固廢基膠凝材料在路面施工中的應用

1前言

在道路工程建設過程中，傳統道路建設方案過度依賴天然砂石等資源，由此帶來了資源嚴重枯竭和生態環境破壞等問題。近年來，隨著固廢資源化利用技術的不斷進步，固廢基膠凝材料在路面施工中的應用研究取得了顯著進展。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，部分性能甚至優于傳統材料。本文立足國家“雙碳\"戰略導向，通過某省干線公路工程實踐，創新研發固廢基膠凝材料施工技術體系，構建可復制的綠色建造模式，以期為交通基礎設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，其核心特性體現在三方面：一是生態效益顯著。通過固廢資源化利用，降低天然原料消耗，生產能耗較傳統水泥降低 40%～50% 5二是力學性能優異。 28d 抗壓強度為 42.5MPa～62.5 MPa ，抗氯離子滲透系數 <1.5×10^-12m²/s ，滿足GB/T30190-2013《混凝土用復合摻合料》要求；三是施工適應性突出。初凝時間可調控在 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、鋼渣等工業固廢，實現年處理固廢量超5億噸，資源化利用率較傳統填埋提升 90% 。其制備過程形成“廢渣-原料-建材\"閉

環，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 參與水化反應率達 75% 及以上，形成C-(A)-S-H凝膠網絡，實現污染物固化穩定化。

2.1.2降低自然資源消耗

相較于傳統水泥穩定碎石基層，固廢基膠凝材料可降低水泥消耗量 50%～70% ，減少石灰用量 80% ，每萬噸產品節約黏土資源 1200m³ 。其 28d 無側限抗壓強度為4.5MPa～6.0MPa ，完全滿足公路基層要求。全生命周期評估顯示，生產能耗由傳統工藝的 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范》減排要求。

2.1.3節能減排

采用“機械活化-化學激發\"協同制備技術，突破傳統硅酸鹽水泥“兩磨一燒”高耗能模式，煅燒溫度由1450^qC 降至 800^°C ，生產能耗降低 65% 。經測算，每噸產品減少 CO₂ 排放0.8噸， S0x，NOx 排放量分別下降 85% 和 72% 。工業化生產數據顯示，噸產品電耗 <35kWh ，較水泥降低 40% ，達到GB16780-2021《水泥單位產品能源消耗限額》先進值水平，符合國家“雙碳”戰略導向。

2.2力學特性

從力學性能的核心指標來看，固廢基膠凝材料可通過固廢配比優化實現定向調控，其核心機理來自工業固廢多元組分協同激發效應。在堿性激發環境下，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生礦相重構反應，生成針狀鈣礬石網絡結構。同時，粉煤灰玻璃體在堿性介質中解聚，參與形成納米級C-(A)-S-H凝膠，兩者通過交織互鎖構成多尺度增強體系。其中赤泥的緩釋堿特性可延長反應進程，而鋼渣微集料效應則可有效改善材料界面過渡區，最終形成強度發展穩定、抗裂性能優良的膠凝體系。

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，其凝結時間與微膨脹特性共同構成了材料工藝性能的核心框架。在凝結調控方面，材料受環境溫濕度影響顯著：高溫高濕條件下，礦物組分活性增強導致水化反應加速，可能縮短有效施工窗口；而低溫干燥環境則通過抑制反應動力學實現自然緩凝。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，有效補償基層早期干燥收縮，減少溫度應力導致的裂縫生成，這對提高半剛性基層抗裂性具有關鍵作用。

3固廢基膠凝材料技術要求及生產工藝

3.1固廢基膠凝材料技術要求

固廢基膠凝材料以工業副產物(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劑復合制備。選材需系統性評估固廢組分活性指數、粒徑分布及環境適配性，其中固廢摻量達 85% 及以上，通過多源固廢協同激發機制實現材料性能優化。其技術特征表現為水化熱低、抗裂性優、體積穩定性突出，滿足《道路緩凝膠凝材料應用規范》技術要求，主要體現為：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% 。材料設計通過調控固廢多元組分的水化動力學匹配，形成梯度增強的膠結網絡體系。具體技術指標如表1所示。

3.2 固廢基膠凝材料生產工藝

固廢基膠凝材料生產采用“分級活化－復合激發”工藝鏈，主要包含原料預處理、活化處理及性能調控三階段。首先，對鋼渣、建筑再生微粉等固廢進行超細粉磨（比表面積 ?450m²/kg )與精準計量配比，通過機械力化學活化突破材料表面惰性層；其次，采用熱力－堿性復合激發技術，在動態煅燒( 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水化產物定向生長。生產過程中通過在線監測系統調控活化能閾值與界面耦合效應，最終形成高反應活性粉體。全過程執行《工業固廢基膠凝材料》標準，實現固廢資源化率 90% 。

