使用碱激活建筑废弃物结合材料对沙土的可持续固化

把建筑碎料变成更坚实的地基

每一条新道路、桥梁或住房工程都会产生大量破碎的混凝土、砖块和瓷砖。这些碎料中有很大一部分被填埋，而城市又常在松散的沙土上扩张，这类地基的加固成本很高。本研究提出了一个简单但有力的问题：我们能否将这些建筑废料研磨、用简单化学品激活，然后用来把松散的沙子变成坚固、持久的基础——同时在气候影响上优于普通水泥？

为什么沙地需要加固

沙土常见于公路和建筑下方，但单独存在时太松散、脆弱，无法承受重载或经受恶劣天气。工程师通常将沙与普通硅酸盐水泥混合来增硬，有点像在一堆弹珠之间加粘合剂。这在力学上有效，但带来高昂的环境代价：水泥生产贡献了全球相当一部分二氧化碳排放，并消耗大量岩石和燃料。找到一种不依赖大量水泥就能加固沙土的方法，既能支持新基础设施，又能减轻对气候的压力。

从拆除废料到土壤结合剂

研究者聚焦于三类常见的建筑废料：碎混凝土、破砖和陶瓷瓷砖。他们将每种废料研磨成细粉，并与以氢氧化钠和硅酸钠为基础的液态混合物结合——这一“激活剂”促使粉末发生反应并形成硬化的结合凝胶。少量这种激活粉（按重量计5–20%）被加入典型施工用沙中并压实成圆柱试件。研究团队在数周内监测处理后沙体的强度、刚度，以及在反复湿润-干燥和冻融循环等模拟真实天气条件下的耐久性。

新配方的性能表现

三种废料之间的性能差异明显。由瓷砖制成的粉末产生的沙体最强，压缩强度达到或超过许多路基材料。砖粉紧随其后，而混凝土粉表现最差，仅带来有限的强度提升。在样品经历十次浸泡和干燥后，基于瓷砖的混合物几乎保持了全部强度，而砖粉和尤其是混凝土粉的混合物则逐步减弱。在冻融循环下，所有混合物都有强度损失，但瓷砖基结合剂仍优于其他两者。显微成像和化学分析揭示了原因：瓷砖粉形成了致密连续的凝胶，将沙粒包裹并粘结在一起，孔隙和薄弱点很少；砖粉形成了较为连通的网络；而混凝土粉留下了许多未反应颗粒和空隙，内部结构较为零散。

权衡环境成本与收益

单靠强度还不够；真正可持续的方案还必须降低环境影响。作者使用生命周期评估，将一立方米用普通水泥固化的沙与用他们表现最佳的废料基结合剂固化的沙进行比较。为达到相同目标强度，水泥路线所需结合剂的质量大致为废料路线的两倍，并产生约五到六倍的温室气体排放。新体系剩余的主要足迹来自氢氧化钠的制造——这是关键的激活剂化学品，而一旦收集，建筑废料本身被视为无负担。分析表明，如果采用更清洁的激活剂生产方法，废料基结合剂相对水泥的优势还可能进一步扩大。

对未来道路与城市的意义

研究结果表明，经过精心激活的砖料、尤其是瓷砖废料，可以把松散沙土转变为强、刚且具有合理耐久性的材料，适合作为路面和其他结构下面的层，同时与传统水泥固化相比大幅降低温室气体排放。尽管相关化学较为复杂，但对非专业读者的结论很明确：我们目前视为无用的建筑碎料，可以成为一种高价值成分，既改善地基又有助于在循环经济中闭合材料回路。仍需进一步工作以提高抗冻性并将激活剂化学变得更环保，但这一方法指向了未来道路和基础设施——真正建立在昨日破碎建筑之上。

引用: Fattahi, S.M., Zamani, S., Imani, M. et al. Sustainable stabilization of sandy soil using alkali-activated construction waste binders. Sci Rep 16, 12012 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41753-3

关键词: 土壤固化, 建筑废弃物回收, 地聚合物结合材料, 可持续基础设施, 生命周期评估