(A)-S-H凝胶基质提供了凝聚力和孔隙填充，而碳酸盐多形体（包括文石和方解石）和水滑石作为额外的结晶微填料增强了基质的致密度（图14a–b）。

在图14c所示的选定位置进行了EDS分析，相应的半定量结果提供在图14d中，光谱显示在图14e中。EDS数据表明组成富含Si（44.26原子% Si；56.87重量% Si），伴有O和C，以及可测量的Ca贡献（6.06原子% Ca；11.11重量% Ca）（图14d）。总的来说，SEM/EDS结果表明，微观结构主要由富含Si的凝胶主导，并含有可测量的Ca和少量的Al，而升高的碳信号表明共存了含碳酸盐的产物。特定的碳酸盐/LDH相的分配主要基于XRD结果（图13），而SEM/EDS提供了凝胶形成和富含碳酸盐沉淀物的形态和组成支持（图14a–e）。应该注意的是，EDS光谱中观察到的相对较高的碳信号主要是由于在SEM样品制备过程中使用了碳带和碳涂层，因此并不反映材料的内在组成。

根据定性的FE-SEM观察结果，进行了定量孔隙分析以支持图像中观察到的微观结构趋势[49]。使用原始刻度条对5,000×和15,000×放大倍的FE-SEM显微照片进行了校准，转换为二值图像，并在ImageJ中处理以提取2D表面孔隙描述符，包括孔隙计数、平均孔隙面积、孔隙面积分数、圆度和致密性（图15和表10）。在5,000×放大倍下，基质显示出较少但更大且更不规则的孔隙（平均孔隙面积=0.399 [μm2]，圆度=0.450）。在15,000×放大倍下，检测到更多更细小且更规则的微孔（平均孔隙面积=0.037 [μm2]，圆度=0.706）。测量到的面积分数从0.6%增加到1.7%，这主要是由于在高放大倍下能够更好地检测到细微孔隙，而不是总孔隙度的实际增加。总体而言，这些定量描述符证实了FE-SEM观察结果，并表明碱激活的基质更加精细和致密。需要强调的是，报告的值代表2D表面描述符，并不代表体积孔隙度。

3.4.1 综合可持续性评估和基于帕累托的混合物选择（UCS–EC–LCC）
从摇篮到大门的碳足迹结果（GWP100）在表11中总结，并与OPC稳定的参考值在图16中进行比较。AAM混合物的碳足迹值为62.95–75.42 kg CO2-eq/m3，低于OPC混合物（80.75–153 kg CO2-eq/m3），同时实现了更高的UCS。碳强度（CI = 碳足迹/UCS）进一步突出了优化后的AAM混合物（S12RF1.5: 16.71 kg CO2-eq/MPa）与OPC参考值（38.25–80.75 kg CO2-eq/MPa）的机械效率。

表11. AAM和OPC稳定土壤混合物的碳足迹（GWP100，kg CO2-eq/m3）、UCS（MPa）和碳强度（kg CO2-eq/MPa）。
AAM稳定土壤系统
Mix-ID kg CO2-eq/m3 UCS (MPa) CI (kg CO2-eq/m3/MPa)
RSS 34.4 9.6 26.1 27.5 68.5
HWB 34.4 9.6 26.1 27.5 68.5
PRF 34.4 9.6 26.1 27.5 68.5
S8RF 34.4 9.6 26.1 27.5 68.5
S12RF 34.4 9.6 26.1 27.5 68.5
S8RF0.75 34.4 9.6 26.1 27.5 68.5
S12RF0.75 34.4 9.6 26.1 27.5 68.5
S12RF1.5 34.4 9.6 26.1 27.5 68.5

此外，从摇篮到大门的材料成本分解在表12中提供，并在图17中进行比较。AAM混合物的成本范围为37.93至46.70美元/m3，主要受矿渣用量和活化剂需求的控制，而OPC参考值的范围为34.0至42.5美元/m3。几种AAM混合物，特别是S8系列（37.93–39.22美元/m3），在经济上与OPC稳定相当，同时实现了较低的碳足迹。

