用于道路工程的冷压轻质骨料替代材料

《Journal of Road Engineering》：Cold-bonded lightweight aggregates as replacement materials for road applications

　　刘宇|何振振|周成旺|何玉林|冷珍|马家姬
中国西安长安大学公路学院，710064

**摘要**
开发替代矿物骨料的道路材料已成为一个重要的研究方向。本文提出使用冷粘结轻质骨料（R-CBLA）作为传统骨料的替代品，并制备了用于路基和基层应用的轻质骨料改良土（LA-Soil）和轻质骨料水硬性混合料（LA-HBM）。通过调整挤出造粒机的转速、进料速率和原材料含水量，可以生产出粒化率超过90%的R-CBLA。其吸水性与强度呈显著负相关，而体积密度则呈显著正相关，这为优化性能提供了理论依据。在LA-Soil中，加入40%–50%的R-CBLA与天然粗颗粒后，形成了骨架致密的结构，从而提高了干密度、CBR和弹性模量，同时保持了冻融循环下的耐久性。在LA-HBM中，确定了两个关键的替代阈值：当替代比例低于25%时，性能变化较小；在25%至75%之间，性能略有下降但技术上仍可行；超过75%时，骨架结构变得不稳定，性能急剧下降。成本分析进一步表明，R-CBLA在材料、运输和施工方面具有优势，最大成本降低幅度可达87%。这种经济效益在资源稀缺地区尤为明显。总之，本研究验证了R-CBLA在道路工程中的可行性，提出了长寿命路面设计概念，并强调大规模生产、系统性能优化和长期耐久性是未来研究的重点。

**1. 引言**
近年来，对可持续和环保建筑材料的需求不断增加（Kim等人，2014；Liu等人，2024c；Pamu和Alugubelli，2023）。在道路建设领域，传统骨料如砂石长期以来被广泛使用。然而，它们可能面临成本高（Ramos Huarachi等人，2020）、资源有限（Ren等人，2020；Tang等人，2020）以及与开采和运输相关的环境影响（Jiang等人，2023；Suescum-Morales等人，2023）等问题。此外，骨料需求往往无法完全通过本地供应满足，需要长距离运输大量骨料。如果不考虑替代材料，进口量和运输距离可能会增加，对成本和环境造成不利影响（Bendixen等人，2021；Cong等人，2024；de Bortoli，2023）。因此，开发替代天然骨料的材料已成为一个重要的研究课题。

值得注意的是，替代传统天然骨料并非易事。首先，新型骨料的生产能力必须满足工程应用的需求（Duan等人，2025；Serpell和Zwicky，2022）。其次，尽管这些新骨料的性能可能与天然骨料不同，但它们仍需满足工程标准规定的技术要求（Jiang等人，2025b）。近年来，两种受到广泛关注的替代材料是废料衍生骨料和人工骨料。

废料衍生骨料来源于工业固体废物和建筑与拆除废弃物（CDW），在学术界和工业界都受到了广泛关注（Abedin Khan等人，2024；Agrela等人，2021；Hou等人，2025；Liu等人，2024b；Zhang等人，2024）。这种方法不仅解决了废物管理问题，还为建筑提供了原材料，代表了绿色和可持续的发展路径（Caro等人，2024；Oliveira等人，2025）。然而，这类废料衍生骨料的可用性通常在地理上分布分散，且在区域范围内有限，难以满足大型工程项目的原材料需求（Mandal和Shiuly，2025）。另一方面，废料来源的多样性导致性能差异显著，增加了质量标准化的复杂性，并给工程实践带来了不确定性（Peiris等人，2025）。随着技术的进步，废料衍生骨料有望逐步应用于工业化生产，并逐渐成为能够部分替代天然骨料的绿色建筑材料（Ma等人，2022；Mahmoodi等人，2024；Panizza等人，2020）。

人工骨料（AAs）主要采用粉末造粒技术制造，原料包括粉煤灰、石灰和水泥等水硬性材料，以及粘土和粉砂等细粒土壤（Callai等人，2025；Chen等人，2025a；Chen等人，2025b；Hui等人，2025；Khan等人，2025；Ren等人，2024）。由于细粒土壤是地球上分布最广、最容易获得的工程材料，因此人工骨料的原料充足，适合大规模生产（Qian等人，2023；Rafieizonooz等人，2024）。因此，这类骨料的生产能力可以满足大型工程应用的需求。此外，通过生产过程可以轻松控制人工骨料的粒径、形状和性能，提供了良好的工程可控性（Tao等人，2025；Thomas和Harilal，2015）。因此，人工骨料是天然骨料的有希望的替代品，本研究推荐将其作为天然骨料的替代品。

冷粘结轻质骨料（CBLAs）是人工骨料的典型代表，采用粉末造粒和冷粘结技术制造（Grossegger等人，2025；Wyrzykowski等人，2024）。CBLAs的主要原料是细粒土壤和水硬性材料（Gao等人，2023）。这些骨料的强度发展主要依赖于火山灰成分（如水泥、粉煤灰和矿渣）在受控条件下的水化作用，形成水化产物（包括C-S-H凝胶、钙矾石和碳酸钙），从而密实轻质骨料的内部结构（Vali和Murugan，2020；Yi等人，2021）。近几十年来，由于与传统烧结工艺相比，CBLAs的能耗和环境影响显著降低，因此受到了全球研究界的广泛关注（Bui等人，2025；Jin等人，2024；Kim等人，2024；Li等人，2024）。

作为传统天然骨料的可持续替代品，CBLAs具有三个基本优势。首先，细粒土壤（如粉砂和粘土）虽然因机械性能不佳而被丢弃，但可以回收利用为轻质骨料，从而减少对天然砂和砂石的需求，符合绿色发展目标（Ayati等人，2018；Kwek和Awang，2021）。其次，随着基础设施对骨料需求的增长以及由于采石场密度降低导致天然骨料运输成本的上升，使用CBLAs可以建立更可持续和分布式的生产系统，有助于平衡供需和生态约束（Shi等人，2025）。第三，与传统形状不规则的骨料不同，CBLAs可以实现单颗粒抗压强度≥3 MPa，高颗粒球形度（>0.8）和可控的孔隙率有助于减少混合物性能波动（Li和Wang，2024）。基于这些优势，CBLAs在水泥基系统中得到了广泛研究，特别是在轻质骨料混凝土（LWAC）中（Shang等人，2025；Sun等人，2026；Yu等人，2026）。大量研究表明，含有CBLAs的LWAC可以显著减轻结构自重，同时保持满意的机械性能和耐久性（Huang等人，2026；Mao等人，2026；Zhang等人，2025）。此外，轻质骨料的孔隙结构可以提供内部固化作用，促进水泥水化并减少低水- binder比系统中的收缩开裂（Shakeri等人，2026；Wang等人，2025b）。因此，LWAC近年来成为可持续混凝土材料的重要研究课题。然而，大多数现有研究主要集中在轻质骨料在混凝土系统中的应用，而其在道路工程材料中的潜在应用仍相对有限。此外，现有研究尚未系统地探讨CBLAs作为大规模道路工程项目的可靠替代品的优化和工程应用，特别是在性能一致性和成本效益方面，这仍需进一步深入研究（Liao等人，2025；Liu等人，2025）。

自2017年以来，CBLAs在道路工程中的创新应用已得到研究（Wang等人，2025c）。使用水泥和石灰等水硬性材料作为冷粘结剂，以粉砂粘土、砂质粉砂、盐渍土（SS）、黄河粉砂（YRS）和黄土为主要原料，开发了五种类型的CBLAs。系统评估了其生产过程和机械性能，并分析了这些材料作为道路建设中经济可行和可持续替代品的潜力。还系统评估了R-CBLAs在路基改善中的应用，特别关注轻质骨料含量对路基材料机械性能和结构特性的影响。同时，通过研究用R-CBLAs替代天然骨料在水硬性基层混合料中的应用，确定了合理的替代范围。这些发现为资源匮乏地区的骨料替代策略和路面结构设计提供了直接的技术支持。

