随着中国锂电储能产业的飞速发展，作为锂电池生产的主要原材料，碳酸锂已成为不可或缺的战略性资源^[1-2]。锂云母提锂是中国碳酸锂提取的重要途径，然而提锂过程中浸出渣产量极大，平均每提取1 t碳酸锂将产生30~50 t的锂渣^[3]，每年需投入大量资金修建锂渣堆存填埋场，加剧了人地矛盾。由于锂矿成分及提取工艺复杂，产生的部分锂渣中可能存在有害物质，如处理不当极易引发土地、水体污染^[4-5]，锂渣的处治利用问题已成为锂电产业发展的掣肘大碍。与此同时，在道路工程建设过程中存在着传统砂石料紧缺的问题，如能利用锂渣替代部分路基填料，不仅能实现锂渣的大规模利用，更能促进交通行业与锂电产业的高质量发展。

目前，将锂渣用作混凝土等建材使用是其最主要的研究方向^[6-9]。Amin等^[10]将锂渣分别用作20%，40%，60%的水泥替代材料，研究掺锂渣混凝土在28，90，180 d的性能，结果表明随着锂渣掺量的增加，混凝土的渗透空隙、渗透性、吸附率和孔隙率均随着时间而降低，从而改善了混凝土性能。Rahman等^[11]将锂渣作为补充胶凝材料，通过化学测试和微观结构分析，激发其火山灰活性，实现了对水泥的高掺量替换，减少了水泥生产所产生的CO₂排放。毛意中^[12]和毕丽苹^[13]研究发现，锂渣含有较多Na₂O和K₂O等碱性氧化物，可提升混凝土的抗氯离子渗透性能和抗耐磨性能，但会使混凝土的抗碳化性能和抗冻性能劣化。此外，由于锂渣在硅、铝成分上与黏土相似，也可用于制备人造骨料。董必钦等^[14]以锂渣为原材料，利用碱激发技术制备得到人造骨料，该骨料抗压强度可达5.25 MPa。上述研究表明，锂渣用作建材制造时的力学性能、耐盐耐腐蚀性能等方面的研究已较为成熟，而将锂渣应用于路基填筑的研究较为匮乏，需开展力学性能试验分析锂渣用作路基填料的适用性。同时，为控制锂渣中的有害物质浸出含量，路基应用前需对锂渣进行改良，在锂渣改良方式和改良效果方面还需开展深入研究。

本研究采用水泥、矿渣和粉煤灰^[15-18]作为稳定化固化材料对锂渣进行改良，通过加州承载比和无侧限抗压强度试验分析改良锂渣路基填料的力学性质。针对锂渣中存在的有害浸出物质(易溶盐和浸出离子)含量，分别测试改良锂渣在压实、破碎状态下的有害物质浸出含量，分析有害浸出物质的稳定化固化效果。最后，采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析改良锂渣的稳定化固化机理，综合论证锂渣用作路基填料的可行性。

试验所用的锂渣取自江西省宜春市锂电企业渣料场，呈棕灰色固体粉末状。将锂渣烘干后进行筛分，其粒径分布情况如图 1所示。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)测试锂渣的最大干密度、最佳含水率等基本物理性质指标，结果见表 1所示。采用X荧光衍射(XRF)测试锂渣主要化学组成，结果如表 2所示。根据有害物质浸出试验测得锂渣中易溶盐和浸出离子含量，结果如表 3所示。

图 1 锂渣粒径分布曲线 Fig. 1 Lithium slag particle size distribution curve

图选项

由图 1和表 1~3结果可知：锂渣的粒径均在5 mm以内，粗粒组颗粒含量较高；锂渣主要化学成分为SiO₂，Al₂O₃，CaO，SO₃等，相关氧化物为高温锻烧产物，在适当条件下可表现出火山灰活性；锂渣中易溶盐含量较高，属过盐渍土(含盐量＞6%)，不宜直接用作路基填料；锂渣浸出液中锰、铍、铊离子浸出含量较高，为主要浸出离子。因此，锂渣在工程应用前，需针对上述浸出物质开展稳定化固化改良。