图16. AAM和OPC稳定土壤混合物的总从摇篮到大门碳足迹，GWP100（kg CO2-eq/m3）。
此外，从摇篮到大门的材料成本分解在表12中提供，并在图17中进行比较。AAM混合物的成本范围为37.93至46.70美元/m3，主要由矿渣用量和活化剂需求决定，而OPC参考值的范围为34.0至42.5美元/m3。几种AAM混合物，特别是S8系列（37.93–39.22美元/m3），在经济上与OPC稳定相当，同时实现了较低的碳足迹。

图18总结了通过结合标准化的碳足迹和标准化材料成本的多标准性能，气泡大小代表标准化的UCS。S8系列混合物聚集在非主导边界附近，表明成本-碳性能具有竞争力，而S12系列混合物提供了更高的UCS（较大气泡），但代价是材料成本较高。

4. 讨论
本研究中观察到的机械性能可以通过粘合剂化学、颗粒堆积和稳定土壤基质内的微观结构演化的综合效应来解释。响应面方法（RSM）结果表明，矿渣含量和活化剂组成是控制强度发展的主要参数，而回收橡胶纤维主要影响开裂后的行为和延展性。矿渣用量的统计显著性反映了其作为主要前体的作用，提供了碱激活系统中形成水泥结合相所需的反应性Ca、Si和Al物种。砖粉作为水泥基系统中的SCM已被广泛研究，其火山灰贡献强烈依赖于细度和活性铝硅酸盐的比例，当与矿渣在适当的活化剂化学条件下混合时，它也可以参与碱激活粘合剂[50]。在本研究中，WBP的XRD图案主要由结晶石英和莫来石主导（图13），表明其直接化学反应性可能有限。因此，WBP主要被视为微填料和成核助剂，改善了堆积，细化了孔结构，并促进了C–(A)–S–H类型产物的沉淀。然而，考虑到高度碱性的NC–NH环境（pH > 13），不能排除WBP中少量活性铝硅酸盐组分的有限溶解，并可能对凝胶发展有次要贡献。因此，WBP在RSM模型中的统计显著性主要归因于堆积/成核驱动效应，在混合激活下可能有次要的化学贡献[51]、[52]、[53]。