**2. R-CBLAs的制备技术和成本分析**
**2.1. R-CBLAs的原料组成**
如图1所示，R-CBLAs的原料系统主要由天然土壤、冷粘结剂、功能添加剂和水组成。

**图1. R-CBLAs原料的比例图。**
细粒土壤（粒径≤0.075 mm）是R-CBLAs的主要成分，通常占总质量的50 wt%–85 wt%。这些土壤主要来自公路和铁路建设过程中挖掘或剩余的材料。它们的再利用有效减少了材料运输和处理的负担，同时为R-CBLAs的生产提供了低成本的原材料，从而实现了环境和经济效益。根据《工程土壤分类标准》（GB/T 50145-2007），本研究选择了五种代表性的细粒土壤，即粘土土壤、砂质粉砂土壤、盐渍土、黄河粉砂和黄土。它们的物理性质见表1，化学成分通过X射线荧光（XRF）分析确定，并总结在表2中。

| 土壤类型 | 最大干密度（g·cm3） | 最佳含水量（%） | 液限（%） | 塑限（%） | 分类 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 粘土土壤 | 1.90 | 14.1 | 7.4 | 18.4 | CL |
| 砂质粉砂 | 1.85 | 13.5 | 25.7 | 17.7 | ML |
| 盐渍土 | 1.79 | 17.3 | 27.2 | 15.1 | CL |
| 黄河粉砂 | 1.65 | 14.2 | 23.8 | 12.4 | SF |
| 黄土 | 1.76 | 16.5 | 30.5 | 18.2 | CL |

**表2. 本研究中使用的各种材料的化合物组成。**
| 成分（%） | SiO? | Al?O? | Fe?O? | CaO | MgO | Na?O | K?O | SO? |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 粘土土壤 | 63.6 | 22.8 | 35.1 | 6.0 | 20.1 | 6.0 | 8.5 | 2.0 |
| 砂质粉砂 | 61.4 | 31.8 | 35.3 | 20.8 | 7.1 | 4.0 | 5.1 | 1.7 |
| 盐渍土 | 66.5 | 82.0 | 15.6 | 7.0 | 1.1 | 10.2 | 7.1 | 2.1 |
| 黄河粉砂 | 65.2 | 11.0 | 10.4 | 23.3 | 6.8 | 7.1 | 1.3 | 5.1 |
| 黄土 | 62.0 | 41.7 | 17.2 | 5.7 | 25.4 | 22.1 | 8.0 | 6.1 |
| GGBS | 31.9 | 12.1 | 6.2 | 24.0 | 15.9 | 6.2 | 9.6 | 2.4 | 1.2 |
| FA | 54.8 | 21.3 | 13.1 | 5.0 | 41.5 | 21.3 | 5.1 | 2.8 | 6.0 |
| CS | 2.5 | 1.3 | 10.1 | 29.3 | 11.5 | 20.1 | -0.3 | 2.1 |
| FDG | 1.2 | 10.7 | 4.0 | 0.1 | 63.6 | 7.0 | 0.4 | 5.0 | 1.2 |

**2.2. R-CBLAs的制备技术**
**2.3. R-CBLAs的成本分析**水的用量应满足两个关键要求：一是为造粒提供足够的水分，二是为水化反应提供足够的水。此外，用于轻质骨料混凝土的水应符合《混凝土用水标准》（JGJ-63-2006）的规定。

2.2 R-CBLAs的制备过程
2.2.1 造粒
在本研究中，R-CBLAs是通过挤压造粒方法制备的。如图2所示，生产过程包括三个主要阶段：原材料准备、挤压造粒和养护。

首先，原始土壤经过破碎、通过2毫米方孔筛筛选，并干燥以获得适合后续处理的颗粒大小分布。然后按照设计的配比将冷粘合剂与处理后的土壤干混。随后加入适量的水，并充分搅拌以获得均匀的塑性混合物。在此阶段精确控制水分含量对于实现混合物的足够黏聚性和保持高效的造粒性能至关重要。

2.2.2 养护
造粒后，R-CBLAs需要一定的养护时间来发展足够的强度以满足工程性能要求（?zkan等人，2022；Wang等人，2024）。养护过程可分为两种类型：标准养护和自然养护。
- 标准养护：样品在初凝后脱模，并在（20±2）℃和相对湿度≥95%的条件下在控制养护室中养护指定的时间（7天和28天）。在整个养护期间保持这些条件以减少环境变化并促进稳定的水化。
- 自然养护：样品在无温度或湿度控制的实验室或现场条件下储存。在自然养护过程中，样品放置在通风的空间中，并防止直接降雨和阳光照射。记录养护期间的环境温度和相对湿度，典型范围为T = 25℃-30℃和RH = 40%-60%。在相同的养护时间（7天和28天）对样品进行测试以进行比较。

2.3 R-CBLAs的测试方法
R-CBLAs的核心技术特性由三个主要指标定义：松散堆积密度、吸水率和颗粒强度。松散堆积密度直接影响R-CBLAs的轻质特性和应用范围，是评估其物理性能的基本参数。吸水率反映了骨料的内部分孔结构和耐久性，显著影响其在工程应用中的长期性能。颗粒强度是一个关键指标，确保R-CBLAs在受力时不会碎裂，从而决定了其在结构场景中的适用性。这三个指标根据中国标准GB/T 17431.2《轻质骨料及其测试方法-第2部分：轻质骨料的测试方法》进行评估。

(1) 松散堆积密度
松散堆积密度定义为单位体积干骨料的质量，包括颗粒之间的空隙。它是颗粒级配和堆积特性的指标。根据GB/T 17431.2，使用不同基材和制造工艺生产的人造骨料的堆积密度必须小于1200 kg/m3才能被归类为轻质骨料。松散堆积密度根据公式(1)计算。
(1)
其中ρb是轻质骨料的堆积密度（kg/m3），Mt是骨料和容器的总质量（kg），Mv是容器的质量（kg），V是容器的体积（L），粗骨料使用10 L容器，细骨料使用5 L容器。

(2) 吸水率
吸水率定义为在饱和表面干燥（SSD）条件下吸收的水的质量百分比相对于标准条件下烘干后的质量，如公式(2)所示。通常在浸泡1小时或24小时后测量。然而，先前的研究表明1小时吸水率可能超过24小时吸水率的90%。因此，为了实验方便，本研究采用1小时吸水率作为代表性指标。
(2)
其中Wa是轻质骨料在饱和表面干燥（SSD）条件下的1小时或24小时吸水率（%），Mw是轻质骨料在饱和表面干燥（SSD）条件下的质量（g），Md是轻质骨料在烘干后的质量（g）。

(3) 强度
轻质骨料的机械强度可以通过两个指标来评估：单颗粒抗压强度和圆柱体抗压强度。单颗粒抗压强度测试按照BS EN 13055-1进行，测量单个颗粒能承受的最大轴向载荷，直接反映其内部粘结质量和缺陷分布。这种方法需要较小的样本量，易于实施，非常适合实验室规模的研究和开发（Ferraro等人，2021）。圆柱体抗压强度更适合混合物设计验证和施工质量控制。
在本研究中，选择单颗粒抗压强度作为主要的强度评估指标，为简便起见，此后简称为抗压强度。最终结果基于20个单独颗粒测试的平均值报告，并附有95%置信区间，使用公式(3)计算。
(3)
其中S是轻质骨料的单颗粒抗压强度（MPa），P是峰值载荷（N），d是上下加载板之间的距离（cm）。

2.4 结果与讨论
2.4.1 造粒参数和水分控制
造粒过程使用双辊挤压造粒机进行，旋转速度、进料速率和水分含量被选为研究参数。根据之前的优化研究（Li等人，2025a；Ohkuma等人，2002；Wan等人，2022），旋转速度和进料速率对造粒性能的影响在研究范围内有限，因此在后续分析中保持不变。因此，水分含量被确定为控制造粒行为和颗粒机械性能的主要工艺参数。
当水分含量低于5%时，造粒速率从大约80%急剧下降到约20%，并且不再能维持稳定的颗粒形成。这表明过低的水分含量不足以提供有效的挤压造粒所需的塑性和液体辅助的颗粒间粘结。一旦水分含量超过5%，造粒速率显著增加，达到最大值86%（图3(a)），表明5%是成功造粒的临界下限。

2.4.2 养护制度和强度发展
图4比较了R-CBLAs在两种不同养护制度下的抗压强度发展：标准养护和自然养护。在标准养护条件下，含10%水泥的R-CBLAs在28天时的抗压强度为2.3 MPa（图4(a)）。在自然养护条件下，同一混合物在28天时的抗压强度降低了约30%（图4(b)）。这些结果强调了养护条件对强度发展的显著影响。

