利用碳酸化的高炉矿渣/碳化渣混合物以及脱硫石膏开发一种用于粉质粘土稳定的碳封存粘合剂

碳化矿渣/脱硫石膏复合胶凝材料协同矿化-硫酸盐激活机制研究。通过优化组分比例和矿化预处理，显著提升胶凝材料反应性及土壤固化效果，抗压强度提高18.54%-26.37%，CBR增长183.83%，CO2减排80.2%，成本降低11.35%。

王聪|凌一峰|冉磊|孙彦兵|华素东|王旭豪

山东大学齐鲁交通学院，济南，250002，中国

摘要

将多源工业固体废物用于土壤稳定化对于低碳建筑工程具有重要意义。本研究基于协同矿化-硫酸盐活化机制，开发了一种新型的碳捕获粘合剂，该粘合剂由碳酸化粒化高炉矿渣（GGBS）/碳化渣（CS）混合物和脱硫石膏（DG）组成。系统研究了矿化预处理以及GGBS/CS比例对粘合剂反应性、稳定化土壤的力学性能、耐久性和微观结构的影响。结果表明，矿化预处理结合成分优化显著提高了水化动力学。最佳粘合剂（CG/C₃D）在168小时时的峰值热流和累积热释放量分别比对照样品高出约2.5倍和2.27倍，从而使活性指数提高了26.03%。宏观评估显示，CG/C₃D稳定的土壤无侧限抗压强度提高了18.54%–26.37%，加州承载比提高了183.83%。此外，稳定化土壤表现出优异的耐久性，在56天时的峰值水稳系数为93.5%，经过5次干湿循环后的干湿循环系数为79.3%，同时收缩应变显著降低。多尺度微观结构表征表明，通过矿化形成的微/纳米级CaCO₃作为成核位点，加速了AFt/C–S–H凝胶网络的形成。与传统基于固体废物的粘合剂相比，最佳碳捕获粘合剂实现了80.2%的CO₂排放减少和11.35%的成本节约。本研究为开发高反应性、碳捕获粘合剂以用于可持续路基稳定化提供了参考。

引言

随着交通基础设施建设的迅速扩张，在道路工程、市政工程等项目施工过程中产生了大量的废弃土壤（Kong等人，2023；Shen等人，2025；Wu等人，2023）。传统的处置方法，如露天倾倒或填埋，不仅消耗大量土地资源，还带来严重的生态和环境风险（Goel和Kalamdhad，2017；Svensson等人，2022；Zhang等人，2020）。因此，高效快速处理大量废弃土壤具有重要意义。通过粘合剂将废弃土壤转化为稳定的工程材料已成为一种可行的资源利用解决方案（Ding等人，2019；Mohammadi等人，2023；Qian等人，2019；Shu等人，2025；Wang等人，2021b；Zhao等人，2022；Zhu等人，2024）。然而，传统粘合剂（如水泥和石灰）在生产过程中伴随着高能耗和大量的CO₂排放（Cao等人，2025；Liu等人，2024b；Wang等人，2025f、2025g、2026b；Yang等人，2024c；Zhang等人，2025c、2025d）。因此，迫切需要寻找经济高效且环保的替代品来取代能耗高的水泥基粘合剂。

最近的研究表明，基于工业固体废物的粘合剂由于其低碳足迹和成本效益，成为替代水泥的最有前景的选择（Feng等人，2024；Li等人，2024、2025；Lin等人，2025；Luo等人，2025；Ma等人，2025；Wang等人，2024、2025d、2025e；Wu等人，2023）。例如，富含SiO₂、Al₂O₃和CaO的粒化高炉矿渣（GGBS）具有显著的水化活性（Arabani和Haghsheno，2023；Feng等人，2024；Obuzor等人，2011；Qi等人，2022；Sun等人，2024；Wang等人，2021a；Zhu和Richardson，2023）。然而，与水泥相比，GGBS的水化动力学较慢，导致其力学性能较差（Ahmad等人，2022；Zhang等人，2025a）。使用碳化渣（CS）等固体废物作为碱性活化剂来进一步刺激GGBS的水化活性已成为主要的研究方向（Guo等人，2022；Li等人，2021；Lin等人，2025；Wu等人，2023）。然而，这种直接活化策略存在局限性，包括早期强度发展缓慢、由于过量自由CaO导致的体积稳定性差，以及缺乏能够密实孔结构的粗大晶体相（Fang等人，2022；Li和Unluer，2025；Wang等人，2026a）。因此，探索一种新型且有效的方法来增强潜在火山灰材料的水化反应性尤为重要。

