磷石膏在碳化物渣活化的高炉矿渣稳定疏浚土中的潜在应用

《Sustainable Materials and Technologies》：Potential utilization of phosphogypsum in carbide slag activated ground granulated blast-furnace slag stabilized dredged soil

疏浚土通过钢渣-电石渣-磷石膏协同稳定化的力学性能与机理研究。采用CS-GGBS-PG复合体系，发现PG含量增至70%时试件强度达2209kPa峰值，但随含量继续增加强度下降。机制分析表明高含水率下孔隙结构发育促进钙矾石填充，形成致密结构；而低含水率时钙矾石膨胀导致破坏。该体系兼具环保优势（碳足迹降低）与工程适用性，为高湿疏浚土资源化提供新方案。

　　在水体环境中，如河流、湖泊和港口，每年都会进行疏浚作业，以确保航道的通畅并减少环境污染。这一过程会产生大量的海洋沉积物、河泥及其他疏浚材料。据估计，全球每年产生的疏浚材料已超过数亿吨，并且这一数量仍在持续增长。传统的处理方式，如海洋倾倒和填埋，仅能处理一部分非污染性泥沙，同时存在资源利用效率低、可持续性差等问题。因此，寻找一种资源利用效率高、可持续性强的处理方案显得尤为重要。目前，疏浚材料被广泛用于作为水泥结合剂或稳定填埋材料，用于基础工程，这种做法不仅提高了施工效率，还改善了处理效果。此外，经过处理的疏浚材料还可作为可再生资源，应用于路基回填和建筑材料中，从而缓解基础设施项目中对天然骨料的需求。

在处理高含水率疏浚材料方面，水泥稳定技术被广泛应用。该技术通过添加固化剂，使泥沙产生类似凝胶的水化产物，促进土壤颗粒之间的结合。通过水泥化作用和人工结构框架的形成，软质黏土的工程特性得到显著改善。许多研究已经探讨了水泥稳定黏土的强度、压缩性、渗透性和微观结构特性。然而，水泥的生产过程面临高能耗、高碳排放和空气污染等问题，促使人们迫切寻求成本效益高、低碳排放的替代方案。碱激发材料因其早期强度发展特性而被越来越多地视为水泥的可行替代品。这类材料通常由碱激发剂和铝硅酸盐前驱体组成。粒化高炉矿渣（GGBS）作为一种铁生产副产品，具有较高的火山灰活性，常被用作前驱体。而钙 carbide 粉末（CS）则作为一种碱激发剂，能够有效激活 GGBS 的潜在反应性。与氢氧化钠和硅酸钠相比，CS 具有更环保的优势，同时在储存、运输和成本方面也更具可行性。已有研究表明，石灰、水泥、GGBS、粉煤灰和石膏等材料可以生成水化产物如钙硅酸盐水化凝胶。然而，以往的研究主要集中在有限的、成本较高的工业副产品上，而忽视了大量具有低胶凝潜力和较差工程性能的工业废料。

在当前的处理方式中，大量工业废料因胶凝潜力低和工程性能差而被填埋。已有研究表明，磷石膏（PG）是其中最易回收利用的工业副产品之一。目前，PG 的主要处理方式仍为堆存或海洋倾倒。PG 是磷肥生产过程中产生的副产品，其主要成分与天然石膏相同，均为二水合硫酸钙（CaSO?·2H?O）。然而，PG 具有酸性，并含有微量杂质如磷、氟及其他元素。当 PG 用于替代天然石膏时，会在水化过程中生成硫铝酸钙（ettringite）。在压实的路基材料中，硫铝酸钙的形成通常被认为是不利的，因为低含水率和有限的孔隙空间会限制其生长和体积膨胀，从而导致水泥化失败，降低材料的力学性能并引发结构裂缝。相反，在高含水率、孔隙空间充足的情况下，硫铝酸钙主要起到填充孔隙和增强微观结构的作用。因此，从理论角度来看，将 PG 与碱激发材料结合使用，是一种处理高含水率疏浚材料的可行方式。

在已有研究中，Wan 等人探讨了红泥与 PG 在不同含水率和水泥含量条件下用于疏浚材料稳定的效果，发现 PG 带来的硫铝酸钙填充效应在高含水率条件下更为显著。随着含水率的降低，硫铝酸钙的积极作用减弱，并被水泥化和破坏效应所取代。Zeng 等人提出将 PG 与水泥结合使用，以提高疏浚材料的无侧限抗压强度，他们的研究结果表明，PG 能够有效提升疏浚材料的无侧限抗压强度和刚度，从而实现良好的工程性能。然而，大多数研究由于硫铝酸钙的膨胀特性，通常将 PG 含量控制在较低水平，这不利于 PG 的消耗。

本研究的目的是直接探讨使用 CS、GGBS 和 PG 来增强高含水率疏浚材料的性能，避免压滤脱水或干燥预处理。通过无侧限抗压强度（UCS）试验和固结不排水三轴压缩（CUTC）试验，评估了固化土壤的工程性能。同时，通过渗透性试验和核磁共振（NMR）分析，评估了固化土壤中孔隙结构的变化。采用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，以阐明 PG 在 CS-GGBS 系统中的作用机制。研究结果为工程实践中使用 CS、GGBS 和 PG 作为稳定剂，以改善疏浚材料提供了重要的参考依据。