2.4.3 R-CBLA的技术特性和机械性能
2.4.3.1 松散堆积密度与抗压强度的关系
如图5所示，五种类型R-CBLAs的松散堆积密度主要分布在1000至1200 kg/m3之间，只有少数值超过这个上限。在这个密度范围内，抗压强度变化很大，范围从1 MPa到4 MPa。堆积密度与单颗粒抗压强度之间也观察到正相关，这与先前研究的发现一致（Tajra等人，2019；Zheng等人，2025）。然而，不同类型R-CBLAs的强度增长速率不同。例如，当松散堆积密度从1030 kg/m3增加到1050 kg/m3时，SSLA的抗压强度从1.2 MPa增加到2.3 MPa。相比之下，MLLA的抗压强度从1.8 MPa增加到2.8 MPa，随着密度从1100 kg/m3增加到1210 kg/m3。此外，当松散堆积密度超过1200 kg/m3时，抗压强度可以超过3.0 MPa并继续稳定增长。这一观察表明，更高的密度通常对应于更紧密的骨料内部结构。鉴于公路工程不严格限制密度，1200 kg/m3的限值不应被视为绝对阈值。相反，可以根据具体工程要求调整混合比设计。

2.4.4.2 养护制度和强度发展
基于这些结果，应在造粒前适当调整原始土壤的水分含量。加入粘合剂后，最终水分含量应控制在7%-10%的实际范围内，这可以在造粒效率和早期颗粒强度之间取得平衡。需要注意的是，造粒速率仅针对MLLA作为代表性材料进行了评估，以考察水分含量对挤压造粒的影响。

2.4.3.3 R-CBLA的技术特性和机械性能
- 松散堆积密度与抗压强度的关系
如图5所示，五种类型R-CBLAs的松散堆积密度主要分布在1000至1200 kg/m3之间，只有少数值超过这个上限。在这个密度范围内，抗压强度变化较大，范围从1 MPa到4 MPa。堆积密度与单颗粒抗压强度之间也观察到正相关，这与先前研究的发现一致（Tajra等人，2019；Zheng等人，2025）。然而，不同类型R-CBLAs的强度增长速率不同。例如，当松散堆积密度从1030 kg/m3增加到1050 kg/m3时，SSLA的抗压强度从1.2 MPa增加到2.3 MPa。相比之下，MLLA的抗压强度从1.8 MPa增加到2.8 MPa，随着密度从1100 kg/m3增加到1210 kg/m3。此外，当松散堆积密度超过1200 kg/m3时，抗压强度可以超过3.0 MPa并继续稳定增长。这一观察表明，更高的密度通常对应于更紧密的骨料内部结构。由于公路工程不严格限制密度，1200 kg/m3的限值不应被视为绝对阈值。相反，可以根据具体工程要求调整混合比设计。

- 吸水率与抗压强度的关系
五种类型R-CBLAs的1小时吸水率主要在5%到13%之间。观察到水吸收与抗压强度之间存在负相关关系，这与体积密度呈现的正相关关系相反。然而，不同类型的R-CBLAs在水吸收与强度之间的关系各不相同。碱激活的矿渣基骨料即使在12%的水吸收率下也能保持超过3.0 MPa的抗压强度，这通常归因于形成了致密的C-(A)-S-H凝胶结构。相比之下，在类似的吸收条件下，水泥基骨料的强度通常约为2.0 MPa。骨料内部孔隙结构的变化对其机械性能有显著影响。高水吸收率的骨料通常具有更高的孔隙率和更发达的相互连接的孔隙结构（Cai等人，2024年）。例如，加入钠基膨润土可以同时提供填充和额外的粘结效果，将YRSLA的水吸收率从9%降低到大约5%，同时将其抗压强度从1.1 MPa提高到2.2 MPa。在特殊土壤应用中，由于其内在的骨架孔隙结构，LSLA的初始水吸收率可高达22%。然而，加入2%的硅灰可以显著提高其抗压强度。其细小的颗粒尺寸能够有效地填充内部空隙，使骨料结构更加致密。同时，其高含量的铝硅酸盐为二次火山灰反应提供了成核位点，从而显著增加了水化产物的形成（Li等人，2021b年）。因此，抗压强度增加到2.8 MPa，水吸收率降低到7%。这些结果突显了火山灰材料在改变化学土壤基骨料的孔隙结构和强度发展中的重要作用。在工程实践中，当R-CBLAs的水吸收率控制在10%以下时，所有五种骨料的抗压强度均满足路基材料的最低要求（≥1.5 MPa），为材料设计和选择提供了有用的参考范围。

2.4.3.3 人工轻质骨料的比较分析
比较分析表明，表3中报告的单个颗粒强度的巨大差异主要归因于烧结与非烧结轻质骨料之间的内在差异。烧结骨料是通过高温煅烧（通常>1200°C）生产的（Ma等人，2024年），在此过程中气体释放和相变会产生多孔的核心，同时形成致密且坚硬的外壳结构。这种壳-核结构通常导致相对较低的体积密度下更高的颗粒强度（例如>10 MPa）（Bian等人，2024年；Li等人，2021a年）。

表3. 人工轻质骨料的文献和实验数据总结。
| 序号 | 生产方法 | 单个颗粒强度（MPa） | 松散体积密度（kg/m3） | 水吸收率（%） |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Cui等人（2012） | 烧结 | 11.9 | 489 | 8.5 |
| Liu等人（2017） | 烧结 | 17.0 | 276 | 81 | 13.0 |
| Shi等人（2019） | 非烧结 | 0.7 | 0-2.5 | 81 | 4.4-10 | 6.0 | 13.0-27.6 |
| Tian等人（2021） | 非烧结 | 1.4 | 6-6.1 | 81 | 10 | 0-11 | 32 | 9.8-12.1 |
| Jiang等人（2020） | 非烧结 | 2.2 | 6-2.9 | 69 | 26-9 | 72 | 6.3-10.7 |
| CLLA | 非烧结 | 1.5 | 1-3.6 | 61 | 10 | 6-12 | 30 | 7.2-19.1 |
| MLLA | 非烧结 | 1.9 | 8-3.0 | 51 | 11 | 0-12 | 12 | 6.1-12.6 |
| YRSLA | 非烧结 | 1.1 | 1-2.3 | 21 | 10 | 6-12 | 0 | 63.8-8.4 |
| LSLA | 非烧结 | 1.3 | 6-2.8 | 11 | 0 | 31 | 10 | 54 | 9.1-12.1 |
| SSLA | 非烧结 | 1.0 | 3-3.0 | 61 | 10 | 55 | 11 | 95 | 6.8-13.2 |

相比之下，R-CBLAs和其他非烧结骨料的强度主要通过水化和火山灰反应发展，其机械性能强烈依赖于固化条件。因此，它们的颗粒强度通常较低（通常为1.0–6.0 MPa），而松散体积密度通常较高（1000–1200 kg/m3）。因此，表3中的比较应在同一生产类别（即烧结与冷粘结）内进行，并考虑混合设计和固化条件。值得注意的是，烧结轻质骨料的生产需要大量的热能输入，并导致相当大的碳排放。这导致其在公路工程应用中的大规模生产相对不具成本效益（Boarder等人，2016年；Thomas和Harilal，2015年）。此外，烧结骨料过高的强度可能与天然骨料相当，可能导致公路工程应用中的过度设计或不必要的强度冗余。

2.5 成本分析
在道路工程中，材料成本是影响新技术采用和推广的关键因素（Ohemeng和Ekolu，2020年）。对R-CBLAs进行成本效益分析对于评估其在工程实践中的经济可行性以及选择可持续道路材料至关重要。如图7所示，本研究选择了五种轻质骨料的代表性材料组成及其相应的成本数据。这五种代表性的R-CBLA类型使用了全部或部分以下原材料和成分进行生产，包括土壤、石灰、膨润土、水泥、GGBS、CCR、FDG和水，其中GGBS表示粒化高炉矿渣，CCR表示碳化钙残渣，FDG表示烟气脱硫石膏。使用2024年陕西省建筑成本数据库中的成本数据，进行了系统分析以评估R-CBLAs的经济效益和实际价值。

如图8所示，作为主要成分的原始土壤具有显著的经济优势。它可以直接从现场挖掘获得，几乎不产生额外的材料成本（Liu等人，2024b年）。在政府促进固体废物回收政策的支持下，原材料成本可以忽略不计。轻质骨料的总生产成本主要由冷粘合剂的类型和用量决定。水泥基轻质骨料的成本通常在每吨40到60元人民币之间。相比之下，通过碱激活固体废物材料生产的CLLA的成本可以低至每吨25.89元人民币，显示出明显的经济优势。