本研究试验选用水泥、高炉矿渣粉和粉煤灰作为稳定化固化材料对锂渣进行改良。其中，水泥为P·O 42.5水泥，矿渣粉为S95级，粉煤灰为I级。采用XRF测试各材料的主要氧化物含量，结果如表 4所示。可知矿渣粉、粉煤灰与水泥成分相似，其主要氧化物成分为SiO₂和Al₂O₃，在一定碱性激发条件下可产生胶凝特性。因此，本试验将石灰作为碱激发材料掺入矿渣粉和粉煤灰中使用，矿渣粉/粉煤灰和石灰的质量比为4∶1。

(1) 加州承载比试验。按照JTG 3430—2020测定试样的加州承载比。本试验分别选用锂渣和4%固化剂掺量的改良锂渣进行测试，采用静压法成型ϕ152×170 mm的圆柱体试件，之后将试件浸水养护4 d，进行贯入试验，计算锂渣试件的加州承载比。

(2) 无侧限抗压强度试验。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)测定试样的无侧限抗压强度。根据设计配合比制备混合料，采用静压法成型ϕ100×100 mm的圆柱形试件，分别标准养生7 d后，进行抗压试验，得到锂渣的无侧限抗压强度。因试件在浸水一昼夜后容易出现松散，强度丧失，故养生龄期最后1 d均未将试件浸水，本试验所测强度均为试件的未浸水无侧限抗压强度。

(3) 有害物质浸出试验。锂渣的有害物质浸出测试项目分为易溶盐含量和浸出有害离子2类，试样品包括：按JTG E51方法成型养护的改良锂渣完整试件，记为LW；试件成型养护后，将试件人工破碎至颗粒状备用，得到改良锂渣颗粒，记为LP。

测定易溶盐含量。参照JTG 3430—2020测定锂渣的易溶盐含量。过程：称量完整LW样品质量，同时称取通过1 mm筛孔的烘干LP样品50~100 g，按液固比5∶1加入蒸馏水；将试样混合液放在振荡机上振荡3 min，获取清亮滤液；吸取待测清液50 mL，置于已知质量的瓷蒸发皿上蒸干，称重；计算易溶盐含量为：

(1)

式中，X为易溶盐含量；m为浸出液干土样质量；m₁为蒸发皿+盐的烘干质量；m₀为蒸发皿质量。

测定浸出离子含量。参照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ 557—2010)分别制备LW试样和LP试样浸出液。过程：称量完整LW样品质量，同时称取通过3 mm筛孔的的烘干LP样品20~100 g，按液固比10∶1加入浸提剂；将试样混合液置于振荡设备上振荡至规定时间；过滤并收集浸出液用于测试。根据《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)和《工业废水铊污染物排放标准》(DB 36/1149—2019)规定，分别采用原子吸收分光光度法、电感耦合等离子体质谱法测定浸出液中的浸出离子含量，结合相关规范要求，综合评价试样的稳定化固化效果。

(4) XRD分析。采用岛津XRD-6000射线衍射仪进行锂渣矿物成分测定。取成型待测试件内芯敲成碎块，置于三头玛瑙研磨机上磨细，同时用过量无水乙醇湿磨试样，然后真空抽滤试样浆料，放入真空干燥器内充分干燥备用。

(5) SEM分析。采用日立SU3800型电子扫描显微镜进行锂渣微观结构分析。将成型试件在高温炉中恒温烘干8 h，去除试件表面被碳化的皮层，在内部取一部分敲成小块试样，然后在真空镀膜机内对试样进行喷金镀膜处理，镀膜后直接放在样品台上进行测试。

按锂渣与水泥/矿渣粉/粉煤灰按质量比24∶1的比例分别成型改良锂渣加州承载比试件，同时设置锂渣原材对照组，养护成型后测得各试件的加州承载比如图 2所示。由图可知，锂渣试件的加州承载比可达62.2%，远高于公路路基填料的技术要求。其主要原因为锂渣中含有部分CaO，通过水化硬化反应可增强锂渣材料强度。随着固化材料的掺入，体系中CaO，SiO₂，Al₂O₃含量增加，改良锂渣的加州承载比进一步提升，其中水泥改良试件提升35.4%，矿渣粉改良试件提升22.1%，粉煤灰改良试件提升8.5%。测试结果表明锂渣用作路基填料使用时，可满足各结构层的加州承载比要求，掺入稳定化固化材料后，填料加州承载比强度进一步提升。