4固廢基膠凝材料在路面施工中的具體應用4.1項目介紹

某改擴建公路項目位于高寒荒漠區，年均溫差達60^°C ，極端氣候導致傳統水穩基層出現凍脹開裂與鹽蝕病害，路面破損率超 40% 。工程創新采用多元固廢協同膠結料(鋼渣、煤矸石、赤泥占比 78% )，通過梯度激發技術實現材料性能優化。針對晝夜交變應力，設計微膨脹-自密實復合體系：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 ，成功應用 23km ，固廢消納量達8.6萬噸，較傳統工藝減少 CO₂ 排放1.3萬噸。該實踐方案為寒旱區公路建設提供了“固廢再生-性能適配-低碳施工”一體化解決方案。

4.2.1配合比設計

4.2施工準備

固廢基膠凝材料的配合比設計是確保公路路面施工質量的關鍵環節，需根據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設備準備

設備性能的穩定性直接影響施工質量和效率，因此，需對攪拌機、運輸車、攤鋪機和壓實設備等各類設備進行檢查、調試，確保其處于良好工作狀態，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合攪拌工藝，集成預混散裝物料精準計量系統，實施三級拌和流程：首先，對固廢骨料進行表面改性預處理，通過靜電吸附技術提升界面嵌合度；其次，采用梯度加料方式摻入激發劑溶液，在變轉速( 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（ 25±2^°C ））穩定水化反應進程。全過程執行《固廢基材料攪拌工藝規范》，攪拌總時長控制在 90s～120s ，實現混合料均勻性指數 ?0.95 ，離散系數 ?5% ，較常規設備能耗降低 22% 。

4.3.2運輸

采用智能溫控運輸系統，配置GPS定位與實時監控裝置，運輸全過程執行“三控\"標準：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構，內置防離析導流片，結合氣壓平衡系統，使混合料密實度保持在 95% 以上。當監測到含水率偏差 >0.5% 或溫度超標時，自動啟動應急穩壓模式，確?；旌狭瞎ぷ餍灾笜朔稀豆虖U基路面材料運輸技術規程》要求，離散系數 ?8% 。

4.4攤鋪與壓實

4.4.1攤鋪

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

4.4.2壓實

執行“梯度加載-動態反饋\"碾壓工藝體系，集成在線監測壓實度智能系統，如下所示：

（1）預成型階段。配置高頻振蕩壓路機（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，形成骨架嵌鎖結構，輪跡搭接 ?30cm 。

(2)結構致密化階段。部署雙鋼輪智能壓路機組（激振力 350kN )，通過北斗定位系統構建碾壓路徑數字孿生模型。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(接觸應力 ?800kPa ，速度提升至 0.8m/s 。特別設置橫向錯位碾壓程序，相鄰輪跡帶形成 150mm 重疊區。

(3）智能質控體系，其包括： ① 配置溫濕度傳感器陣列，動態調節霧化劑噴灑量（響應時間 <5s ）； ② 建立北斗網格化坐標系統，碾壓軌跡定位精度 ±2cm 。

4.5實施效果評價

4.5.1質量效果

監測數據顯示，固廢基路面結構層裂縫密度降至0.15條 /100m² ，較傳統結構下降 65% 。強度演化呈現“緩凝－增益”特性:28d抗折強度達 5.2MPa ，180d持續增長至 7.8MPa ，超水泥材料 23% ?？箖鲂苑矫?，經300次凍融循環后，質量損失率 ?0.8% ，強度保持率 >95% ；水穩性能60d系數達0.92，較對比組提升 18% 。微觀表征證實，硫酸鹽侵蝕環境下活性組分二次水化生成鈣礬石晶簇，使 90d 抗蝕系數提高至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經濟效果

固廢基膠凝材料在路面基層施工中的應用顯著降低了工程成本，與傳統水泥穩定基層相比，固廢基膠凝材料充分利用工業固廢資源，減少了原材料采購費用。同時，其生產工藝簡單，能耗較低，進一步降低了生產成本。此外，固廢基膠凝材料具有優異的抗裂性和耐久性，減少了后期維護和修復費用，延長了路面使用壽命。從全生命周期來看，經濟效益顯著，不僅為公路建設提供了經濟可行的解決方案，還為固廢資源化利用開辟了新的市場，促進了相關產業鏈健康發展。

4.5.3環保效果

本項目累計消納工業固廢4萬多噸，有效緩解了固廢堆積帶來的環境壓力。同時，通過替代傳統水泥材料，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和使用過程符合綠色低碳理念，推動了工業固廢的資源化利用，減少了對自然資源的依賴。此外，其優異的耐久性和抗裂性降低了路面維修頻率，進一步減少了資源消耗和環境污染，為交通行業實現“雙碳”自標提供了有力支持，具有重要的生態和社會效益，

5結論

本文通過研究固廢基膠凝材料在路面施工中的應用實踐，發現其不僅有效解決了傳統半剛性基層易開裂的技術難題，還顯著提升了工業固廢的資源化利用率，減少了碳排放，具有顯著的環境效益和經濟效益。未來，隨著技術的進一步優化和推廣，固廢基膠凝材料將在更多工程中得到應用，為實現“雙碳”目標和可持續發展責獻力量。

參考文獻

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