机械性能的改进进一步得到了XRD分析揭示的微观结构演化的支持。衍射图案表明石英仍然是主要的结晶相，在2θ ≈ 26.6°处有一个强峰，反映了土壤的矿物组成。检测到方解石，其特征是在2θ ≈ 29.4°附近的峰，通常与碱激活矿渣系统中发生的碳酸化过程相关。除了这些结晶相外，处理过的样品在10–35°（2θ）范围内显示出 diffuse 背景强度的增加，这通常归因于低结晶度或非晶态反应产物，如C–(A)-S–H型凝胶[54]。XRD图案显示，处理后的样品在10–35°（2θ）范围内 diffuse 背景强度有明显增加，表明形成了低结晶度反应产物。为了量化这一点，使用Origin在10–20°和20–35°（2θ）范围内对基线校正后的强度进行了积分，导致diffuse 区域从6972.39（RS）增加到7679.02（处理后），相当于约10.1%的增加。这个值代表diffuse-隆起强度的相对增加，而不是绝对的非晶态分数。增强的隆起以及晶体峰的轻微衰减表明有部分反应相溶解，并沉积了类似凝胶的水合产物（例如，C–(A)–S–H），这与稳定材料的机械性能提升一致。混合的NC–NH活化作用可以解释为一种温和的溶解-沉淀环境。NaOH的存在提供了高碱性（在本研究中平衡后pH值>13），这促进了反应性矿渣相的溶解，并支持了C–(A)-S–H型结合凝胶的早期形成。相比之下，Na2CO3提供了一个缓冲的碱性环境，并提供了可以参与沉淀反应的碳酸盐物种[55]。因此，NC和NH的联合使用能够在避免过量使用NaOH的同时促进强度的发展，而形成的反应环境与XRD特征相一致，表现为扩散强度的增加（结晶度较低的产品）以及可识别的与碳酸盐相关的相。这些解释与之前关于碳酸盐和混合活化矿渣系统的报告[56][57][58]一致。FE–SEM观察进一步支持了XRD的解释，揭示了未处理和稳定土壤之间的微结构明显差异。处理后的混合物显示出更密集、更连续的基质，其中土壤颗粒部分被反应产物覆盖，颗粒间的孔隙减少。这种致密的结构增加了颗粒间的有效接触面积，有助于应力在基质中的传递，从而在机械测试中观察到更高的抗压强度。在定性FE–SEM观察之后，进行了定量孔隙分析以支持图像中观察到的微结构趋势。使用原始刻度条对5,000倍和15,000倍放大的FE–SEM显微图进行了校准，转换为二值图像，并在ImageJ中处理以提取二维表面孔隙描述符，包括孔隙数量、平均孔隙面积、孔隙面积分数、圆度和致密度（图15和表10）。在5,000倍放大下，基质显示出较少但较大且更不规则的孔隙（平均孔隙面积=0.399 μm2，圆度=0.450）。在15,000倍放大下，检测到更多更细小且更规则的微孔（平均孔隙面积=0.037 μm2，圆度=0.706）。测量的孔隙面积分数从0.6%增加到1.7%，这主要归因于在高放大倍率下细小微孔的可检测性提高，而不是总孔隙度的实际增加。这些定量描述符与FE–SEM观察结果一致，表明形成了精炼且致密的碱活化基质。需要强调的是，报告的值代表二维表面描述符，并不代表总体积孔隙率[57][58]。虽然基于ImageJ的分析提供了来自FE–SEM图像的定量二维表面孔隙描述符，但本研究中的SEM数据集来自单一代表性样本/混合物。因此，目前的数据集内无法建立微结构描述符（例如孔隙面积分数或圆度）与宏观强度之间的统计上稳健的定量关联模型。此外，定量分析碳酸盐含量和碳酸盐颗粒大小分布需要依靠BSE成像和/或EDS映射来支持特定相的分割，而这在本研究中不可用。未来的工作将通过分析涵盖广泛强度范围的多种混合物，并利用相分辨成像来量化富含碳酸盐的区域，并将它们与机械性能定量关联[58][59]。回收橡胶纤维与碱活化粘结剂之间的相互作用主要受物理而非化学键合机制的控制。橡胶颗粒主要由交联的聚合物结构组成，在高碱性环境中表现出有限的表面反应性，限制了与C–(A)-S–H凝胶等水泥反应产物的强化学键的形成。在溶解-沉淀过程中，反应产物逐渐填充周围的孔隙空间，并在嵌入的纤维周围形成相对密集的粘结剂基质。这种局部的基质致密化促进了纤维-基质界面的机械互锁和摩擦阻力。因此，纤维能够桥接正在发展的裂缝，并在裂缝平面上传递应力，而部分纤维的拔出提供了额外的能量耗散。