图 2 锂渣和改良锂渣加州承载比 Fig. 2 California bearing ratios of lithium slag and improved lithium slag

图选项

将3种稳定化固化材料(水泥、矿渣粉、粉煤灰)分别按2%，4%，6%，8%，10%的掺配比例掺入锂渣中，制备成型3×5组改良锂渣试件，同时成型1组锂渣原材料试件进行对照，测得锂渣及改良锂渣的无侧限抗压强度结果如图 3所示。由图可见，未掺固化材料时，试件的无侧限抗压强度约为0.5 MPa；当固化材料掺入量为2%时，试件的抗压强度增长较慢；当固化剂掺入量超过2%后，试件的抗压强度增长速度加快。3组改良锂渣试件中，粉煤灰改良锂渣试件强度增长最慢，最大抗压强度约为锂渣试件强度的4.7倍；水泥改良试件前期强度增长速率与粉煤灰接近，当水泥掺量超过8%后，强度快速上升，最大可达锂渣试件强度的11.1倍；矿渣粉改良试件强度增长最为明显，最大时抗压强度约为锂渣试件的17.4倍。

图 3 锂渣和改良锂渣无侧限抗压强度 Fig. 3 Unconfined compressive strengths of lithium slag and improved lithium slag

图选项

当稳定化固化材料的掺量为4%时，矿渣粉改良锂渣的无侧限抗压强度高于水泥，与加州承载比测试结果不一致。这是由于加州承载比是试件在浸水条件下养生4 d后进行测试的，而无侧限抗压强度是试件标准养生7 d后未浸水直接测试的，2组试验的养生环境和龄期均不相同。同一标准养生天数下，矿渣改良锂渣试件中的水化产物多于水泥，但试件浸水后能够加速水泥的水化速率、增加水化产物，而矿渣粉改良锂渣试件中的水化产物变化不大。

将锂渣用作路基填料时，除应保证其力学强度性能之外，还需防范锂渣中的有害物质浸出风险。根据原材料测试结果可知，锂渣中的易溶盐及其浸出液中铍、锰、铊离子含量较高，可能会对路基及周边环境产生影响，为锂渣特征污染项目。为此，在锂渣中分别掺入2%，4%，6%，8%，10%的稳定化固化材料，制备成型3×5组改良锂渣LW试件和LP试件，同时成型1组锂渣原材料LW试件和LP试件进行对照，分析评价不同稳定化固化材料对锂渣的改良效果。

各试件的易溶盐含量测试结果如图 4所示。由图 4(a)可知，压实成型后的锂渣试件易溶盐含量相较于锂渣颗粒时减小2.5%，掺入固化材料后，改良锂渣试件中的易溶盐含量继续降低，最低可降至1%左右。其主要原因是锂渣中的易溶盐与固化材料发生反应，在渣体表面固化生成凝胶物质，生成的凝胶物质可将锂渣包裹，进一步阻隔了内部盐分的溶出。由图 4(b)可知，将改良锂渣试件破碎至颗粒状后，锂渣表面的凝胶发生破坏，渣体裸露表面积变大，故盐溶出量升高。此时，各组试件易溶盐含量约上升近3%，通过调节固化材料掺入量，可使锂渣易溶盐含量达到路用环保要求，3种固化材料的固盐效果排序依次为矿渣粉、水泥、粉煤灰。

图 4 锂渣和改良锂渣易溶盐含量 Fig. 4 Soluble salt contents in lithium slag and improved lithium slag

图选项

各试件浸出液中铍、锰、铊离子含量测试结果如图 5所示，由图可知，锂渣压实成型后，各离子浸出含量均已降至目标含量以内，且含量较低。随着固化材料的掺入，当固化材料掺量仅为2%时，各离子浸出含量已基本稳定。改良锂渣试件破碎至颗粒状后，锰离子浸出含量波动幅度较小，表明其固化效果良好；铍离子浸出含量上升明显，最大可达5.5 μg/L，已超出目标含量要求，增大固化材料掺量至6%后，铍离子的浸出含量基本稳定。铊离子浸出含量受固化材料影响较大，当固化材料掺量为10%时，粉煤灰改良试件的铊离子浸出含量是水泥、矿渣粉改良试件的4倍，仍临近规范限值，这表明粉煤灰对铊离子的改良效果较差。

