纳米改性低碳过硫酸盐水泥高效稳定疏浚淤泥的研究

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Efficient stabilization of dredged sediment by combining nano-modification and low-carbon supersulfated cement

本研究针对疏浚淤泥(DS)处理难题，通过碱激发和纳米改性技术开发了三种以工业固废为原料的过硫酸盐水泥(SSC)，系统评估了其稳定效率及机理。结果表明，NaOH活化和纳米SiO2(NS)/Al2O3(NA)复合改性可显著提升SSC稳定DS的强度，最优NS/NA配比下强度优于普通硅酸盐水泥(OPC)，且电解锰渣基SSCE稳定体浸出毒性达标。微观分析揭示了C-S-H凝胶和钙矾石(AFt)协同增强机制，为工业固废与DS协同资源化提供了理论支撑。

　　

随着沿海地区城市化进程加速，港口建设和航道疏浚工程产生了大量高含水率、低强度的疏浚淤泥(DS)。这类特殊软土富含黏粒和有机质，其流动状态导致运输成本高昂、堆存占地广阔，严重制约资源化利用。传统水泥固化技术虽广泛应用，但普通硅酸盐水泥(OPC)生产伴随高碳排放，且处理高含水率DS时需大量掺入，效率低下。开发低碳高效的新型固化材料成为推动绿色可持续发展的关键突破口。

过硫酸盐水泥(SSC)以粒化高炉矿渣(GGBS)和硫酸盐固废为主要原料，具有低能耗、低成本优势，但其早期强度低、对DS稳定效率不明。为此，云南大学研究团队在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》发表研究，通过碱激发与纳米改性协同策略，系统评估了三类硫酸盐固废（电解锰渣EMR、磷石膏PG、脱硫石膏DG）制备SSC的稳定性能，揭示了微观机制并构建了应用模型。

研究采用机械性能测试与微观分析相结合的技术路径。通过无侧限抗压强度(UCS)试验评价碱激发剂NaOH（5%-20%）和纳米材料（NS、NA单掺及复掺）对SSC稳定DS强度发展的影响；采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和热重-微分热重(TG-DTG)分析水化产物和微观结构；参照中国标准HJ/T 299-2007对EMR基SSCE稳定体进行重金属和氨氮浸出毒性评估。

3.1 碱激发效应

NaOH可显著激活GGBS-EMR/PG/DG体系的水化反应。当NaOH掺量≥15%时，三种SSC稳定DS的强度均超越OPC组，其中SSCE和SSCP需20%NaOH达到最优，而SSCD在15%时强度最高。差异源于硫酸盐固废中CaO、Al₂O₃等活性组分含量不同，影响AFt和C-S-H凝胶生成量。

3.2 纳米改性效应

单掺NS或NA可通过纳米填充和诱导水化提升强度，但存在最佳掺量阈值（NS：4%-10%；NA：6%-10%）。复掺NS/NA（总掺量6%）呈现协同效应，SEDS、SPDS和SDDS的最优NS/NA质量比分别为7:3、3:7和3:7，其强度均优于单掺组，且28天强度较OPC组提升39.8%-79.4%。

3.3 浸出毒性

尽管原始EMR中锰和氨氮浸出浓度超标，但SSCE稳定体及纳米改性组的重金属浸出量远低于GB 5085.3-2007限值，证实固化体环境安全性。

3.4 物相与微观结构

XRD和SEM显示，水化产物以C-S-H凝胶和AFt为主。NS促进C-S-H生成，NA加速AFt形成，复掺组则形成致密网络结构。TG-DTG进一步验证100°C-280°C区间为凝胶和AFt分解失重段，与强度发展规律一致。

4.1 化学活化机制

NaOH提供OH^-破坏GGBS玻璃体，释放Ca²⁺、Al³⁺和SiO₄^4-，与硫酸盐固废溶出的SO₄^2-反应生成C-S-H凝胶和AFt。AFt的吸水肿胀效应可填充孔隙，增强密实度。

4.2 纳米改性机制

纳米材料通过填充孔隙、诱导水化产物成核及直接参与反应（NS与Ca(OH)₂生成C-S-H，NA与SO₄^2-形成AFt）提升稳定性。复掺时二者协同优化微观结构。

本研究证实纳米改性SSC可替代OPC用于DS固化，强度满足路基材料标准（T/CECS 737-2020），为工业固废与DS协同资源化提供了技术范式。未来需关注碱性活化剂环境影响、材料成本优化及复杂环境下的长期耐久性。