通过混合设计-响应面方法开发多源固体废物流化固化淤泥土壤改良剂：应用与可持续性

《Environmental Research》：Development of Multi-Source Solid Waste Fluidized Solidified Mucky Soil Curing Agent Via Mixture Design-Response Surface Methodology: Application and Sustainability

通过协同活化工业固废并优化三元水泥基系统（GGBS-DG-WM）配比，开发出新型低碳固化剂SL-MCM，有效解决了海岸软黏土固结中的高碳足迹、低土相容性及流变-强度耦合问题。研究采用混合设计法（SCMD）确定材料配比，响应面中心复合设计法（RSM-CCF）优化水胶比（0.746）、分散剂含量（0.688%）和碱胶比（8.321%），最终实现强度提升8倍且碳减排显著。该技术通过C-S-H凝胶结合、AFt框架强化、碳酸钙填充及木质素磺酸盐胶凝机制协同作用，兼具环境友好性与工程适用性。

　　

郑伟军|余金|蔡艳艳|翁志宇

华侨大学化学工程学院，中国厦门361021

摘要

传统的基于水泥的固化剂在用于沿海淤泥土壤固化时面临诸多挑战，包括高碳足迹、与土壤的相容性差以及流动性与强度之间的权衡。为了解决这些问题，我们通过协同激活工业固体废弃物并优化性能参数，开发了一种新型低碳固化剂（SL-MCM）。这种三元胶凝体系（MCM）由磨细的高炉矿渣（GGBS）、脱硫石膏（DG）和造纸白泥（WM）组成，其比例通过单纯形-中心组合设计（SCMD）进行了优化。中心复合面中心法（RSM-CCF）用于分析水料比（R_w）、木质素磺酸盐（R_s）含量（R_s）和碱与固化剂比例（R_a）之间的相互作用。微观结构分析阐明了强度提升的机制。结果表明，SL-MCM显著改善了固化土壤的性能。在相同的固化条件下，最优的MCM配方（GGBS: DG: WM = 0.596: 0.188: 0.216）使强度提高了约8倍。这一显著提升证明了各组分之间的关键协同效应。关键优化参数为：R_w = 0.746，R_s = 0.688%，R_a = 8.321%。实验验证显示，实际结果与模型预测的偏差小于5%，表明该材料是一种稳健且可调的流化填充材料，适用于多种应用。在相同的固化剂用量和固化时间下，SL-MCM相比普通波特兰水泥（OPC）具有更低的成本和更低的碳排放。强度的提升源于：C-(A)-S-H凝胶的粘结作用、铁矾石（AFt）的框架强化作用、铝酸钙相的补充凝胶作用、CaCO3的颗粒填充作用以及SL诱导的团聚作用。本研究为开发绿色低碳土壤固化剂和利用沿海地区的固体废弃物提供了可行的实用方案。

引言

中国沿海的淤泥土壤具有高含水量、低渗透性、机械强度弱以及成分复杂的特点，这阻碍了其直接用于建筑（Jian-Feng等，2022；Zhang等，2025）。每年产生的淤泥土壤废弃物达数亿吨。传统的处置方法如倾倒或填埋会消耗土地资源并带来二次污染风险。此外，设备限制和有限的空间阻碍了浅层回填的压实质量（Ling等，2018；Ryu等，2015），导致在环境应力下性能下降。流化固化技术通过将废弃物淤泥与固化剂混合，制成可泵送的材料以实现资源回收，克服了这些挑战。其自平整和自压实特性提高了在受限空间（如一般路基回填、基坑）中的作业效率。然而，传统的基于水泥的固化剂（如OPC、石灰）存在局限性：高能耗和二氧化碳排放（Bildirici等，2019；Dan等，2023）（与碳中和目标相悖），与复杂的淤泥土壤化学成分相容性差，以及由于有机物和氯化物与钙离子结合而降低效果（Reza等，2022；Yang等，2024；Yupeng等，2022）。高含量的粘土会增加浆体粘度，降低分散剂的效果（Tang等，2020；Yufei等，2023），从而影响流动性和强度的优化。