研究使用的疏浚材料来自中国武汉的一条河流，由于有机物含量较高，呈现出灰黑色。该土壤溶液的 pH 值约为 6.7，表明其弱酸性与有机成分有关。天然含水率范围在 160% 至 180% 之间，将该土壤归类为流塑性。根据 ASTM D4318（2014）标准，使用联合液塑限测定仪测量了该土壤的液限（60.0%）、塑限（38.7%）和塑性指数（21.3%）。这些数据为后续研究提供了基础，有助于理解疏浚材料的物理化学特性及其在不同处理条件下的表现。

无侧限抗压强度试验结果显示，固化土壤的强度随着 PG 含量和固化时间的变化而呈现不同的趋势。分析表明，固化时间、GGBS 含量和 CS 含量是影响固化土壤力学性能的关键因素。试验还表明，随着 PG 含量的增加，固化土壤的强度呈现出先上升、后下降、再反弹的动态变化趋势。在 10% GGBS 和 70% PG 的配比下，试件的最大强度达到了 2209 kPa。同时，随着 PG 含量的增加，土壤的内聚力和内摩擦角也逐渐上升，分别达到 131 kPa 和 25°。这些性能的提升归因于试件中颗粒之间的 C-S-H 键，这些键不仅增强了颗粒之间的凝聚力，还改善了多孔的硫铝酸钙结构，并放大了颗粒之间的摩擦力。此外，孔隙结构的变化和水化动力学是导致强度变化的主要原因。通过这种新型的水泥材料，可以有效解决疏浚材料强度不足和含水率过高的双重问题。

由于其成分主要来源于工业副产品，该系统相较于传统的石灰或水泥稳定方法，具有更低的碳足迹。这不仅有助于减少对环境的影响，还降低了整体的资源消耗。从环保和可持续性的角度来看，这种处理方式具有显著优势。因此，将 PG 与 CS 和 GGBS 结合使用，不仅能够有效提升疏浚材料的工程性能，还能够实现资源的高效利用和环境的友好处理。这种材料的应用前景广阔，尤其适用于需要处理大量高含水率疏浚材料的工程项目。同时，其较低的碳排放特性，使其成为未来绿色建筑材料开发的重要方向。

本研究通过系统的试验和分析，揭示了 PG 在 CS-GGBS 系统中的作用机制。试验结果表明，PG 在提高疏浚材料的强度和改善其微观结构方面具有积极作用。然而，由于硫铝酸钙的膨胀特性，其在高含量时可能会对材料的稳定性产生不利影响。因此，如何在保证材料强度的同时，控制 PG 含量以避免过度膨胀，是本研究关注的重点。通过优化 CS 和 GGBS 的配比，可以在一定程度上缓解 PG 的膨胀效应，从而实现材料性能的全面提升。此外，试验还发现，随着 PG 含量的增加，土壤的孔隙结构会发生显著变化，这种变化不仅影响了材料的渗透性，还对材料的强度和稳定性产生了深远影响。

在实际工程应用中，这种新型的水泥材料可以作为疏浚材料的稳定剂，用于基础工程和路基回填。其高含水率和多孔结构的特性，使其在处理过程中能够充分发挥作用，不仅提高了材料的强度，还改善了其工程性能。然而，如何在实际操作中控制 PG 的含量，使其在材料中发挥最佳作用，是需要进一步研究的问题。此外，该材料的制备过程和水化机制，也需要进一步优化，以提高其在实际工程中的应用效果。

本研究的结果不仅为工程实践中使用 CS、GGBS 和 PG 作为稳定剂提供了理论依据，还为相关材料的开发和应用提供了重要的参考。通过优化配比，可以有效提高材料的强度和稳定性，同时降低其碳足迹。这种材料的应用，有助于解决当前疏浚材料处理中面临的资源浪费和环境污染问题，为可持续发展提供了新的思路。此外，其较低的能耗和成本，也使其在实际工程中具有更高的可行性。

在当前的环保政策和可持续发展战略下，如何有效利用工业副产品，减少资源浪费和环境污染，已成为研究的重要方向。本研究通过系统性的试验和分析，揭示了 PG 在 CS-GGBS 系统中的作用机制，为相关材料的开发和应用提供了重要的理论支持。此外，该研究还发现，PG 在提高疏浚材料的强度和改善其工程性能方面具有显著优势，这为未来材料的优化和应用提供了新的思路。

在实际工程应用中，这种新型的水泥材料可以作为疏浚材料的稳定剂，用于基础工程和路基回填。其高含水率和多孔结构的特性，使其在处理过程中能够充分发挥作用，不仅提高了材料的强度，还改善了其工程性能。然而，如何在实际操作中控制 PG 的含量，使其在材料中发挥最佳作用，是需要进一步研究的问题。此外，该材料的制备过程和水化机制，也需要进一步优化，以提高其在实际工程中的应用效果。

本研究的结果不仅为工程实践中使用 CS、GGBS 和 PG 作为稳定剂提供了理论依据，还为相关材料的开发和应用提供了重要的参考。通过优化配比，可以有效提高材料的强度和稳定性，同时降低其碳足迹。这种材料的应用，有助于解决当前疏浚材料处理中面临的资源浪费和环境污染问题，为可持续发展提供了新的思路。此外，其较低的能耗和成本，也使其在实际工程中具有更高的可行性。

在未来的工程实践中，这种新型的水泥材料有望成为疏浚材料处理的重要手段。其较低的碳足迹和较高的资源利用率，使其在环保和可持续性方面具有显著优势。同时，其在提高材料强度和改善工程性能方面的作用，也为相关材料的优化和应用提供了新的方向。因此，这种材料的推广和应用，不仅有助于提高工程项目的质量，还能够为资源的高效利用和环境保护做出贡献。