采用镁水泥-粉煤灰复合稳定剂进行黄土固化的处理方法，能够显著提升固化的性能，实现协同作用机制，并显著改善二氧化碳（CO?）的平衡状态

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Enhanced performance, synergistic mechanism, and better CO 2 balance of loess solidification with magnesium cement-fly ash composite stabilizing agent

　　黄土侵蚀治理；镁氧硫水泥；粉煤灰；复合固结剂；孔隙结构优化；抗压强度提升；环境可持续性；协同固化机制；工程性能改善；固废资源化

　　本研究针对黄土高原这一生态脆弱区域的土壤侵蚀问题，提出了一种基于绿色化学理念的新型土壤固化剂——氧化镁硫铝酸盐水泥（MOS）与工业废渣粉煤灰（FA）的复合体系。通过实验测试与微观结构分析，该研究揭示了MOS-FA复合固化剂在改善黄土物理性能和增强其工程特性方面的潜力。该固化剂不仅能够有效减少黄土的孔隙率，提升其抗压强度，还表现出较低的碳排放，为实现可持续的土壤加固提供了科学依据和技术支持。

黄土是一种广泛分布于全球多个大陆的第四纪沉积物，其主要特征是孔隙率高、结构松散且胶结性差。这种特性使得黄土在受到水分变化或外部应力作用时容易发生变形和破坏，进而引发一系列地质灾害和生态问题。特别是在黄土高原，土壤侵蚀现象极为严重，不仅影响区域生态环境，也对基础设施建设构成威胁。因此，开发能够从根本上改善黄土结构的土壤固化技术，成为解决该地区工程与生态问题的关键。

传统土壤固化剂如波特兰水泥、石灰和矿渣等虽然在工程中被广泛应用，但其碳排放量较高，与全球低碳发展的趋势相悖。随着对环保材料的重视，镁水泥和工业固废作为新型固化剂的研究逐渐增多。镁水泥因其早期强度高、与骨料粘结性好等优点，被广泛应用于土壤固化。同时，利用工业固废进行土壤固化不仅有助于资源循环利用，还能减少废弃物对环境的影响，符合绿色发展的理念。

本研究的重点在于探索MOS与FA的协同作用机制。MOS作为一种镁水泥，其固化的早期强度表现优异，而FA作为工业固废，具有丰富的活性成分，能够与MOS发生化学反应，生成具有胶凝性能的产物。通过将这两种材料结合，研究者期望能够进一步优化固化效果，提高土壤的物理和力学性能，同时降低环境负担。实验结果表明，MOS-FA复合固化剂在改善黄土结构方面具有显著优势，其在不同FA掺量和固化时间下的表现均优于传统固化剂。

在物理性能方面，实验结果显示，MOS-FA复合固化剂能够有效降低黄土的孔隙率。以15% FA掺量的MOS-FA固化土为例，其孔隙率从41.0%降至31.4%，其中大孔和中等孔的比例显著减少，而微孔比例增加。这一变化不仅提高了固化土的密实度，还增强了其抗压强度。具体而言，当FA掺量为15%时，28天后的抗压强度达到7.1 MPa，较纯黄土的1.3 MPa提升了约450%。这种性能的提升主要得益于两种机制：一方面，未反应的FA通过物理填充作用减少了颗粒间的孔隙；另一方面，MOS的水化产物通过化学胶结作用将颗粒连接起来，形成更致密的微观结构。

为了进一步分析固化产物的化学组成和微观结构，研究采用了多种测试手段，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重-差热分析（TG-DTG）。XRD结果表明，MOS-FA固化土中形成了Mg(OH)?、M-S-H/M-A-S-H胶凝产物以及5·1·7相等结构。这些产物在SEM图像中呈现出片状、絮状和针状的形态，分别对应于Mg(OH)?、硅酸盐水化产物和硫酸盐水化产物。FTIR分析进一步验证了这些产物的存在，其中3700 cm?1处的吸收峰与Mg(OH)?的羟基伸缩振动相关，而1445 cm?1处的宽吸收带则与碳酸盐有关。TG-DTG曲线显示，固化土的总失重率显著高于纯黄土，表明MOS的加入促进了水化反应，增加了固化产物的生成。

除了物理和化学性能的提升，MOS-FA固化剂在环境可持续性方面也展现出明显优势。研究者对不同固化剂的碳排放进行了比较分析，结果显示，MOS-FA固化剂的碳排放量为85–122 kg/1000 kg黄土，显著低于波特兰水泥（0.821 kg/kg）等传统固化剂。这意味着，使用MOS-FA复合固化剂可以在满足相同强度需求的情况下，减少约60%–72%的碳排放。这种环境效益在大规模工程中尤为突出，例如1000吨的黄土固化项目，可减少85–122吨的二氧化碳排放，相当于每年种植2830–4000棵成年树木的碳吸收能力。这不仅有助于减少施工过程中的碳足迹，还为实现全球建设领域的碳减排目标提供了可行方案。

此外，研究还探讨了FA在固化过程中的作用及其对环境的影响。FA作为一种工业固废，其大量堆积会导致重金属（如铅、汞、砷）和可溶性盐类的渗漏，对土壤和地下水造成污染。而将FA作为固化剂的一部分，不仅可以提高其利用价值，还能减少这些污染物的释放，从而降低环境风险。同时，FA中的未燃碳颗粒可能作为臭氧前体物（如NO?和VOCs）的载体，促进近地面臭氧的形成，进而对农作物和生态系统构成威胁。因此，FA的合理利用不仅有助于缓解土壤污染问题，还能减少空气污染和生态破坏，实现“减废”与“减耗”的双重效益。

尽管MOS-FA固化剂在强度和环境性能方面表现出色，但其水稳定性仍需进一步优化。研究发现，当FA掺量为5%时，固化土在24小时水浸后抗压强度下降了65.0%，对应的软化系数仅为0.35，表明其在水环境下的性能仍存在不足。随着FA掺量的增加，软化系数逐渐提升，当FA含量为15%时，软化系数达到0.41，说明FA的增加在一定程度上改善了固化土的水稳定性。然而，由于FA的火山灰活性较低，其与MOS体系中的活性成分（如SiO?和Al?O?）的反应程度有限，导致部分有害物质（如氯离子和重金属离子）仍可能在长期使用过程中渗透和迁移，影响固化效果的稳定性。

为了解决这一问题，研究建议未来可对FA进行定向改性，以提高其活性，同时探索不同类型的活化剂对固化土孔隙率和水稳定性的影响。这将有助于进一步优化MOS-FA固化剂的性能，使其在不同环境条件下都能保持良好的工程特性。此外，研究还指出，该固化剂在结构优化、性能提升和环境友好性方面具有广阔的应用前景，可为黄土地区的工程建设提供高效、环保的解决方案。

综上所述，MOS-FA复合固化剂在黄土加固领域展现出良好的应用潜力。其不仅能够显著改善黄土的物理和力学性能，还具有较低的碳排放和较高的资源利用率，符合绿色化学和可持续发展的理念。未来的研究方向将聚焦于如何进一步提升其水稳定性，以及如何通过改进材料配比和活化方式，实现更优的工程性能与环境效益。这些成果有望推动绿色建筑材料的创新，为土木工程领域的可持续发展提供理论支持和技术保障。