工业固体废弃物因其胶凝特性和环境效益而受到越来越多的关注。在低碳固化剂中协同利用多种废弃物，为资源保护和污染减排提供了巨大潜力（Ge等，2025；Gu等，2024；Shaoyun等，2021；Zhao等，2025）。活性废弃物成分（如SiO2、Al2O3）会消耗水分并促进胶状产物的形成（Bull和Fall，2020；Chen等，2025）；城市垃圾焚烧灰与GGBS结合可生成增强强度的C-S-H和AFt相（Yang等，2024）；造纸白泥（富含CaCO3、Ca2+/Na+、碱）可作为水泥熟料的补充或碱激活材料（A.和Sukhoon，2023；Qin等，2015a；Qin等，2015b；Olga等，2022；Sarkar等，2017；Xue等，2024；Zhang等，2015），通过离子交换加速矿渣水化并形成致密微观结构（Sun等，2021）。此外，来自纸张废物的木质素磺酸盐作为一种耐粘土的有机聚合物，既能减少水分又能提供物理粘结（Breilly等，2021；Chaofan等，2023；Zhang等，2020）。Xia等（2025）成功利用固体废弃物开发了流化填充材料，实现了环境可持续性和成本效益的双重优势。因此，开发多废弃物流化固化剂用于淤泥土壤可以释放协同效益，并推进固体废弃物的资源化。

流化固化技术中的一个关键挑战是平衡关键性能参数。高水料比虽然提高了可泵送性，但会导致泌水、分层和28天抗压强度降低（Yongxiang等，2024）。当前的研究通常单独优化某些性能，例如通过添加剂改善工作性（Long等，2021；Yan等，2020）或使用响应面方法（RSM）优化强度（Jie等，2025；Xiaoshuang等，2022）。这种零散的方法忽视了多废弃物与沿海淤泥土壤的系统性分析，以及多种因素对整体性能的相互作用和多个性能指标的同时优化。传统的试错法在调整混合比例时存在较大的随机性和局限性。相比之下，混合设计能够高效评估各组分的比例（总和为100%），减少实验次数并避免孤立组分的测试（H.，1959）；RSM通过数学建模因子-响应关系来优化关键参数（Chelladurai等，2021）。此外，RSM已被证明是实现回填材料多性能目标优化的有效方法（Zhao等，2024）。结合这两种方法可以同时优化固化剂的组成和性能控制参数。

基于上述分析，本研究提出了一种综合方法，将多废弃物协同激活与性能参数优化相结合。首先，使用SCMD优化了GGBS-DG-WM三元体系的混合比例。随后，通过RSM-CCF响应面方法分析了R_w、R_s和R_a之间的相互作用效应，从而解决了流动性与强度之间的权衡问题，开发出了适用于沿海淤泥土壤的优化固化剂。微观结构分析阐明了强度提升的机制。我们对该固化剂的经济可行性、环境效益和工程适用性进行了全面初步评估。这项工作为淤泥土壤固化剂的研究与开发提供了新的见解，同时为沿海淤泥土壤的处理和大规模废弃物利用提供了可持续的解决方案，从而推动了低碳建筑的发展并支持碳中和目标。

原材料

测试土壤取自中国厦门的一个工程项目中的疏浚淤泥土壤。现场样品被密封在聚乙烯袋中并运输到实验室。GGBS（S95级）由龙泽净水材料有限公司（ Gongyi）提供。DG来自郑州洁威环保材料有限公司（河南），并在150°C下烘干2小时以提高反应性和一致性。WM是碱回收过程中的副产品

SCMD分析

实际比例和编码值（A：GGBS，B：DG，C：WM）如下：编码0表示0%，1/6表示2%，1/3表示4%，1/2表示6%，2/3表示8%，1表示12%。如图5所示，仅含GGBS、DG或WM的单一掺杂体系（第1-3组）均未表现出明显的强度提升。GGBS缺乏强度提升是由于碱激活不足，限制了其玻璃相的溶解并抑制了C–S–H凝胶形成的火山灰反应

结论

本研究通过多固体废弃物比例优化和性能参数设计，开发了一种专用于沿海流化固化淤泥土壤的固化剂。混合设计结合响应面方法建立了回归模型，证明了该方法的科学有效性和预测能力。同时，还对SL-MCM的经济成本和碳排放进行了初步评估。

CRediT作者贡献声明

余金：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。郑伟军：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，调查，数据整理。翁志宇：验证，资源获取。蔡艳艳：验证，资金筹集

未引用的参考文献

A和Sukhoon，2023；H.S.，1959；Qiyong等，2023。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52278351）的财政支持。