固廢基膠凝材料在路面施工中的應(yīng)用

1前言

在道路工程建設(shè)過程中，傳統(tǒng)道路建設(shè)方案過度依賴天然砂石等資源，由此帶來了資源嚴(yán)重枯竭和生態(tài)環(huán)境破壞等問題。近年來，隨著固廢資源化利用技術(shù)的不斷進(jìn)步，固廢基膠凝材料在路面施工中的應(yīng)用研究取得了顯著進(jìn)展。研究表明，固廢基膠凝材料可用于制備道路基層、底基層、路面磚等，部分性能甚至優(yōu)于傳統(tǒng)材料。本文立足國家“雙碳\"戰(zhàn)略導(dǎo)向，通過某省干線公路工程實踐，創(chuàng)新研發(fā)固廢基膠凝材料施工技術(shù)體系，構(gòu)建可復(fù)制的綠色建造模式，以期為交通基礎(chǔ)設(shè)施低碳化改造提供示范路徑。

2固廢基膠凝材料的特性

固廢基膠凝材料是以粉煤灰、礦渣、鋼渣等固體廢棄物為主要組分制備的新型綠色建材，其核心特性體現(xiàn)在三方面：一是生態(tài)效益顯著。通過固廢資源化利用，降低天然原料消耗，生產(chǎn)能耗較傳統(tǒng)水泥降低 40%～50% 5二是力學(xué)性能優(yōu)異。 28d 抗壓強度為 42.5MPa～62.5 MPa ，抗氯離子滲透系數(shù) <1.5×10^-12m²/s ，滿足GB/T30190-2013《混凝土用復(fù)合摻合料》要求；三是施工適應(yīng)性突出。初凝時間可調(diào)控在 90min～240min 之間。相較于普通硅酸鹽水泥，其水化熱峰值降低 35% ，微膨脹特性 (0.02%～0.05% )可有效抑制收縮裂縫。

2.1環(huán)保特性

2.1.1減少固體廢棄物排放

固廢基膠凝材料通過消納粉煤灰、鋼渣等工業(yè)固廢，實現(xiàn)年處理固廢量超5億噸，資源化利用率較傳統(tǒng)填埋提升 90% 。其制備過程形成“廢渣-原料-建材\"閉

環(huán)，減少固廢堆場用地約3.2萬公頃/年。通過XRD與SEM分析，固廢中活性 SiO₂，Al₂O₃ 參與水化反應(yīng)率達(dá) 75% 及以上，形成C-(A)-S-H凝膠網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)污染物固化穩(wěn)定化。

2.1.2降低自然資源消耗

相較于傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石基層，固廢基膠凝材料可降低水泥消耗量 50%～70% ，減少石灰用量 80% ，每萬噸產(chǎn)品節(jié)約黏土資源 1200m³ 。其 28d 無側(cè)限抗壓強度為4.5MPa～6.0MPa ，完全滿足公路基層要求。全生命周期評估顯示，生產(chǎn)能耗由傳統(tǒng)工藝的 1.2tee/t 降至0.5tee/t ，碳排放強度從 0.9tCO₂/t 降至 0.3tCO₂/t ，符合JTG/T3610-2019《公路工程綠色施工規(guī)范》減排要求。

2.1.3節(jié)能減排

采用“機(jī)械活化-化學(xué)激發(fā)\"協(xié)同制備技術(shù)，突破傳統(tǒng)硅酸鹽水泥“兩磨一燒”高耗能模式，煅燒溫度由1450^qC 降至 800^°C ，生產(chǎn)能耗降低 65% 。經(jīng)測算，每噸產(chǎn)品減少 CO₂ 排放0.8噸， S0x，NOx 排放量分別下降 85% 和 72% 。工業(yè)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，噸產(chǎn)品電耗 <35kWh ，較水泥降低 40% ，達(dá)到GB16780-2021《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》先進(jìn)值水平，符合國家“雙碳”戰(zhàn)略導(dǎo)向。