五种R-CBLAs之间的成本差异主要源于粘合剂的选择。具体来说，作为传统粘合剂的水泥市场价格为每吨高达381元人民币，仅10%的用量就使总成本增加了约38.1元人民币。这使得水泥成为水泥基轻质骨料的主要成本组成部分。相比之下，碱激活系统使用工业固体废物作为粘合剂，碱矿渣的价格仅为每吨150元人民币，相比水泥降低了60.6%的材料成本。此外，更高比例的工业副产品替代进一步降低了材料成本，并通过改善土壤颗粒之间的粘结力，提高了骨料强度的均匀性，从而在成本和性能之间实现了更好的平衡。此外，与传统的未筛分碎石（5-10毫米，每吨194元人民币）相比，R-CBLAs的原材料成本降低了67%到87%，突显了其显著的经济优势。从性能角度来看，尽管五种R-CBLAs的平均强度（约3 MPa）仅为天然骨料（9 MPa）的三分之一，但需要注意的是，轻质骨料主要应用于铺路基层和路基层，这些层的强度要求相对较低（通常低于1.5 MPa）。因此，天然骨料的高强度可能在实际工程应用中导致不必要的强度冗余。

基于这项成本分析，提出了两种优化策略。短期内，部分用碱矿渣替代水泥，同时保持水泥含量低于10%，可以将生产成本每吨降低18-25元人民币。从长远来看，应重点开发基于固体废物的碱激活粘合剂，利用粉煤灰、钢渣和碳化渣等工业副产品，进一步将轻质骨料的生产成本降低到每吨30元人民币以下，同时确保其28天的抗压强度满足工程性能要求。需要注意的是，本研究主要关注成本分析。未来的工作将进行更全面的生命周期评估（LCA），包括累积能源需求和温室气体排放等指标，以进一步证实R-CBLAs的可持续性优势。

3. R-CBLAs在路基工程中的应用
在路基工程中，细粒土壤通常表现出较低的承载能力、较低的水稳定性和不足的抗冻性（Liu和Xiao，2010年；Liu等人，2023年；Ohemeng和Ekolu，2020年）。为了提高其工程性能，通常采用两种主要的改进方法：通过加入沙子或砾石等颗粒材料进行物理改良，以及使用石灰或水泥等水硬性粘合剂进行化学稳定（Barman和Dash，2022年；Li等人，2025b年；Naeini和Gholampoor，2014年）。每种方法都有其优缺点。物理改良严重依赖于合适颗粒材料的本地可用性，因此在骨料资源丰富的地区最为有效。在这些材料稀缺或获取成本较高的地区，通常采用化学稳定作为更实际的替代方案。本节介绍了一种新型的路基改良方法，称为轻质骨料改良土壤（LA-Soil），它既提供了机械性能的改善，又适应了不同的材料资源条件。

3.1 新开发的填充材料：LA-Soil
如图9所示，LA-Soil是一种创新的路基建筑材料，通过将R-CBLAs按指定比例混合到原生细粒土壤中，然后进行压实和成型制成。这种材料具有几个显著的特点：
- 高适应性和对本地骨料资源的低依赖性。R-CBLAs的主要成分是细粒土壤本身，实现了“用土壤处理土壤”的原则。这种方法允许就地利用本地材料，特别适合那些传统沙子和砾石资源有限的地区。
- 性能可定制性和成本效益。细粒土壤（如粘土和淤泥）的弹性模量通常低于40 MPa，无法满足路基设计要求。加入轻质骨料显著提高了LA-Soil的弹性模量，通过控制骨料用量可以调整性能水平以满足特定的工程要求。由于路基层通常承受的压力较低，粗骨料的适度强度和刚度通常就足够了。因此，尽管R-CBLAs的强度相对较低，但仍能有效降低材料成本。通过优化骨料用量，可以灵活控制机械性能和材料成本。
- 均匀混合物和高可控性。作为粗骨料，R-CBLAs具有相对一致的几何和机械性能，对原材料的变化敏感度较低。这种均匀性确保了混合物的均匀性和材料质量的稳定性，显著提高了施工质量和工艺可控性。
- 优异的渗透性、水稳定性和抗冻性。R-CBLAs具有良好的空气和水渗透性。当它们掺入原生土壤中时，这些颗粒提高了混合物的整体排水能力、水稳定性和抗冻性，确保在复杂环境条件下的可靠性能。

3.2 LA-Soil的制备技术
LA-Soil是指通过将R-CBLAs（通过常温水泥化工业副产品或挖掘的废弃物土壤制成）与天然细粒土壤混合而形成的工程复合材料。这种方法不仅利用了轻质骨料的均匀性和渗透性优势，还促进了废物回收，符合可持续土木工程的原则。尽管具有显著的应用潜力，LA-Soil仍面临一些技术挑战和研究空白。作为一种复合材料，其机械行为机制尚未得到充分理解。具体来说，R-CBLAs在土壤骨架中的荷载传递作用、强度增强和变形控制方面的作用仍需进一步澄清。虽然现有研究表明R-CBLAs可以显著改善细粒土壤的工程性能，但系统性的实验证据来量化改进程度和确定关键影响因素仍然有限（Arab等人，2025年；Kianimehr等人，2019年；Yu等人，2024年）。此外，R-CBLAs具有高水吸收率、低强度、高孔隙率和脆性，这可能影响LA-Soil的结构稳定性和耐久性。目前，这种材料尚未建立标准的设计方法或技术指南。关键参数，包括最佳用量、强度特性以及在水浸、冻融循环和长期加载条件下的性能，仍需要系统研究（Singh等人，2024年）。