图 5 锂渣和改良锂渣离子浸出含量 Fig. 5 Ions leaching contents in lithium slag and improved lithium slag

图选项

锂渣及8%固化剂掺量的改良锂渣试件的XRD图谱如图 6所示。由图可知锂渣的主要物相成分是蓝方石、钾长石、石英，与氧化物成分分析结果相吻合。掺入稳定化固化材料后，3种改良锂渣的XRD变化趋势基本相近，均出现了石膏和水化硅酸钙的衍射峰，而蓝方石和钾长石的衍射峰均明显减弱。

图 6 锂渣和改良锂渣XRD图谱 Fig. 6 XRD patterns of lithium slag and improved lithium slag

图选项

锂渣及8%固化剂掺量的改良锂渣试件的形貌图如图 7所示。图 7(a)为锂渣在10 000倍电镜下的扫描照片，锂渣颗粒表面较为平整，凝胶状水化产物较少，体系中存在着大量未水化颗粒。图 7(b)、(c)、(d)分别为水泥、矿渣、粉煤灰掺量为8%时的改良锂渣试件在10 000倍电镜下的扫描照片。由于固化材料中存在大量CaO，其水化后生成的氢氧化钙可与锂渣中的硫酸盐、硅酸盐发生反应，生成石膏、水化硅酸钙等二次水化产物^[19]。此时锂渣颗粒表面均被大量棒状颗粒、胶凝物质包裹形成了致密结构，极大优化了骨料界面。同时，由于骨料间相互黏结，进一步缩短了颗粒间的距离，使得材料的整体致密程度得到提升。由电镜图像可以看出相较于水泥改良试件，矿渣改良试件表面的包裹物质分布更加致密；粉煤灰改良试件的包裹物质则较为稀疏，多数锂渣尚未被包裹而裸露在外，水化反应并不彻底。这表明矿渣对锂渣的固化效果最好，水泥次之，粉煤灰固化效果最差，这与改良锂渣强度、有害物质浸出规律一致。

图 7 锂渣和改良锂渣试件SEM图 Fig. 7 SEM images of lithium slag and improved lithium slag specimens

图选项

采用水泥、高炉矿渣粉及粉煤灰作为稳定化固化材料对锂渣进行改良，分析了改良锂渣的力学性能及污染物质浸出规律，论证了改良锂渣用作路基填料的可行性。

(1) 锂渣可与掺入的稳定化固化材料发生反应，在其表面生成石膏、水化硅酸钙等凝胶物质，提高锂渣的强度与密实度，降低有害物质浸出含量。

(2) 锂渣原材料加州承载比可达62.2%，无侧限抗压强度约为0.5 MPa。掺入4%不同类型的固化材料后，改良锂渣的加州承载比分别提升了35.4%，22.1%，8.5%。掺入固化材料后，改良锂渣的抗压强度也随之增大，最大抗压强度可分别达到锂渣强度的11.1，17.4，4.7倍。

(3) 锂渣压实成型后，易溶盐含量由8.79下降至6.29%，掺入固化材料后，易溶盐含量最低可降至1%。将成型的试件破碎后，各组试件易溶盐含量普遍上升约3%，此时，固化材料掺料需达到8%以上方能满足规范限值要求。3种固化材料的固盐效果排序依次为矿渣粉、水泥、粉煤灰。

(4) 锂渣压实成型后，各离子的浸出含量明显降低，此时仅掺入2%的固化材料，即可使离子浸出含量达到稳定。将成型的试件破碎后，锰离子仍固化稳定；铍离子浸出含量最高上升至5.5 μg/L，增大固化材料掺量至6%后可使铍离子固化稳定；铊离子浸出含量受固化材料影响较大，相同掺量下粉煤灰改良锂渣的浸出浓度最大可达水泥、矿渣粉改良锂渣的4倍，粉煤灰对铊离子的改良效果较差。

本研究仅分析了锂渣改良后的短期路用效果，后续研究中将进一步对改良锂渣的长期耐久性能进行分析，为锂渣路基的工程安全、环保应用提供保障。经测算，如采用锂渣填筑路基时，可节省的砂石料采购费、锂渣占地及环保税费等远高于锂渣改良所需费用，经济效益显著。