未煅烧废弃混凝土粉末与矿渣协同固化铅污染土壤的多尺度机制：从分子动力学模拟到实验验证

针对固体废弃物堆积和铅污染土壤导致的资源浪费与环境污染问题，研究人员通过未煅烧废弃混凝土粉末（WCP）与粒化高炉矿渣（GGBS）协同固化技术，揭示了多尺度固化/稳定化（S/S）机制。实验表明，WCP-GGBS体系通过形成C-(A)-S-H凝胶（钙（铝）硅酸盐水合物）显著降低孔隙率，将Pb迁移量从85.2 mg/L降至0.38 mg/L，并提升力学强度。分子动力学模拟阐明了Pb2+和Pb(OH)3-通过PbSiO3生成及Si-Al链配位稳定的纳米级机制，为固废资源化与污染土壤修复提供了绿色解决方案。

　　

随着城市化与工业化的快速发展，固体废弃物堆积与重金属污染土壤已成为全球性环境挑战。铅（Pb）作为高毒性重金属，通过采矿、电池生产等活动进入土壤，威胁生态系统和人类健康。传统修复技术如生物修复或水泥固化存在成本高、能耗大等问题，而废弃混凝土粉末（WCP）和粒化高炉矿渣（GGBS）等固废的资源化利用为绿色修复提供了新思路。然而，WCP的活化通常依赖能耗高的煅烧工艺，且多尺度固化机制尚不明确。为此，中国科学院的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，通过实验与分子动力学模拟（MD）结合，揭示了WCP-GGBS体系对铅污染土壤的高效稳定化机制。

研究采用无外加碱活化策略，通过力学性能测试、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）及扫描电镜-能谱（SEM-EDS）等技术，分析了固化体的强度、Pb浸出特性及微观结构；同时构建C-(Pb)-S-H和黏土矿物界面模型，模拟不同Ca/Si比、Pb形态下的相互作用。

材料与方法
研究以武汉建筑工地土壤为基材，掺入Pb(NO₃)₂模拟污染，WCP与GGBS按不同比例混合。通过无侧限抗压强度（UCS）、毒性浸出（SPLP）及连续提取（BCR）评估性能，结合XRD、FTIR和SEM-EDS分析产物；MD模拟则聚焦Pb²⁺和Pb(OH)₃^-在C-(A)-S-H凝胶中的固定路径。

研究结果

1. 力学性能与Pb固定效果：70% WCP+30% GGBS（占土壤质量15%）组合使90天UCS达2.68 MPa，Pb浸出量降至0.38 mg/L，优于单一材料。
2. 产物表征：C-S-H和C-A-S-H凝胶为主要固化相，通过包裹、离子交换（Ca²⁺/Pb²⁺）及吸附固定Pb，SEM显示凝胶填充孔隙降低迁移性。
3. 分子机制：MD表明Pb²⁺易与Si-Al链形成PbSiO₃，而Pb(OH)₃^-通过Ca²⁺离子对和配位结构稳定；高Ca/Si比提升弹性模量与相互作用强度。

结论与意义
该研究首次提出WCP-GGBS无碱活化体系，通过实验与模拟阐明了Pb在多尺度下的固定机制：宏观上凝胶产物改善力学性能与孔隙结构；微观上Pb形态依赖化学键合与空间限域。成果为固废协同处理污染土壤提供了理论支撑与技术路径，推动低碳环境修复发展。