这些界面机制与实验观察到的韧性增加以及纤维增强混合物从脆性断裂向更稳定的后峰值软化行为的转变是一致的[15][60][61]。韧性的增加可以解释为粘结剂含量和橡胶纤维增强作用的共同作用。增加矿渣用量显著提高了稳定土壤的抗压强度和刚度，通过形成更密集的水泥基质[58]。这种更强的结合骨架使材料能够在失效前承受更高的应力水平，增加了应力-应变响应的应力分量，从而提高了能量吸收能力。另一方面，橡胶纤维主要影响混合物的变形行为。纤维的加入引入了裂缝桥接机制，延缓了裂缝的传播，并促进了基质内部的应力重新分配。随着纤维含量增加到1.5%，混合物表现出显著的延展性提高，使得样品在失效前能够承受更大的应变。因此，失效模式从无纤维混合物的脆性断裂逐渐转变为纤维增强样品中的更分散的裂纹模式，这允许逐步发展损伤并在失效前显著提高能量耗散[15]。为了评估碱活化混合物的环境性能，基于每种成分的质量和来自已建立数据库及验证文献来源的排放因子，进行了从摇篮到大门的碳足迹评估。所有混合物的总碳足迹排放量总结在表11中，它们的机械-环境相互作用显示在图16中。AAM稳定的混合物显示出62.95至75.42 kg CO2–eq/m3的碳足迹值，远低于OPC稳定的系统（取决于水泥用量的80.75–153 kg CO2–eq/m3）。尽管碳足迹较低，但AAM配方产生了显著更高的强度。混合物S12RF1.5达到了最高的UCS（4.513 MPa）和最低的碳强度（CI = 16.71 kg CO2–eq/MPa），表明其机械效率相对较高。相比之下，基于OPC的混合物显示出更高的CI值（38.25–80.75 kg CO2–eq/MPa），证实了要达到可比的强度需要显著更多的碳排放[57][62]。从经济角度来看，AAM混合物的总从摇篮到大门的材料成本大约在37.93至46.70美元/m3之间，主要取决于矿渣用量和活化剂的需求。将矿渣含量从8%增加到12%导致成本明显上升，反映了粘结剂材料的更高贡献。相比之下，加入回收橡胶纤维仅导致成本的轻微增加，根据纤维含量不同，增加量为0.65–1.29美元/m3（表12）。与材料成本在34至42.5美元/m3之间的OPC稳定土壤相比，几种AAM混合物在经济上具有可比性。特别是，S8系列的混合物材料成本在37.93–39.22美元/m3之间——与传统的OPC稳定效果相当——同时提供了显著更低的碳足迹和竞争性的机械性能。这些发现表明，基于AAM的稳定在环境影响、机械响应和经济可行性之间提供了平衡的折中。添加的碳-成本评估阐明了混合活化设计中的实际权衡。NaOH通常是一个高影响和高成本的组件；因此，限制NaOH的需求可以改善处理安全性，同时减少碳足迹和材料成本。混合的NC–NH策略能够在避免过量使用NaOH的同时实现充分的活化，提供了性能和实用性之间的可行折中。在调查的数据集中，S8系列设计的成本与OPC接近，同时实现了显著更低的碳足迹，而高矿渣含量的S12系列混合物则提供了更高的强度和韧性，但材料成本增加。图18中所示的帕累托前沿通过绘制标准化的碳足迹（CO2–eq）与标准化的成本性能提供了混合物性能的综合评估，而气泡大小代表标准化的抗压强度（UCS）。这种可视化能够同时比较环境、经济和机械指标。位于帕累托前沿的混合物，包括OPC5、S8RF0、S8RF0.75和S8RF1.5，代表了非主导解决方案，其中任何成本性能或抗压强度的改进都需要相应的碳足迹增加。随着解决方案沿着前沿向更高成本性能前进，气泡大小通常会增加，表明抗压强度较高，但也反映了与碳足迹的固有权衡。相比之下，远离前沿的混合物，如S12RF0和S12RF0.75，表现出更小的气泡大小和较低的成本性能，表明在同时考虑多个目标时抗压强度较低且整体效率降低。在最佳解决方案中，S8RF0.75和S8RF1.5特别平衡。S8RF0.75配方在机械性能、碳足迹和成本效率之间提供了有利的折中，适用于优先考虑可持续性和经济因素的应用。同时，S8RF1.5提供了更高的抗压强度和改善的成本性能，如其较大的气泡大小和在帕累托前沿的位置所示，尽管碳足迹有所增加。总体而言，帕累托分析表明这些混合物在机械性能、从摇篮到大门的碳足迹和成本性能之间实现了有效的平衡，从而支持它们作为可持续材料设计的实际和优化配方。5. 限制和未来研究尽管本研究进行了全面的实验计划，但仍应承认几个限制。