High-value reuse of coal gangue through fiber- reinforced pavement-base composites: Mechanical performance and model-based feasibility
本研究表明，在煤矸石—粉煤灰—水泥混合物中掺入0.6%的玄武岩纤维可优化用于路面基层应用的机械强度，同时数值模拟证实了该材料在道路工程中进行高价值固体废物利用的可行性。
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每年，全球煤炭工业都会产生惊人数量的剩余岩石和泥土，这种被称为“煤矸石”的废弃物，占从地下开采出的原煤总量的四分之一。这些材料通常被堆积成巨大的、难看的山堆，占用土地，污染土壤，甚至可能发生自燃。几十年来，工程师们一直在寻找将这种废物转化为有用之物的办法，通常是将其磨碎用于道路建设。然而，仅仅将这种碎石与水泥混合制成路基有一个缺陷：所得材料会变得很脆，这意味着在重型卡车反复的重压下容易产生裂缝。为了解决这个问题，研究人员开始尝试在混合物中加入微小的纤维，就像在混凝土中加入钢筋一样，以增强材料的韧性并提高其抗破碎能力。
来自中国和澳大利亚的一个研究小组致力于为这种新型道路材料寻找完美的平衡点。他们使用煤矸石、粉煤灰（一种来自发电厂的细粉）和水泥，并加入切断的玄武岩纤维，创造出了一种复合混合物。他们的目标是确定需要多少纤维，才能使路基既强韧又不会过于柔软或僵硬。他们测试了含有不同量纤维的混合物，范围从极少量到较高浓度，并进行了严格的实验室测试。他们挤压材料以观察其在破碎前能承受多大的重量，通过拉伸测试其抗裂性，并测量压缩后的回弹程度。他们还使用了强大的显微镜来观察材料内部的微观结构，并通过计算机模拟来观察由这种混合物制成的道路在现实世界交通条件下的表现。
实验揭示了使用纤维量的明确“黄金比例”。当研究人员加入少量的玄武岩纤维时，材料变得更强，但仅限于一定限度内。含有0.6%重量比纤维的混合物被证明是冠军，在抗压和抗拉测试中都达到了最高强度。在这个水平上，材料在养护28天后可以承受近14.5兆帕的压碎力，这比纤维含量较少或较多的混合物有了显著提升。有趣的是，添加超过这个最佳比例的纤维实际上会使材料变弱，这可能是因为纤维开始聚集成团，而不是均匀分布。虽然0.6%的混合物强度最高，但研究人员也发现了权衡关系：随着纤维量的增加，材料的刚性略有下降，这意味着它在负载下会比原来更具弹性。这表明，虽然纤维使道路更耐裂，但也使其具有了一定的柔韧性。
为了了解这种材料在实际高速公路上的表现，该团队构建了一个详细的三维计算机模型。他们模拟了一条四车道高速公路，其基层由他们表现最好的混合物组成，并观察了道路在车辆行驶下的沉降和反应情况。模拟显示，基层中纤维含量的变化对道路在交通压力下的沉降量影响微乎其微。无论纤维含量是0.2%还是0.8%，道路沉降的差异都很小。相反，模拟结果显示，车辆行驶的速度和交通载荷才是更重要的因素。当车辆行驶速度较慢时，道路沉降显著增加，因为沉重的载荷在同一位置停留时间较长，产生了更强的压力。相反，行驶速度较快时，沉降较少。同样，重型卡车造成的沉降比轻型车辆大得多。这表明，虽然材料本身非常坚固，但道路的行为更多地是由交通方式而非纤维含量的微小变化所驱动的。
通过显微镜观察，研究人员看到了这种混合物的神奇之处是如何运作的。煤矸石颗粒天然粗糙且形状不规则，为水泥提供了良好的抓握表面。随着混合物的老化，水泥和粉煤灰发生反应，形成了一种致密的胶状物质，填充了岩石颗粒之间的间隙。玄武岩纤维被发现嵌入在硬化的基质中，像微小的桥梁一样，在裂缝开始形成时起到支撑作用。图像显示，经过28天后，材料比仅一周时变得更加致密和坚实，空隙更少，各成分之间的连接也更好。这些微观证据证实，纤维不仅仅是停留在那里，而是积极地与水泥浆相互作用，以强化结构。
最终，这项研究为以高价值方式利用煤矸石提供了清晰的路径。通过找到所需的精确纤维量，工程师可以创造出强韧、耐用且能够应对重型交通，同时又不像传统材料那样脆弱的路基。研究表明，虽然成分的特定配比很重要，但我们的驾驶方式——特别是车速和车辆重量——对于道路随时间推移而保持稳固性的影响甚至更大。这项工作将一个巨大的环境问题转化为了一个实际的解决方案，提供了一种构建可持续基础设施的方法，使其既坚固又具备足够的韧性。
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