将CO₂捕获、利用和储存集成到碱性固体废物中，为提高GGBS的水化反应性提供了新的途径（Li和Unluer，2025；Sabtiwu等人，2025；Wang等人，2026a）。在矿化过程中，形成的微/纳米级CaCO₃不仅作为增强填料细化孔隙，还作为成核位点促进水化反应。此外，GGBS颗粒的溶解会产生非晶凝胶，有助于后续反应（Ma等人，2024；Wang等人，2019、2026a；Zajac等人，2024）。然而，GGBS表面形成的富Si凝胶层会形成扩散屏障，严重阻碍Ca²⁺和CO₃²⁻离子的传输，从而限制了GGBS矿化过程中足够的微/纳米级CaCO₃生成（Hu等人，2024；Zhang等人，2025a）。最近的研究表明，在GGBS矿化过程中加入富Ca的固体废物（如CS）可以显著提高矿化速率和效率，并生成更多的微/纳米级CaCO₃（Wang等人，2025c；Zhang等人，2025a）。

值得注意的是，GGBS和CS的协同矿化会消耗大量Ca²⁺离子，可能限制后续水化相（如C–S–H凝胶）的形成。硫酸盐活化作为一种补充活化技术，引入了丰富的SO₄²⁻离子，并补充Ca²⁺离子与前体反应形成AFt（Jiang等人，2024；Liu等人，2024a；Vaiciukyniene等人，2018；Wan等人，2022；Wang等人，2022；Yang等人，2024b）。这一过程不仅促进了玻璃相的快速解聚，还优化了最终产品的结构（Hao等人，2025；Wu等人，2023）。例如，Lin等人（2025）发现，加入脱硫石膏（DG）显著提高了固化护盾泥的性能，无侧限抗压强度和水稳系数分别提高了29.79%和5.62%。这主要归因于SO₄²⁻离子与高活性富Al凝胶和Ca²⁺离子反应形成AFt晶体。生成的膨胀性AFt晶体桥接土壤颗粒并填充微孔，建立了增强早期强度和密度的刚性骨架（Hao等人，2025；Wan等人，2023；Zhang等人，2025b）。

鉴于此，本研究基于协同矿化-硫酸盐活化机制，开发了一种利用碳酸化GGBS/CS混合物和DG的碳捕获固体废物粘合剂。首先，通过活性指数和水化热测试研究了矿化预处理和成分优化对粘合剂水化反应性的影响。随后，通过无侧限抗压强度（UCS）、加州承载比（CBR）、水稳性、干湿循环和干燥收缩测试系统评估了稳定化土壤的工程性能。采用先进的微观表征技术阐明了稳定化机制，并对环境和经济效益进行了定量评估。本研究为开发高反应性和低成本碳捕获粘合剂以及利用工业固体废物进行可持续路基稳定化提供了科学支持。

部分摘录

原材料

本研究中使用的粉质粘土来自中国山东省的一个道路建设现场。在测试之前，土壤样品经过筛分、干燥和破碎处理。根据标准JTG 3430-2020，土壤的物理性质如下：塑性指数为16.23，最佳含水量为18.59%，液限为34.54%，塑限为18.31%，最大干密度为1.42 g/cm³。S95级GGBS由一家钢铁公司提供

粘合剂的反应性

图3展示了不同粘合剂的活性指数测量结果。结果表明，与未经处理的对照样品相比，经过协同矿化处理的粘合剂表现出显著提高的活性指数。此外，随着碳酸化混合物中CS初始含量的增加，活性指数先增加后减少。

具体来说，对照粘合剂G/C₃D的活性指数仅为65.3%。相比之下，

结论

本研究研究了以DG为活化剂激活的碳酸化GGBS/CS混合物制成的碳捕获粘合剂的活性指数和水化特性。此外，还通过宏观和微观测试全面评估了使用这些粘合剂稳定化土壤的力学性能、耐久性、稳定化机制、环境效益和经济效益。主要结论如下：

(1)

协同矿化

CRediT作者贡献声明

王聪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据分析，概念化。凌一峰：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。冉磊：验证，软件使用，数据分析。孙彦兵：可视化，软件使用，方法学，研究，数据分析。华素东：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，数据分析。王旭豪：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢来自浙江工业大学土木工程结构与灾害防治技术重点实验室（资助编号KLCDF230301）、浙江省交通运输厅科技项目（资助编号2025015）、山东省泰山学者基金会（资助编号tsqn202306057）以及山东省优秀青年科学家基金计划（海外）（资助编号的财政支持