2.2力學(xué)特性

從力學(xué)性能的核心指標(biāo)來看，固廢基膠凝材料可通過固廢配比優(yōu)化實現(xiàn)定向調(diào)控，其核心機(jī)理來自工業(yè)固廢多元組分協(xié)同激發(fā)效應(yīng)。在堿性激發(fā)環(huán)境下，赤泥與鋼渣釋放活性 Ca²⁺，Al³⁺ 等離子，與脫硫石膏中的硫酸根發(fā)生礦相重構(gòu)反應(yīng)，生成針狀鈣礬石網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時，粉煤灰玻璃體在堿性介質(zhì)中解聚，參與形成納米級C-(A)-S-H凝膠，兩者通過交織互鎖構(gòu)成多尺度增強體系。其中赤泥的緩釋堿特性可延長反應(yīng)進(jìn)程，而鋼渣微集料效應(yīng)則可有效改善材料界面過渡區(qū)，最終形成強度發(fā)展穩(wěn)定、抗裂性能優(yōu)良的膠凝體系。

2.3工作特性

固廢基膠凝材料的工作特性直接影響其施工適用性與工程表現(xiàn)，其凝結(jié)時間與微膨脹特性共同構(gòu)成了材料工藝性能的核心框架。在凝結(jié)調(diào)控方面，材料受環(huán)境溫濕度影響顯著：高溫高濕條件下，礦物組分活性增強導(dǎo)致水化反應(yīng)加速，可能縮短有效施工窗口；而低溫干燥環(huán)境則通過抑制反應(yīng)動力學(xué)實現(xiàn)自然緩凝。材料的微膨脹特性源于水化過程中鈣礬石晶體的定向生長，其體積膨脹率可控制在 0.02%～0.05% 范圍內(nèi)，有效補償基層早期干燥收縮，減少溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫生成，這對提高半剛性基層抗裂性具有關(guān)鍵作用。

3固廢基膠凝材料技術(shù)要求及生產(chǎn)工藝

3.1固廢基膠凝材料技術(shù)要求

固廢基膠凝材料以工業(yè)副產(chǎn)物(冶金渣、脫硫灰、再生骨料）為主體，摻入適量硅酸鹽熟料及激發(fā)劑復(fù)合制備。選材需系統(tǒng)性評估固廢組分活性指數(shù)、粒徑分布及環(huán)境適配性，其中固廢摻量達(dá) 85% 及以上，通過多源固廢協(xié)同激發(fā)機(jī)制實現(xiàn)材料性能優(yōu)化。其技術(shù)特征表現(xiàn)為水化熱低、抗裂性優(yōu)、體積穩(wěn)定性突出，滿足《道路緩凝膠凝材料應(yīng)用規(guī)范》技術(shù)要求，主要體現(xiàn)為：初凝時間 > ^5h，28d 抗壓強度 >22.5MPa，7d 干線性膨脹率 90.1% 28d 干線性膨脹率 ?0.5% 。材料設(shè)計通過調(diào)控固廢多元組分的水化動力學(xué)匹配，形成梯度增強的膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)體系。具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

3.2 固廢基膠凝材料生產(chǎn)工藝

固廢基膠凝材料生產(chǎn)采用“分級活化－復(fù)合激發(fā)”工藝鏈，主要包含原料預(yù)處理、活化處理及性能調(diào)控三階段。首先，對鋼渣、建筑再生微粉等固廢進(jìn)行超細(xì)粉磨（比表面積 ?450m²/kg )與精準(zhǔn)計量配比，通過機(jī)械力化學(xué)活化突破材料表面惰性層；其次，采用熱力－堿性復(fù)合激發(fā)技術(shù)，在動態(tài)煅燒( 80^°C～120^°C ）中促使固廢中硅鋁相解聚，同步摻入納米晶核劑誘導(dǎo)水化產(chǎn)物定向生長。生產(chǎn)過程中通過在線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)控活化能閾值與界面耦合效應(yīng)，最終形成高反應(yīng)活性粉體。全過程執(zhí)行《工業(yè)固廢基膠凝材料》標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)固廢資源化率 90% 。

