转炉炼钢渣（Geotizer?）在河流防洪工程中的环境安全性评估：预养护与碳酸氢盐中和协同抑制pH升高的机制研究

本研究针对转炉炼钢渣（Geotizer?）在河流护岸工程应用中因Ca(OH)2溶出导致水体pH升高的问题，通过静态与动态柱实验结合数学模型，揭示了预养护工艺促使C-S-H凝胶生成及碳酸氢盐（HCO3-）中和作用的协同调控机制。研究表明经14天养护后 effluent pH可稳定至7.2-7.8，为工业副产物资源化利用提供了环境安全性的科学依据。

　　

随着气候变化导致暴雨事件频发，河流堤防溃坝灾害日益严重，日本近年相继发生鬼怒川（2015年）、千曲川（2019年）和球磨川（2020年）等重大洪灾。传统护岸修复材料面临成本高、资源消耗大等问题，而转炉炼钢渣（Geotizer?）作为工业副产物，虽在软基加固领域广泛应用，但其碱性组分溶出可能导致水体pH值升至11-12，严重制约其在河流工程中的应用。如何平衡材料力学性能与环境安全性，成为实现资源化利用的关键瓶颈。

为系统评估Geotizer?的环境适应性，日本大分工业高等专门学校的Higashino团队通过创新性的实验设计与数学模型，在《Environmental Technology》发表了突破性研究成果。研究采用实验室静态浸泡实验（2L玻璃烧杯）和动态柱实验（20L聚乙烯容器），分别模拟静水与流动水体条件。通过配伍硅砂/风化花岗岩砂（体积比15:85），测定不同养护周期（0/7/14/28天）下渗出液pH变化，并利用X射线衍射（XRD）分析物相组成。建立氢氧根离子（OH^-）扩散通量模型，结合施密特数（Sc）、剪切速度（U_*）等参数定量预测pH变化，最终通过大分川/小野川实际河水验证模型可靠性。

静态实验结果显示：纯Geotizer?组（Run1）pH达11.0-12.0；覆盖硅砂（Run2）或风化花岗岩砂（Run3）后显著降低；混合组（Run4）降幅较小。证明覆盖层可有效阻隔OH^-溶出。

动态水流实验发现：使用去离子水时（Run5）渗出液pH为10.7-11.8；改用自来水（HCO₃^-=65 mg/L）后（Run6）降至8.3-9.6；替换风化花岗岩砂（Run7）进一步降至7.4-8.2。证实碳酸氢盐中和作用的关键性。

养护时效研究表明：7天养护（Run8）使pH降至7.6-8.3；14天养护（Run9）达7.2-7.8，与自来水pH（≈7.3）持平；28天养护（Run10）稳定在7.4-7.6。XRD分析显示portlandite（Ca(OH)₂）含量从0.18wt%（未养护）降至0.01wt%（28天养护），证实C-S-H凝胶生成抑制OH^-释放。

数学模型成功模拟不同工况下pH变化，关键方程揭示：扩散通量J与剪切速度U_*成正比，与Sc^-2/3成反比；下游OH^-浓度受HCO₃^-中和作用调控。实际河水验证（大分川HCO₃^-=95 mg/L，小野川55 mg/L）显示渗出液pH均维持在7.51-7.80，与预测高度吻合。

工程应用模拟表明：当河流碳酸氢盐浓度>10 mg/L时，即使流量低至3 m³/s，Geotizer?护岸工程对下游pH影响可忽略不计。全球罕见HCO₃^-<10 mg/L的河流（多属火山/矿区酸性河流），证明材料普适性。

本研究通过多尺度实验验证与理论建模，首次阐明预养护工艺与天然碳酸氢盐协同调控机制，为工业副产物在环境敏感区的安全应用提供双保险策略。不仅破解了Geotizer?河流应用的环保瓶颈，更开创了"材料-流体-化学"多界面反应定量预测模型，对推动循环经济发展和可持续水利工程建设具有重要指导意义。