基于此背景，本研究选择了郑州地区的一种代表性淤泥土壤作为基础材料，并制备了不同强度水平的R-CBLAs作为粗骨料。R-CBLAs与原生土壤的体积比分别为10%、20%、30%、40%、50%和70%。进行了标准Proctor压实试验，以研究R-CBLAs含量和强度对LA-Soil压实特性的影响。进一步分析集中在30%-50%的含量范围内，评估了关键的机械性能指标，包括加州承载比（CBR）和弹性模量。此外，还采用了一种快速冻融循环测试系统来研究LA-土壤在冻融条件下的性质演变，旨在全面了解其机械性能和长期表现。测试程序和设备设置如图10所示。下载：下载高分辨率图片（952KB）下载：下载全尺寸图片图10. LA-土壤物理和机械性能的实验室测试。为了进行对比分析，将具有与R-CBLAs相同粒径分布的天然碎石按等体积比例（10%-70%）加入土壤中，并进行了相应的压实测试。为了促进LA-土壤的工程应用，本研究基于郑州地铁7号线的实际现场测试段，对材料制备和施工技术进行了系统研究。研究涵盖了材料预混合和成型、机械性能测试、现场混合和铺设以及分层压实等关键阶段。原材料按照设计比例进行预混合，R-CBLAs通过带式输送机辅助的冷粘合颗粒化工艺生产。同时进行了实验室和现场强度对比测试，以验证材料的机械性能。在施工过程中，通过喷水控制湿度、机械混合、分层铺设和压实操作来确保混合物的均匀性和压实质量。在整个过程中，实施了严格的质量监控和参数控制，为性能评估提供了可靠的支持（图11）。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图11. R-CBLAs的现场准备以及试验段的施工和测试程序。(a) CBLA的现场准备。(b) CBLA的现场性能测试。(c) LA-土壤的现场施工过程。(d) 现场测试段的性能测试。此外，还建立了三个测试段，包括一个LA-土壤段、一个碎石-土壤对比段和一个未经改良的粉质土壤段（图12）。在整个施工期间，监测并分析了关键性能指标，如压实度和回弹模量，以评估LA-土壤的工程适用性和性能提升。根据现场测试数据和对比分析，通过监测的性能指标评估了LA-土壤的工程适用性。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图12. 现场测试段的设计和布局。3.3. 实验测试结果3.3.1. LA-土壤的组成和分类根据《公路路基施工技术规范》（JTG/T3610-2019）和《公路路基设计规范》（JTG D30-2015），应优先选择粗粒土作为路基填料。《公路工程土壤试验方法》（JTG 3430-2019）将粗粒土定义为一种 oversized 颗粒（大于60毫米）的质量分数不超过总样品的15%，且 oversized 颗粒和粗颗粒（大于2毫米）的总质量超过50%的土壤。根据这一定义，可以进一步根据级配参数进行分类。根据这些标准，表4展示了不同R-CBLAs含量下粉质土壤的分类。表格清楚地说明了不同R-CBLAs含量如何影响粒径分布、级配系数和土壤分类。在较低的掺入量下，改良后的土壤仍保持细粒土的特性，而较高的掺入量则逐渐使其向碎石土分类转变。这一趋势为混合比例设计提供了分段参考。表4. 不同R-CBLAs含量下的土壤组成和分类（JTG 3430-2019）。CBLA (%)>0.075 mm (%)>2 mm (%)CuCc分类06.0007.501.300ML1016.62109.482.020ML2024.98208.401.870ML3034.47308.141.830ML4044.0040970.130.014ML5056.4650707.220.015GM6064.4060529.100.170GM7075.3070398.410.250GM注：ML是低塑性的粉土，GM是粉质碎石，Cc是曲率系数。值得注意的是，如表4所示，在40% R-CBLAs含量时，Cu值异常升高。这种现象主要是由于CBLAs（10毫米）的粒径造成的。在这种掺入量下，粗颗粒的比例显著增加，而中间粒级不足，导致粒径分布不连续。因此，D10值变得极小，从数学角度来看Cu比率被人为放大。这个异常值并不表示均匀性更好，而是反映了该混合比例下的不连续级配。3.3.2. LA-土壤的实验室测试结果根据《公路工程土壤试验方法》（JTG 3430-2019）进行了标准重型压实测试，以评估不同R-CBLAs含量下LA-土壤的最大干密度（MDD）和最佳含水量（OMC）。结果表明，随着R-CBLAs含量的增加，LA-土壤的MDD最初呈上升趋势，随后下降；而OMC则逐渐降低。具体来说，当R-CBLAs含量从10%增加到50%时，MDD持续上升，在50%含量时达到峰值，表明这一含量对应于最有利的内部压实状态。超过50%的R-CBLAs含量后，MDD开始下降（图13）。下载：下载高分辨率图片（256KB）下载：下载全尺寸图片图13. R-CBLAs含量对LA-土壤压实行为的影响。(a) OMC和MDD的压实曲线。(b) OMC和MDD的变化模式。不同R-CBLAs含量下压实特性的变化主要归因于土壤内部结构的变化（Henzinger和Heyer，2017）。当R-CBLAs含量从0%增加到40%时，混合物呈现悬浮-致密结构，多孔的R-CBLAs颗粒分散在粉质土壤基质中，整体压实行为与未改良土壤相似。然而，改善的粒径分布使得MDD略有增加。当R-CBLAs含量进一步增加到40%-50%的范围时，内部结构转变为互锁骨架配置，大颗粒（R-CBLAs和天然粗颗粒）形成刚性承载框架，细颗粒填充间隙空隙。这种复合骨架在压实过程中通过颗粒间摩擦和毛细桥断裂来耗散能量，而残余的毛细水膜增强了颗粒间的接触摩擦，共同导致混合物的最大密实化（El Shamy和Gr?ger，2008；Wang等人，2018）。当R-CBLAs含量超过50%时，结构转变为以R-CBLAs颗粒之间的接触为主的骨架-空隙排列，填充颗粒不足。结果，MDD下降，而对含水量的敏感性降低，OMC的下降速度减慢。作为对比，碎石-土壤在0%-50%范围内表现出与LA-土壤相似的趋势（图14）。然而，由于碎石的刚度和角度较大，其MDD在50%以上继续增加（El Shamy和Gr?ger，2008）。尽管OMC的趋势与LA-土壤相似，但需要注意的是，高碎石含量可能导致颗粒分离和压实不均匀（Liu等人，2024a）。基于压实测试结果，根据《公路工程土壤试验方法》进行了加州承载比（CBR）和回弹模量测试，以评估R-CBLAs的强度和含量对LA-土壤机械性能的影响。如图15所示，R-CBLAs的压缩强度与CBR值和改良土壤的回弹模量呈正相关。下载：下载高分辨率图片（294KB）下载：下载全尺寸图片图15. 7天养护后R-CBLAs含量和强度对改良土壤机械性能的影响。(a) CBR。(b) 回弹模量。在R-CBLAs含量为30%和50%时，CBR值分别比未改良土壤提高了约200%和400%。回弹模量也表现出类似的趋势，随着R-CBLAs含量从30%增加到50%，模量从约60 MPa上升到90 MPa，表明材料刚度得到提升。LA-土壤机械性能的改善与压实测试中识别的结构演变模式一致。如图16所示，LA-土壤的CBR和回弹模量降低系数随着冻融循环次数的增加而持续下降，表明在冻融作用下机械性能逐渐退化。CBR降低系数从0.85-0.89降至0.63-0.70，而回弹模量降低系数从0.90-0.94降至0.76-0.80。这种退化模式是非线性的，在早期循环（0-6次）中的下降速率明显高于后续循环。然而，R-CBLAs含量对性能退化具有调节作用。较高的R-CBLAs含量（≥40%）有效抑制了冻融循环过程中的性能退化，这体现在相同循环次数下更高的CBR和模量降低系数上。差异在第六次冻融循环时尤为明显。增加R-CBLAs含量可以提高LA-土壤在恶劣环境条件下的抗性能退化能力。可能的机制包括改善了骨料之间的界面密实度并限制了水分迁移，从而减少了孔隙压力积聚和微裂纹扩展的风险（Talat等人，2025；Wang等人，2025a）。CBR的降低通常比回弹模量的降低更为显著，表明CBR对局部损伤和结构完整性更为敏感，而模量变化主要反映了整体刚度的逐渐丧失。两种指标之间的差异表明，需要采用多维度评估方法来评估抗冻性。R-CBLAs的多孔结构可能通过破坏应力传递路径进一步抑制裂纹扩展（Jiang等人，2025a；Rezanezhad等人，2020）。然而，耐久性仍取决于界面粘结的稳定性。尽管本研究未包括微观结构测试，但未来的研究应采用微观结构表征技术来进一步阐明冻融抗性机制。值得注意的是，在10次冻融循环后，CBR和回弹模量降低系数趋于稳定。此外，测试结果显示，LA-土壤在冻融条件下的回弹模量降低系数都在《公路路基设计规范》（JTG/T3610-2019）规定的0.70至0.95范围内，为未来LA-土壤设计应用中选择降低系数提供了有用的依据。3.3.3. LA-土壤的现场测试结果根据《公路路基和路面原位测试规范》，在三种路基类型各选择了八个地点进行了现场压实测试。此外，测试段被划分为1米×1米的网格进行回弹模量测试。如图17所示，三种路基类型的承载性能存在明显差异。下载：下载高分辨率图片（187KB）下载：下载全尺寸图片图17. 30%含量下的现场测试结果。(a) 压实度。(b) 回弹模量。在均匀压实条件下，粉质土壤路基的压实度约为90%，回弹模量约为30 MPa。尽管个别点观察到了轻微波动，但整体变化有限。然而，这些值不满足当前标准对高等级公路路基的性能要求。相比之下，LA-土壤和碎石-土壤路基的性能显著提高，回弹模量值达到了未改良土壤的2.5倍。虽然LA-土壤路基的值略低于碎石路基，但图17表明其在整个测试段的一致性和机械性能更为均匀。从工程应用的角度来看，未经改良的粉质土壤远未达到高等级公路主线路基的强度和变形模量要求。实际上，它通常仅限于用于IV级道路或服务道路的次要结构层。相比之下，使用R-CBLAs的改良显著提高了这些材料的工程适用性，从而扩展了其在高等级道路基础设施中的潜在用途，并延长了低质量填料的实际应用范围。因此，这种方法为有效利用中等至高等级道路建设中的边际土壤提供了可行的解决方案。3.4. 讨论本研究发现（第3.3.2节），随着R-CBLAs含量从0%增加到50%，改良土壤的干密度呈上升趋势。然而，当含量超过50%时，干密度开始下降。结合第3.3.1节的数据（其中粗颗粒质量分数从44.00%增加到56.56%），参考颗粒混合物分类理论（图18），以及先前的研究结果（Polito和II，2001年）表明，当细颗粒体积分数在25%到45%之间时，通常会形成悬浮-致密结构，这表明在40%-50%的R-CBLAs含量范围内，R-CBLAs和天然粗颗粒共同形成了一个连续的接触网络，细颗粒填充了间隙空隙。