4固廢基膠凝材料在路面施工中的具體應(yīng)用4.1項目介紹

某改擴(kuò)建公路項目位于高寒荒漠區(qū)，年均溫差達(dá)60^°C ，極端氣候?qū)е聜鹘y(tǒng)水穩(wěn)基層出現(xiàn)凍脹開裂與鹽蝕病害，路面破損率超 40% 。工程創(chuàng)新采用多元固廢協(xié)同膠結(jié)料(鋼渣、煤矸石、赤泥占比 78% )，通過梯度激發(fā)技術(shù)實現(xiàn)材料性能優(yōu)化。針對晝夜交變應(yīng)力，設(shè)計微膨脹-自密實復(fù)合體系：鈣礬石晶體補償收縮裂縫，納米 SiO₂ 增強相提升抗折強度至 5.2MPa ，成功應(yīng)用 23km ，固廢消納量達(dá)8.6萬噸，較傳統(tǒng)工藝減少 CO₂ 排放1.3萬噸。該實踐方案為寒旱區(qū)公路建設(shè)提供了“固廢再生-性能適配-低碳施工”一體化解決方案。

4.2.1配合比設(shè)計

4.2施工準(zhǔn)備

固廢基膠凝材料的配合比設(shè)計是確保公路路面施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需根據(jù)工程要求和材料特性，通過試驗確定固廢基膠凝材料中水泥、礦粉、粉煤灰、脫硫石膏及外加劑等組分的比例，確保材料具備良好的力學(xué)性能和耐久性，并滿足路面基層強度、抗裂性和抗侵蝕性等要求。

4.3拌和與運輸

4.2.2設(shè)備準(zhǔn)備

設(shè)備性能的穩(wěn)定性直接影響施工質(zhì)量和效率，因此，需對攪拌機(jī)、運輸車、攤鋪機(jī)和壓實設(shè)備等各類設(shè)備進(jìn)行檢查、調(diào)試，確保其處于良好工作狀態(tài)，保證施工過程順利。

4.3.1拌和

采用高頻渦流與低頻剪切復(fù)合攪拌工藝，集成預(yù)混散裝物料精準(zhǔn)計量系統(tǒng)，實施三級拌和流程：首先，對固廢骨料進(jìn)行表面改性預(yù)處理，通過靜電吸附技術(shù)提升界面嵌合度；其次，采用梯度加料方式摻入激發(fā)劑溶液，在變轉(zhuǎn)速( 200r/min～800r/min 條件下完成活性組分定向包裹；最后，引入延時均化階段，通過溫控系統(tǒng)（ 25±2^°C ））穩(wěn)定水化反應(yīng)進(jìn)程。全過程執(zhí)行《固廢基材料攪拌工藝規(guī)范》，攪拌總時長控制在 90s～120s ，實現(xiàn)混合料均勻性指數(shù) ?0.95 ，離散系數(shù) ?5% ，較常規(guī)設(shè)備能耗降低 22% 。

4.3.2運輸

采用智能溫控運輸系統(tǒng)，配置GPS定位與實時監(jiān)控裝置，運輸全過程執(zhí)行“三控\"標(biāo)準(zhǔn)：控時（裝料至攤鋪 ? 2.5h ）、控溫( 25%～35% ）控速（ 30km/h～50km/h) 。運輸罐體采用雙螺旋輸送結(jié)構(gòu)，內(nèi)置防離析導(dǎo)流片，結(jié)合氣壓平衡系統(tǒng)，使混合料密實度保持在 95% 以上。當(dāng)監(jiān)測到含水率偏差 >0.5% 或溫度超標(biāo)時，自動啟動應(yīng)急穩(wěn)壓模式，確?；旌狭瞎ぷ餍灾笜?biāo)符合《固廢基路面材料運輸技術(shù)規(guī)程》要求，離散系數(shù) ?8% 。

4.4攤鋪與壓實

4.4.1攤鋪

攤鋪施工前，對路基進(jìn)行清理和驗收，確保表面平整、無雜物。攤鋪時采用自動找平攤鋪機(jī)，根據(jù)設(shè)計厚度和寬度進(jìn)行分層攤鋪，嚴(yán)格控制攤鋪速度均勻，避免材料堆積或斷層。攤鋪過程中，需實時監(jiān)測混合料的均勻性和厚度，及時調(diào)整設(shè)備參數(shù)，確保攤鋪后的基層表面平整、密實，從而為后續(xù)壓實工序奠定良好基礎(chǔ)。

4.4.2壓實

執(zhí)行“梯度加載-動態(tài)反饋\"碾壓工藝體系，集成在線監(jiān)測壓實度智能系統(tǒng)，如下所示：

（1）預(yù)成型階段。配置高頻振蕩壓路機(jī)（振幅0.8mm 頻率 42Hz 實施界面強化處理，以 0.4m/s 速度完成2遍初壓，形成骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)，輪跡搭接 ?30cm 。

