0导语

在国家积极倡导创新驱动发展战略、大力推进科技自立自强的时代背景下，土木工程学院师生以其锐意创新的精神和宽广的学术视野，不断推动学院高质量发展。为此我院推出“ESI优秀科研成果速递”推文系列，精心遴选并深度剖析学院师生的优秀论文成果，覆盖土木工程、给排水工程、水利工程、交通工程等多个前沿领域，旨在通过这些成果背后的深刻洞察与前瞻思考，进一步激发广大师生的科研热情，促进学术交流与合作，携手并进，共同为土木工程领域的蓬勃发展贡献智慧与力量。

1前言

近日，福州大学道路与岩土工程新技术课题组阙云教授、蒋振梁博士（通讯作者）、成员陈建安（目前为福州大学硕士生）发表了“Using soil tuff-modified polymetallic lead–zinc tailings sand to facilitate sustainable development of subgrade engineering”（利用土凝岩改良多金属铅锌尾矿砂促进路基工程的可持续发展）的研究成果。该论文发表在国际建筑和土木工程领域学术期刊Construction and Building Materials上，该期刊系SCI检索期刊，JCR Q1，中科院一区，TOP期刊，最新影响因子为7.4。本研究获得国家自然科学基金项目（No.41772297）的支持。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136128

2研究背景

铅锌尾矿砂（LZTS）的沉积以尾矿库的形式引起了一系列问题，如土地资源枯竭、土壤结构破坏、地下水污染和颗粒物浓度增加等。统计数据显示，2021年中国铅锌矿山产量达到了1393万吨，这产生了大量的铅锌尾矿砂。这一巨大的铅锌尾矿量导致了生态环境的显著不平衡，这种不平衡将会持续甚至加剧，使得铅锌尾矿的利用成为工业和研究的热点问题。为了优化地球的土地资源，各种技术手段已经被用来改善这些土壤，以便它们可以作为道路材料使用。传统上，大多数研究集中在利用水泥和石灰等传统材料作为尾矿砂的改性剂。然而，这些传统的改良剂消耗巨大的能源，导致过量的CO₂排放，导致温室效应和环境的破坏。而土凝岩是钢渣、粉煤灰、赤泥、煤矸石等工业固废研发出的一种新型固废材料。这种废料在生产过程中能耗低，排放CO₂最少，同时表现出与传统水泥相当的性能。因此，土壤岩有望作为一种替代改性材料。但目前尚未有研究从物理性能和耐久性能的角度对土凝岩改良LZTS（STM-LZTS）进行测试。因此，作者在宏观实验和微观结构的基础上分析土凝岩改良LZTS作为路基填料的可行性。

3研究内容

本研究进行了一系列的宏观和微观实验，包括土凝岩改良铅锌尾矿砂（STM-LZTS）和水泥改良铅锌尾矿砂（CM-LZTS）在不同改良剂剂量、压实度和养护龄期下的物理性能、耐久性能和微观结构行为。此外，还对这两种改进的LZTSs在成本、二氧化碳排放和能源消耗方面的可持续性性能进行了综合比较。

双因素交互作用下改良尾矿砂抗压强度测试结果。(a)AB；(b)AC；(c)AD；(d)BC；(e)BD；(f)CD。注：A、B、C、D分别表示改良剂类型、改良剂掺加量、压实度、养护龄期。

不同耐久性试验下STM-LZTS和CM-LZTS的扫描电镜图像

STM-LZTS和CM-LZTS分别浸入Na2SO4溶液和NaCl溶液后时间完整性等级结果

不同耐久性试验下，钙硅、铝硅比对STM-LZTS和CM-LZTS强度的影响

4研究总结

本研究基于STM-LZTS和CM-LZTS的宏观实验和微观研究。结果表明，改良后的LZTS在力学性能和耐久性方面有了显著的改善。当土壤岩用量达到6%时，浸湿试样的CBR值超过4%，无限制抗压强度为0.818-0.958MPa，符合公路路基填筑规范。影响因子对LZTS改良效应的影响顺序为：改良剂掺加量＞压实度＞养护龄期＞改良剂类型。实现经济和生态的最佳试验条件为：改良剂为土凝岩，6%改良剂掺量，93%压实度，28天养护龄期。

在水化反应过程中，C-S-H凝胶的数量显著增加，增强了尾矿砂颗粒之间的粘结力，提高了颗粒结构的稳定性。尾矿砂粒子之间固有的大空隙为钙矾石和C-S-H凝胶的生长提供了足够的空间。同时，由于产生了适量的水化产物，STM-LZTS比CM-LZTS表现出更稳定的强度增长。尽管改良LZTS在盐溶液侵蚀下对脱钙敏感，但STM-LZTS的降解程度不如CM-LZTS严重。这一结果归因于STM-LZTS的低Ca/Si比和高Al/Si比，这导致了致密粘合剂和坚固的非颗粒凝胶的形成。在干湿和冻融循环中，改良尾矿砂产生了丰富的水化产物，包括C-S-H凝胶、钙矾石、弗里德尔盐和二次石膏，大大延缓了外部环境因素引起的改良LZTS结构的恶化。

根据可持续性分析，STM-LZTS在成本、CO₂排放和能源消耗方面显著优于CM-LZTS。总的来说，使用STM-LZTS作为路基填料在满足工程性能、耐久性和优越的可持续性方面具有广阔的前景，其可作为一种环保的道路材料来使用，并显著促进实现碳中和目标。

改良铅锌尾矿砂的微观机理图

STM-LZTS和CM-LZTS的可持续性能分析