这导致形成了骨架-致密结构，从而提高了干密度、CBR（加州承载比）和弹性模量。当含量超过50%时，内部结构倾向于转变为骨架-空隙配置，导致干密度下降。下载：下载高分辨率图片（730KB）下载：下载全尺寸图片图18. 颗粒混合物分类（Thevanayagam和Martin，2002年）。基于本研究的实验结果和机制分析，建议在工程应用中将CBLAs和天然粗颗粒的总体积分数控制在50%以内，以实现机械性能和成本效率之间的合理平衡。先前的研究（Yaghoubi等人，2021年）报告称，当回收玻璃的掺入量从0%增加到30%时，粘土路基土壤的最大干密度（MDD）增加了约9%，最佳含水量（OMC）减少了22%，而弹性模量提高了110%。然而，当含量超过50%时，MDD开始下降，OMC呈现上升趋势，这与第3.3.2节的研究结果一致。另一项研究显示（Perera等人，2022年），当使用碎玻璃改善粘土时，将含量从0%增加到20%可以使OMC从24.90%降低到21.92%，MDD从1.46 g/cm3增加到1.54 g/cm3，加州承载比（CBR）从9.07%提高到18.10%，弹性模量从84.43 MPa提高到102.07 MPa。这些改进的幅度与本研究的结果相当。快速冻融试验的结果（第3.3.2节）表明，LA-Soil在冻融循环下的机械退化表现出明显的阶段性模式，可以分为三个阶段：快速退化阶段（第0-6周期）、逐渐退化阶段（第6-9周期）和性能稳定阶段（第9-12周期）。在早期阶段，结构尚未稳定到冻融载荷，导致性能急剧下降。在中期阶段，损伤积累减缓，退化速率也放缓。在后期阶段，性能趋于稳定，表明冻融稳定性得到改善。先前的研究（Gülen等人，2024年）报告称，不同粒度和矿物组成的土壤在经过多次冻融循环后，加州承载比（CBR）下降了40%-70%，大部分损失发生在初始阶段。同时，一些研究人员尝试使用废弃PET塑料来改善土壤（Zhu等人，2023年）。结果表明，当PET含量为2%时，弹性模量从81 MPa增加到95 MPa；然而，在经过八次冻融循环后，该值从95 MPa下降到44 MPa。这种退化的程度大于本研究观察到的情况，表明R-CBLA改性提供了更好的冻融耐久性。此外，另一项研究（Domitrovi?等人，2019年）表明，重载路基粉土的动态弹性模量遵循三阶段衰减模式：快速下降、逐渐减少和最终稳定。这种分阶段的退化行为与本研究的结果一致。基于现场测试部分（第3.3.3节），表5展示了CBLAs改性土壤（LA-Soil）与碎石改性土壤（Gravel-Soil）之间的成本比较。结果显示，LA-Soil在劳动力、设备和材料方面的成本较低，总成本比Gravel-Soil降低了约26.6%。最显著的差异在于设备相关成本，主要是由于需要长途运输外部采购的碎石。表5. 不同改良方法的成本比较。处理方法劳动力成本（￥）机械成本（￥）材料成本（￥）总成本LA-Soil3,81539,958.7Gravel-Soil5,32153.780.0总之，LA-Soil不仅满足路基应用的工程性能要求，而且在资源利用和成本效率方面也具有显著优势。特别是在沙子和碎石资源有限的地区，利用当地土壤就地生产R-CBLAs可以实现土壤替代土壤的资源利用方式。这不仅提高了材料的可用性和对现场条件的适应性，还有效降低了建设成本。本研究证明了LA-Soil在机械性能、施工适应性和资源利用方面的显著优势。它满足了各种等级公路的路基要求，同时提供了环境和经济效益。实验结果为其在道路工程中的更广泛应用提供了坚实的技术基础。3.5. 对未来研究的建议为了进一步理解和工程应用LA-Soil，建议在以下方面进行未来研究：•应采用先进的表征方法，如CT成像和离散元方法（DEM）模拟，定量分析颗粒形状因素、级配效应和颗粒接触网络的变化。这将提供对骨架-致密结构和骨架-空隙结构转变的更基本的理解。•应在不同的粉土组成、压实能量和环境循环下进行大规模的现场测试。这些研究对于完善将内部骨架结构与机械性能联系起来的本构模型以及为实际工程项目优化R-CBLA含量提供更精确的设计基础是必要的。•目前的结果基于养护7天的试样，可能会低估长期耐久性。未来的工作应在28天养护条件下重复快速冻融试验，此时水化更为完全，微观结构更加稳定，以获得更现实的服务性能评估。•建议使用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等技术来研究冻融循环期间水化产物的演变、孔隙结构和界面结合情况。这些见解将阐明抗冻性和长期稳定性的机制。总体而言，通过整合实验室模拟、微观结构观察和现场规模验证，未来的研究可以建立一个更可靠的框架，用于评估LA-Soil的长期性能，并支持标准化设计和施工指南的制定。4. R-CBLAs在水力结合基层工程中的应用水力结合混合物（HBM）是中国广泛用于路面基层的主要铺路材料类别。在本节中，提出了一种新型的HBM——LA-HBM，通过用CBLAs替代混合物中的天然矿物骨料。LA-HBM作为一种有前景的替代基层材料出现，与传统水泥稳定碎石相比具有明显优势。•轻质。轻质骨料的体积密度在1000到1200 kg/m3之间，比天然碎石轻约25%-45%，显著降低了结构载荷，特别有利于软粘土或黄土等弱基层。•内部固化。多孔轻质骨料固有的储水效果有助于缓冲水化引起的热应力，从而降低混合物的干燥收缩系数，有效缓解了传统稳定基层中常见的开裂问题。•固体废物的资源利用。通过使用本地来源的细粒土壤替代天然骨料，R-CBLAs显著降低了材料成本，并有助于国家双碳战略下的绿色转型。然而，用R-CBLAs替代天然骨料会在抗压强度和颗粒间互锁性方面引入固有限制。这可以归因于R-CBLAs颗粒的球形形态和相对光滑的表面，这降低了表面粗糙度并削弱了骨料间的互锁效果（He等人，2024；He等人，2023）。因此，本研究系统地通过实验室实验研究了在不同粘结剂含量和骨料级配下LA-HBM的机械性能演变。目的是验证LA-HBM是否满足基层材料的技术规范，并为实际工程应用提供基于性能的设计指导。4.1. LA-HBM的制备技术本研究通过两种替代策略研究了盐渍土轻质骨料（SSLA）——单粒径替代和基于级配的替代——如表6所详述。•单粒径替代：使用粒径为6 mm的SSLA替代目标级配中所有大于4.75 mm的天然骨料（NA），同时保留粒径在2.36 mm到4.75 mm之间的骨料。•基于级配的替代：使用粒径分别为2.5 mm、6 mm、10 mm、13 mm和20 mm的SSLA颗粒，分别替代相应尺寸区间内的天然骨料。表6. 级配替代方法。替代类型级配范围（mm）NA2.36-4.754.75-9.59.5-13.213.2-1616-1919-26.5单粒径2.36-4.756级配2.56101320对于轻质骨料，采用了五种替代率——0%、25%、50%和100%——并在所有混合物中使用了固定的5%水泥剂量作为稳定剂。为了考虑SSLA和天然骨料之间的显著体积密度差异，所有替代都是在等体积基础上进行的，以确保科学有效性和结果的可比性。根据《公路工程无机粘结剂稳定材料试验方法》（JTG 3441-2024）制备了圆柱形试样（φ150 × 150 mm）和棱柱形梁试样（100 mm × 100 mm × 400 mm），试样制备过程如图19所示。单粒径和基于级配的替代试样均进行了7天无约束抗压强度（UCS）、90天劈裂抗拉强度和90天抗弯强度的测试。此外，在7天、28天和90天时测量了弹性模量，并在28天时评估了弹性模量，如图19所示。下载：下载高分辨率图片（889KB）下载：下载全尺寸图片图19. LA-HBM的制备过程和强度测试。4.2. 实验测试结果如图20所示，随着R-CBLAs替代比的增加，LA-HBM的机械性能逐渐退化。在7天养护后，单粒径试样的UCS从5.18 MPa（参考组）降至100%替代时的2.81 MPa，降低了45.8%，而基于级配的试样保持了3.11 MPa。下载：下载高分辨率图片（816KB）下载：下载全尺寸图片图20. 不同替代比下的HBLA机械性能。(a) 7天无约束抗压强度。(b) 90天劈裂抗拉强度。(c) 90天抗弯强度。在90天劈裂抗拉强度和抗弯强度中也观察到了类似的趋势。单粒径试样的劈裂强度下降了37.5%，而基于级配的试样下降了26.3%；抗弯强度分别下降了14.6%和8.0%。在100%替代时，基于级配的混合物在7天时的UCS为3.0 MPa，90天时的劈裂抗拉强度为0.58 MPa，90天时的抗弯强度为2.2 MPa。即使对于单粒径替代，90天时的抗弯强度也保持在2.0 MPa以上。总体而言，抗弯强度的下降幅度远小于UCS和劈裂强度的下降幅度，两种替代方法显示出一致的趋势。LA-HBM混合物中的模量参数退化更为显著。如图21所示，随着替代比的增加，所有养护龄期（7天、28天和90天）的压缩弹性模量均持续下降。在90天时，单粒径试样的压缩弹性模量从2507 MPa降至1562 MPa（降低了37.7%），而基于级配的试样下降幅度较小，为31.3%。28天时的弹性模量下降更为明显：单粒径试样从18,373 MPa降至9021 MPa（降低了50.9%），而基于级配的试样降低了11,597 MPa（降低了14.0%）。这表明基于级配的轻质骨料更有效地改善了混合物的内部骨架。下载：下载高分辨率图片（264KB）下载：下载全尺寸图片图21. LA-HBM混合物的模量特性。(a) 弹性模量。(b) 弹性模量。在100%替代时，基于级配的方法在28天时的弹性模量为1502 MPa，弹性模量为11,597 MPa。相比之下，单粒径替代导致28天时的弹性模量显著下降，降至9021 MPa，相对于基于级配的混合物降低了22%。4.3. 讨论4.3.1. 单粒径替代方法本研究表明，与传统HBMs相比，LA-HBM的机械性能退化主要由一种独特的材料-结构协同机制控制。从材料性能的角度来看，R-CBLAs的单个颗粒强度仅为相似粒径NA的30%-50%。这种显著的强度差异导致R-CBLAs颗粒在负载下优先断裂，使其成为混合物中结构上最薄弱的成分。此外，R-CBLAs颗粒的球形形态显著降低了不规则天然骨料（Ulusoy, 2023）中常见的机械互锁现象。从结构上看，图22(a)的截面图显示，在100%使用R-CBLAs替代的样品中，轻质骨料通常悬浮在水泥基质中。许多均匀分布的球形颗粒嵌入基质中，使得混合物的机械性能高度依赖于粘合剂相与R-CBLAs颗粒之间的界面粘结强度（Sha, 2008）。下载：下载高分辨率图片（858KB）下载：下载全尺寸图片图22. 样品截面。(a) 100%替代。(b) 部分替代。