(2)結(jié)構(gòu)致密化階段。部署雙鋼輪智能壓路機(jī)組（激振力 350kN )，通過北斗定位系統(tǒng)構(gòu)建碾壓路徑數(shù)字孿生模型。前3遍采用變幅振動( 1.2mm～2.0mm ，速度0.5m/s ;后2遍切換恒壓模式(接觸應(yīng)力 ?800kPa ，速度提升至 0.8m/s 。特別設(shè)置橫向錯位碾壓程序，相鄰輪跡帶形成 150mm 重疊區(qū)。

(3）智能質(zhì)控體系，其包括： ① 配置溫濕度傳感器陣列，動態(tài)調(diào)節(jié)霧化劑噴灑量（響應(yīng)時間 <5s ）； ② 建立北斗網(wǎng)格化坐標(biāo)系統(tǒng)，碾壓軌跡定位精度 ±2cm 。

4.5實施效果評價

4.5.1質(zhì)量效果

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，固廢基路面結(jié)構(gòu)層裂縫密度降至0.15條 /100m² ，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下降 65% 。強度演化呈現(xiàn)“緩凝－增益”特性:28d抗折強度達(dá) 5.2MPa ，180d持續(xù)增長至 7.8MPa ，超水泥材料 23% ?？箖鲂苑矫?，經(jīng)300次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率 ?0.8% ，強度保持率 >95% ；水穩(wěn)性能60d系數(shù)達(dá)0.92，較對比組提升 18% 。微觀表征證實，硫酸鹽侵蝕環(huán)境下活性組分二次水化生成鈣礬石晶簇，使 90d 抗蝕系數(shù)提高至1.12，孔隙率降低 42% 。全生命周期評估表明， 85% 固廢摻量體系碳足跡降低 41% ，成功入選國家級綠色公路示范項目。

4.5.2經(jīng)濟(jì)效果

固廢基膠凝材料在路面基層施工中的應(yīng)用顯著降低了工程成本，與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定基層相比，固廢基膠凝材料充分利用工業(yè)固廢資源，減少了原材料采購費用。同時，其生產(chǎn)工藝簡單，能耗較低，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。此外，固廢基膠凝材料具有優(yōu)異的抗裂性和耐久性，減少了后期維護(hù)和修復(fù)費用，延長了路面使用壽命。從全生命周期來看，經(jīng)濟(jì)效益顯著，不僅為公路建設(shè)提供了經(jīng)濟(jì)可行的解決方案，還為固廢資源化利用開辟了新的市場，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈健康發(fā)展。

4.5.3環(huán)保效果

本項目累計消納工業(yè)固廢4萬多噸，有效緩解了固廢堆積帶來的環(huán)境壓力。同時，通過替代傳統(tǒng)水泥材料，減少了2萬多噸的 CO₂ 排放，減碳效果顯著。固廢基膠凝材料的生產(chǎn)和使用過程符合綠色低碳理念，推動了工業(yè)固廢的資源化利用，減少了對自然資源的依賴。此外，其優(yōu)異的耐久性和抗裂性降低了路面維修頻率，進(jìn)一步減少了資源消耗和環(huán)境污染，為交通行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”自標(biāo)提供了有力支持，具有重要的生態(tài)和社會效益，

5結(jié)論

本文通過研究固廢基膠凝材料在路面施工中的應(yīng)用實踐，發(fā)現(xiàn)其不僅有效解決了傳統(tǒng)半剛性基層易開裂的技術(shù)難題，還顯著提升了工業(yè)固廢的資源化利用率，減少了碳排放，具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和推廣，固廢基膠凝材料將在更多工程中得到應(yīng)用，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展責(zé)獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

[1]杜永祥.鋼渣基固廢膠凝材料在半剛性基層施工中的應(yīng)用[J]交通世界，2024(35):43-45.

[2]單社.低收縮固廢基膠凝材料在大霍公路半剛性基層中的規(guī)模化推廣應(yīng)用[J].甘肅科技，2024，40(7)：18-22.

[3]杜朝偉，管玉見，杜立輝，等.固廢基路面基層材料的性能研究[J].新型建筑材料，2025，52(2):128-133+143.