首先，所研究的回收橡胶纤维（RF）含量仅限于0、0.75和1.5%（按RS的质量计）。在这个范围内，机械性能始终有所提高，没有观察到严重的纤维聚集现象；然而，更高的纤维用量可能导致聚集、更多的夹带孔隙和降低的压实效率。未来的工作应该探索更高的RF含量，并使用基于图像的聚类指标以及机械测试来量化分散/聚集，以确定纤维的实际上限。其次，本研究主要集中在短期机械性能（UCS、TS、刚度、韧性）和微观结构观察上。实际应用所需的核心耐久性指标——如冻融耐受性、湿-干循环、水稳定性/软化、硫酸盐抵抗性和在湿度变化下的长期性能——并未进行研究[63][64][65][66]。未来的研究应纳入标准化的耐久性协议，并评估在重复环境循环下的性能保持情况。第三，虽然使用EDS检查了稳定基质的元素组成，但对纤维-基质粘结的详细界面解析表征（例如，在纤维-基质界面的BSE/EDS映射和/或拔出测试）超出了本研究的范围。这样的分析将提供控制裂缝桥接和后峰值行为的界面机制的直接证据。第四，虽然本研究量化了从摇篮到大门的碳足迹（GWP100）和从摇篮到大门的材料成本，并使用基于帕累托的可视化将其与机械性能结合起来，但更广泛的可持续性因素——如运输、大规模生产的可行性、废物源材料的可变性和维护/服务寿命考虑——可能会影响现场实施，应在未来的工作中加以解决。12小时平衡过程中的pH演变没有连续监测；未来的工作应跟踪时间依赖的pH/碱度（和离子物种），以进一步将活化剂化学与反应动力学联系起来。最后，本研究没有定义特定应用的接受标准（例如，对于路基层或回填材料），因此没有建立实验室指标与现场性能要求之间的直接关系。未来的工作应将强度-耐久性指标与特定场景（路基层/回填/土壤-水泥层）的工程目标进行映射，以支持基于性能的设计和规格制定。6. 结论本研究调查了使用混合Na2CO3–NaOH活化系统并用回收橡胶纤维增强的碱活化矿渣稳定砂土的机械行为、微观结构演变和可持续性能。主要结论总结如下：1. 矿渣用量是控制强度发展的主导参数。增加矿渣含量通过形成C–(A)–S–H型结合凝胶显著提高了UCS和刚度，这些凝胶使土壤基质致密化并增强了颗粒间的粘结。2. 混合的Na2CO3–NaOH活化创造了一个温和的溶解-沉淀环境，促进了矿渣的溶解，同时避免了过量的NaOH需求，实现了高效的活化并提高了实际适用性。3. 废弃砖粉（WBP）主要作为微填料和成核辅助剂。它的存在改善了颗粒堆积并促进了反应产物的沉淀，有助于孔隙细化和基质致密化，但在高碱性条件下仅有微弱的潜在化学贡献。4. 微观结构分析确认了致密碱活化基质的发展。XRD模式显示与结晶度较低的C–(A)–S–H型凝胶相关的扩散强度增加，而FE–SEM观察显示颗粒间孔隙减少和基质连续性改善。5. 定量ImageJ分析表明孔隙显著细化，平均孔隙面积从0.399 μm2减少到0.037 μm2，孔隙圆度从0.450增加到0.706，反映了更细小且分布更均匀的微孔的形成。6. 回收橡胶纤维显著提高了延展性和能量吸收。纤维增强激活了裂缝桥接机制，延缓了裂缝传播并促进了应力逐渐重新分配，导致从脆性断裂向更稳定的后峰值行为的转变。7. 碳足迹评估显示，碱活化混合物产生的排放量（62.95–75.42 kg CO2–eq/m3）显著低于OPC稳定的系统（80.75–153 kg CO2–eq/m3），同时也实现了更高的机械性能。混合物S12RF1.5不仅达到了最高的UCS（4.513 MPa），同时还具有最低的碳强度（16.71 kg CO2–eq/MPa）。综合的碳成本强度评估和帕累托分析将OPC5、S8RF0、S8RF0.75和S8RF1.5确定为最优混合物。其中，S8RF系列在机械性能、碳含量和材料成本之间取得了最平衡的折中；而S12RF1.5则具有最高的强度和韧性。总体而言，结果表明，碱激活矿渣与回收橡胶纤维的协同组合为沙质土壤提供了一种有效且可持续的稳定方法，同时提升了土壤的强度、延展性和环境性能。

**资助声明**
本研究未接受任何资助。

**作者贡献声明**
Amirhossein Moez：撰写初稿、数据可视化、软件开发、实验设计、数据分析、数据整理。
Seyed Mohammad Fattahi：审阅与编辑、结果验证、项目管理、方法论研究、概念构思。