相比之下，图22(b)表明，在部分替代的混合物中，大尺寸的天然骨料仍然存在。它们不规则的几何形状通过点对点接触促进了稳定的骨架互锁。较小的R-CBLAs颗粒作为填充物，有效填充了颗粒间的空隙。同时，水化产物在界面过渡区形成了连续的三维粘结网络。这种骨架密集的配置显著提高了部分替代混合物的强度，强调了天然骨料骨架的承重功能以及R-CBLA作为填充物的协同增强效果。4.3.2. 骨料级配替代尽管实验数据显示单一尺寸的LA-HBM具有较差的机械性能，但优化骨料级配可以显著提高其强度和刚性。在基于级配的LA-HBM混合物中，粗骨料（13毫米和20毫米）形成主要的承重骨架，中等尺寸骨料（6毫米和10毫米）作为次级支撑，细骨料（2.5毫米）填充剩余的空隙。这种多级骨料系统显著提高了混合物的堆积密度（Cai等人，2025）。实验结果表明，在100%替代率下，级配优化的LA-HBM的强度和刚性比单一尺寸的混合物提高了约25%，这突显了合理级配设计在改善轻质骨料混合物结构性能方面的重要性。进一步分析揭示了多级系统增强机械性能的三个关键机制。首先，颗粒尺寸的连续级配提高了堆积密度并显著降低了空隙率（Liu等人，2022b）。其次，更平滑的级配过渡减少了局部应力集中。第三，由粗骨料和中等骨料形成的骨架促进了有效的载荷传递和分散，而细骨料通过填充间隙确保了连续性。这些发现为轻质骨料的工程应用提供了理论基础和技术指导。4.3.3. 建议根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017），对于使用R-CBLAs的水泥稳定基层提出以下技术建议：•对于交通量大的高速公路和一级公路路段，R-CBLAs的替代比例应限制在≤25%，以确保7天无损压缩强度（UCS）至少为4.0 MPa。•对于交通量大的二级及以下等级的公路，只有在实施优化级配设计以实现7天UCS≥3.0 MPa的情况下，才可行100%替代R-CBLAs。•为了满足不同交通荷载下基层和底基层的强度要求，R-CBLAs的替代比例一般应控制在75%以内，从而确保7天UCS≥3.0 MPa。•根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）第5.4.5条的规定，该条款概述了水泥稳定材料的抗弯强度和弹性模量要求，R-CBLAs的替代比例不应超过25%，以满足最低标准：抗弯强度≥2.0 MPa和90天弹性模量≥18,000 MPa。本研究的结果表明，通过科学控制的替代比例和合理的级配设计，LA-HBM可以满足不同公路等级和交通条件下的基层和底基层的机械性能要求。除了降低材料成本外，使用LA-HBM还显著促进了挖掘土壤的再利用，提供了环境和经济效益。通过高效回收建筑废料和工业固体废物，LA-HBM在保持良好工程性能的同时增强了可持续性。为了进一步推进实际应用，未来的研究应调查高替代率LA-HBM在服役条件下的长期性能，特别是动态加载下的水分稳定性和抗冻融性。这些研究将为建立LA-HBM材料的标准化设计和施工指南提供理论基础。总之，第4节强调，虽然将R-CBLAs加入水硬性混合物不可避免地会降低强度和刚性，但这些缺点可以通过优化的级配设计和控制的替代比例得到有效缓解。结果证实，LA-HBM具有成为道路基层和底基层建设中的经济高效、可持续且技术可行的替代材料的潜力。5. R-CBLAs的未来研究和应用前景5.1. 在道路工程中的潜在应用基于R-CBLAs的固有特性以及上述实验室和现场测试的结果，可以提出一种基于CBLA的路面结构系统，如图23所示。与传统设计相比，该系统优化了材料选择和结构层布置。下载：下载高分辨率图片（987KB）下载：下载全尺寸图片图23. 新型长寿沥青路面结构。(a) 传统材料。(b) R-CBLA。在这种结构中，LA-HBM和LA-Soil用于替代传统的稳定层、粒状基层和细粒级配的底基层。消除了路面垫层，形成了由表层、永久基层和永久底基层组成的三层结构。所提出的设计减轻了结构自重，同时提高了承载能力和耐久性，增强了与细粒土壤的兼容性，并简化了施工过程。它还提供了高资源利用和碳减排潜力，为长寿路面结构的设计和应用提供了有效支持。此外，R-CBLAs在道路、桥梁及相关辅助基础设施中具有广泛的应用潜力。潜在的应用领域包括但不限于图24所示的内容。•在高速公路、市政道路和农村公路中，LA-HBM的模量略低于传统的半刚性基层材料，同时保持了相当的抗弯强度。因此，它可以有效减少由于水分和温度变化引起的基层收缩裂缝，并帮助降低交通荷载引起的弯曲应力，从而降低疲劳裂缝的风险。此外，由于R-CBLAs颗粒大约25%的微孔性，LA-HBM具有良好的渗透性和水稳定性，适用于需要渗透性和结构完整性的排水结构，例如透水路面基层。这也支持了“以土代土”的利用原则，能够在不依赖传统沙子和砾石资源的情况下实现现场材料利用——在资源稀缺地区这一点尤为重要（图24(a)）。•在地下排水系统、渗透沟渠、排水垫层和中间带（图24(b)）等应用中，R-CBLAs可以部分或完全替代传统的粗骨料（颗粒尺寸>4.75毫米）。通过与沙子或沙质土壤按适当比例混合，它可以形成LA-Soil，这是一种具有优异渗透性的材料系统。这使其特别适合需要渗透性和稳定性的排水结构。此外，从中间带或路边沟渠挖掘出的当地土壤可以经过颗粒化、混合后回填现场，减少运输强度并实现现场资源再利用——符合现代排水系统的可持续、低碳和资源高效的发展目标。•R-CBLAs还可以部分替代传统粗骨料，用于制备轻质骨料波特兰水泥混凝土（LA-PCC），如图24(c)所示，这种混凝土可用于桥梁、路面、挡土墙、涵洞和侧沟等结构。R-CBLAs具有很强的可调性和低变异性，用它替代天然骨料显著减少了对外部沙子和砾石的依赖。颗粒尺寸和机械性能都可以精确调整以满足工程要求，从而实现LA-PCC的针对性设计。此外，R-CBLAs可以从路边沟渠或中间带的挖掘废料中现场生产，支持局部材料利用和辅助结构的现场施工——展示了高资源效率和环境适应性。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图24. CBLAs混合物的未来应用。(a) LA-HBM的潜在应用。(b) LA-Soil的潜在应用。(c) LA-PCC的潜在应用。5.2. R-CBLAs的未来挑战和发展5.2.1. R-CBLAs的未来挑战目前，CBLAs的生产主要还在实验室或小规模试点阶段。常用的圆盘、滚筒和挤出造粒设备的自动化程度较低，生产效率有限，难以满足大规模工程应用的需求。此外，传统的常温固化通常需要超过28天，进一步限制了工业生产效率。尽管一些国际努力探索了连续混合、挤出造粒和加速固化技术，但在整体设备系统方面尚未取得重大突破，这限制了集成和大规模生产线的开发。特别是，扩大挤出造粒过程的规模仍然是一个关键挑战，因为在连续生产条件下保持稳定的过程控制和一致的产品质量尚未完全实现。在工业层面，虽然R-CBLAs具有强大的市场潜力，但只有少数企业建立了大规模生产线，产品供应仍然局限于特定区域。考虑到运输半径短和骨料物流的成本敏感性，实现本地化、按需生产对于其更广泛的采用至关重要。然而，当前的工业部署落后于需求，生产能力与快速增长的工程需求之间存在显著差距，这是限制大规模应用的关键瓶颈之一。从材料角度来看，R-CBLAs的生产仍高度依赖水泥等胶凝剂。单位产出的高水泥含量限制了低活性工业固体废料的掺入比例，从而增加了生产成本，并削弱了其在资源回收和碳减排方面的优势。更重要的是，大多数当前的工程应用关注短期性能，而缺乏系统的长期服务监测。尽管国际上有一些长期案例研究，但对R-CBLAs及其混合物的耐久性理解仍然不足，特别是在饱和和重复水力荷载条件下的长期稳定性，以及其在冻融循环、化学侵蚀和其他复杂服务条件下的性能方面。因此，这种材料尚未达到工程界广泛认可的安全性和可靠性水平。因此，解决这些挑战需要有针对性的研究和技术创新。以下部分将讨论潜在的研究方向和可行的解决方案。5.2.2. R-CBLAs的未来发展基于当前的发展进展和已识别的挑战，未来对R-CBLAs的研究可以集中在几个关键方向上（图25）。下载：下载高分辨率图片（727KB）下载：下载全尺寸图片图25. R-CBLAs的未来研究方向。为了解决当前生产效率低和工业应用不足的挑战，首先需要克服制造过程和工业应用中的关键瓶颈。一方面，应加快大规模连续造粒设备和智能控制系统的开发，以提高生产效率和产品质量。另一方面，鉴于生产者数量和分布的局限性，需要建立一个以资源丰富区域为中心的区域集成生产系统。这将促进分散式、本地化的生产，帮助缓解由于运输半径短造成的供应限制。同时，应开发一个涵盖产品性能、应用方法和质量控制的综合标准系统，为工程规模的应用提供监管支持。未来的研究还可以利用数值模拟和实时监测技术来优化造粒机制并指导工业规模扩展。为了减轻对高水泥的依赖性和R-CBLAs的不足耐久性，系统优化其内在材料特性也至关重要，以确保可靠的工程应用。为了提高R-CBLAs的整体性能，应推广工业固体废料的利用。例如，通过开发基于粉煤灰、红泥或锂渣的低碳聚合物粘合剂来部分或完全替代水泥。这不仅减少了碳排放，还由于富含铝硅酸盐的成分而提高了化学耐久性。作为补充策略，可以在造粒过程中引入聚氨酯乳胶或环氧树脂等聚合物粘合剂，以提高骨料的韧性和耐久性。此外，加入聚丙烯纤维、纳米二氧化硅或石墨烯氧化物等微/纳米添加剂可以帮助抑制微裂纹扩展并优化水化产物结构，从而在宏观和微观尺度上实现协同增强。除了机械和耐久性的改进外，冷粘结过程的固有低碳特性使R-CBLAs特别适合推动碳中和目标。针对R-CBLAs的碳减排潜力尚未得到充分实现的挑战，与传统的高温烧结方法不同，R-CBLAs是在常温条件下使用胶凝性粘合剂形成的，无需高温燃料输入，从而显著降低了生产过程中的能耗和二氧化碳排放。如果将其与二氧化碳固化工艺结合使用，不仅可以加速早期强度的发展，还可以实现部分矿化和二氧化碳的封存——从而实现碳捕获和利用之间的协同效应。先进的表征技术（如SEM、XRD、FTIR）可以用来阐明矿化机制及其对强度发展的影响。鉴于目前缺乏系统的长期耐久性数据，R-CBLAs在复杂使用条件下的长期稳定性仍然是一个核心技术挑战，这限制了其的大规模应用。鉴于道路和桥梁环境的多样性和复杂性，迫切需要对R-CBLAs及其复合材料进行系统的长期性能研究。建议在实验室中进行加速老化测试（如冻融循环、湿干循环和盐雾腐蚀），并结合现场暴露测试，以评估在综合环境和载荷作用下的强度衰减、裂纹扩展和微观结构演变。这些结果应用于开发预测性使用寿命模型，并反馈到材料配方和加工阶段，形成一个测试-评估-优化的闭环，以持续提高R-CBLAs在服役中的适应性和可靠性。应开发考虑多种环境因素的耦合降解模型，并用现场监测数据进行校准。

