赤泥基胶凝材料稳定黄河砂的路用性能及干缩特性研究

为解决水泥稳定黄河砂易开裂的问题，研究人员利用赤泥(RM)、粉煤灰(FA)等工业固废制备新型赤泥基胶凝材料(RCM)，通过力学性能测试、干燥收缩试验及微观表征发现：15%掺量下RCM稳定黄河砂的无侧限抗压强度(UCS)满足二级路面基层标准，40%和60%湿度条件下干燥收缩应变较水泥基材料分别降低24.11%和23.99%。该研究为工业固废资源化利用及道路工程抗裂技术提供新方案。

　　

随着全球道路建设的快速发展，优质砂石骨料的短缺与黄河下游每年400万吨泥沙淤积的矛盾日益突出。传统水泥稳定黄河砂因颗粒细度极高易产生干燥收缩裂缝，反复交通荷载作用下可能导致反射裂缝，加速路面结构劣化。尽管矿物掺合料、纤维等方法可缓解收缩，但存在早期强度不足、成本高等局限。与此同时，赤泥、粉煤灰等工业固废的年排放量超过亿吨，其高碱性特性既污染环境又蕴含铝元素潜力——这正是形成补偿收缩的关键物质钙矾石(AFt)所必需的元素。如何协同利用这些固废开发低收缩胶凝材料，成为破解道路工程与环境治理双重难题的关键。

研究人员在《Next Materials》发表的研究中，创新性地以赤泥、粉煤灰、超细矿渣粉等工业固废为主要原料，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、低场核磁共振(LF NMR)等技术，系统评估了赤泥基胶凝材料(RCM)稳定黄河砂的力学性能与干缩特性。研究选取山东魏桥集团赤泥、河北建投能源粉煤灰等原料，采用冷浸提法提取孔溶液测定表面张力，结合内部湿度监测和不可蒸发水含量测试，揭示了RCM稳定材料的抗裂机理。

材料优化与性能验证

通过8组配比试验发现，赤泥:水泥:矿渣粉:粉煤灰:石膏=45:10:32.5:10:2.5的RCM-6组28天抗压强度达22.7 MPa。用于稳定黄河砂时，15%掺量下7天UCS为2.7 MPa，满足JTG D50-2017二级路标准。干燥收缩测试显示，RCM材料在40%和60%湿度环境下的28天收缩应变分别比水泥基材料低24.11%和23.99%，且与胶凝材料净浆收缩率呈显著正相关(R²>0.95)。

微观机制解析

XRD图谱显示RCM体系在28天龄期仍保持强钙矾石(AFt)衍射峰(9.1°)，而水泥组AFt已转化为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。SEM观察到RCM中针状AFt可稳定存在至28天，其体积膨胀率达137%，有效抵消基体收缩。孔结构分析表明RCM材料2-50 nm中孔比例降低1.4%，且孔溶液表面张力下降9.1%，通过Kelvin-Laplace方程计算证实其毛细管张力显著减弱。

环境与经济价值

RCM材料使试件内部相对湿度(RH)下降速率减缓，40%湿度环境下累计失水率降低28.19%。成本核算显示，RCM生产成本较水泥熟料降低57.83%，每吨原料成本不足450元。

该研究首次系统阐明了工业固废基胶凝材料稳定黄河砂的干缩抑制机制：通过协同激发赤泥中铝元素与石膏形成稳定AFt补偿收缩，同时优化孔结构分布降低毛细管效应。这不仅为黄河泥沙资源化利用提供了"以废治废"的新思路，更开创了低成本、高耐久性路面基层材料的绿色制备路径。研究结果对推动"双碳"目标下的交通基础设施可持续发展具有重要实践意义。