6. 结论性意见
本研究系统地探讨了用于可持续道路建设的冷粘结轻质骨料（R-CBLAs）的制备方法、性能特点和工程应用潜力。通过将轻质骨料生产与道路材料应用相结合，提出了一种细粒土壤资源利用的工程途径。主要结论和建议如下：
- 冷粘结轻质骨料（R-CBLA）可以通过冷粘结工艺从各种细粒土壤中制备出来。R-CBLAs的结构完整性取决于造粒过程中的水分诱导塑性以及早期粘合剂水化之间的耦合。适当的水分含量（在MLLA系统中为7%–10%）有助于形成稳定的颗粒结构和水化产物的生成，从而形成致密的胶凝微观结构和稳定的颗粒强度（≥3 MPa），为其在道路路基和基层材料中的应用提供了结构基础。
- R-CBLAs的加入改变了细粒土壤的内部结构。当骨料含量为40%–50%时，混合物形成了骨架致密的结构，粗颗粒构成承载框架，而细颗粒填充空隙，使干密度最大化并提高承载能力，CBR和弹性模量可达到未经处理土壤的2.5倍。现场测试验证了LA-Soil路基改进方案的机械稳定性和施工可行性，表明在实验室规模建立的结构-性能关系在工程条件下仍然适用。
- 在LA-Soil路基中，R-CBLAs的加入减缓了冻融循环下的性能衰减，表现出快速衰减、逐渐衰减和最终稳定的阶段性特征。轻质骨料的多孔结构以及改善的界面紧密性限制了水分迁移，减少了孔隙水压的积累，从而限制了微裂纹的扩展，并提高了冻融条件下的结构稳定性。
- 尽管R-CBLAs的球形形态和相对光滑的表面减少了天然碎石骨料通常提供的机械互锁作用，但这种限制可以通过多尺度级配设计和水力粘结混合物（LA-HBM）中的适当替代比例来补偿。由此产生的骨料骨架提高了堆积密度和载荷传递能力，使R-CBLAs能够在合理的替代范围内参与路面基层材料的承载框架。
- R-CBLAs的现场生产和现场应用使得可以利用当地可获得的细粒土壤，减少了对天然骨料开采和长途运输的依赖。与碎石改良土壤相比，该材料系统可将材料成本降低高达87%，并将总建设成本降低约26.6%，为资源有限的地区提供了经济高效且可持续的道路建设解决方案。
为了充分实现本研究提出的概念，未来的研究应超越静态实验室规模的评估，扩展到在复杂耦合环境（如循环交通荷载与极端温湿度变化）下的长期耐久性评估。阐明将微观界面退化与宏观结构疲劳联系起来的多尺度失效机制仍是该领域的关键研究重点。此外，开发连续且智能的工业规模生产系统，以及区域适应性实施策略，对于将“土壤到土壤”的概念转化为具有韧性和广泛适用性的道路基础设施解决方案至关重要。

作者贡献声明
何振振：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、资源管理、方法论、正式分析、数据管理、概念化。
刘宇：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、验证、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
何玉琳：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、监督、正式分析、数据管理、概念化。
周成旺：撰写 – 原始草稿、软件开发、方法论、正式分析、概念化。
马佳佳：软件开发、方法论、数据管理。
冷振：撰写 – 原始草稿、可视化、监督、方法论、资金获取、正式分析、数据管理。

未引用的参考文献
Liu等人，2024d；Polito和II，2001。

利益冲突
作者与其他实体或研究人员没有利益冲突。

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