赤泥-电石渣-水泥固化铜镉污染土壤的固化机理与耐久性研究

《Waste Management》：Study on the solidification mechanism and durability of copper and cadmium contaminated soil stabilized by red mud-calcium carbide slag-cement

　　

•利用赤泥和电石渣开发了一种低碳胶凝材料用于水泥领域。
•该复合胶凝材料能有效固化并固定重金属离子。
•稳定化基质在恶劣循环风化条件下表现出抗降解能力。
•凝胶网络和相变演变共同控制孔隙细化与重金属捕获。

引言

中国快速的工业化和城市化进程推动了经济增长，但也带来了严重的环境问题，尤其是土壤重金属污染（Wu等，2022）。在城市重组和产业结构调整政策的推动下，许多高污染企业——如电镀、化工和农药制造厂——被陆续关停或搬迁，留下了大量富含有机物和重金属的工业场地（Peng等，2022）。此外，采矿和工矿企业排放、交通相关污染、化肥和农药过量施用、废水灌溉、电子废物拆解以及工业固体废物的随意处置等活动也显著加剧了土壤重金属污染（Yan等，2022）。

重金属是指密度大于5 g/cm3的金属及类金属元素（MathuMitha等，2021）。重金属污染是指由重金属或其化合物引起的污染。危害程度由污染场地中重金属的化学形态和浓度共同决定（Mao等，2019a）。土壤中重金属的危害主要体现在破坏土壤结构、对生态环境产生不利影响以及对动植物构成威胁（Zhang等，2016）。重金属还可通过食物链逐渐在人体中积累（Mao等，2019b）。此外，接触重金属污染土壤以及吸入受污染场地扬尘均可导致重金属进入人体并引发一系列严重疾病（Tan等，2016）。例如，铅中毒可导致癌症并引起人体畸形（Lanphear等，2024）；镉中毒可损害人体器官（Jomova等，2024）；锌中毒可干扰细胞代谢并造成神经损伤（Schoofs等，2024）。

鉴于重金属污染分布广泛且对生态环境和人类健康构成严重威胁，重金属污染土壤的修复已成为一项迫切优先事项。目前，常用的土壤修复技术主要包括物理法、化学法和生物法（Shi等，2020）。其中，化学固化/稳定化（S/S）技术因其高效性和实用性而被广泛应用（Shen等，2019）。该技术通过向污染土壤中加入固化剂，引发一系列物理化学反应，使重金属离子通过包封、吸附、离子交换或沉淀作用被固定化。从而降低其迁移性和生物有效性，实现土壤的稳定化和解毒（Tyagi和Annachhatre，2023）。该方法具有工艺简单、可操作性强、处理效果良好和成本低廉等优点，已成为重金属污染土壤修复的主流方法之一（Li等，2025）。

水泥等传统固化材料在生产过程中能耗高、碳排放量大，是全球温室气体的重要来源（Dunuweera和Rajapakse，2018）。为解决这一问题，利用工业副产品作为水泥替代品开发低碳或"全固废"胶凝材料已成为主要研究热点（Suo等，2021a）。在重金属修复领域，各种碱激发体系和工业残渣均表现出优异性能。例如，利用固废（如污泥、硅灰、粉煤灰和高炉矿渣）合成的地聚物和矿渣基胶凝材料已实现令人满意的无侧限抗压强度，对重金属（如Pb、Cd、Cu、Zn）的固定效率超过90%，同时显著降低了碳排放（Ahmadi Golabkharan等，2026；Hatefi等，2026；Khaksar Najafi等，2021；Rezapour Fashtali等，2024）。这些研究表明，工业副产品在平衡强度发展、重金属固定和碳减排方面具有巨大潜力。

在众多大宗工业固废中，赤泥和电石渣因其年排放量巨大、碱性强和堆放风险高而备受关注，同时二者展现出高度的理化互补性（An等，2022）。赤泥富含铁铝氧化物和铝硅酸盐，具有较大的比表面积和丰富的表面羟基，可通过特异性吸附、表面络合和共沉淀等作用有效固定Cu2?和Cd2?等重金属离子。然而，其致密的铝硅酸盐网络阻碍了自发水化和硬化。电石渣的主要成分为Ca(OH)?，可作为低成本的碱激发剂和钙源。其解离释放的高浓度OH?和Ca2?能有效解聚赤泥中的Si-O-Si和Al-O-Al网络，促进其重新聚合形成C-(A)S-H凝胶和水化硫铝酸钙（AFt），从而实现土壤基质的微孔填充和结构致密化（Shi等，2023）。因此，以赤泥和电石渣部分替代水泥共同稳定污染土壤，通过"以废治废"策略实现性能互补增强，产生显著的协同效应，同时促进结构增强、高效毒性固定和成本降低，凸显了这种可持续协同利用方法的实际应用意义。

由于具有独特的理化性质，赤泥和电石渣已被广泛应用于常规工程土壤的稳定和改良，旨在提高抗压强度、细化孔隙网络并抑制问题性和高膨胀土的体积膨胀（Abdipour等，2026；Mahmoudi等，2026；Mohammadi Darestani等，2025）。相比之下，其在重金属污染土壤修复中的直接应用此前研究较少。为挖掘其在环境管控方面的潜力，研究人员已逐步将赤泥和电石渣基胶凝材料拓展至毒性金属形态的化学固定领域。具体而言，赤泥基胶凝材料通过火山灰质凝胶包封和矿物表面吸附对铜污染土壤表现出优异的滞留性能（Suo等，2021b）。同时，电石渣激活的三元体系（如与偏高岭土和工业石膏混合）已被证明在固定Cu2?和维持基质完整性方面效果显著（Wang等，2023）。最近，研究人员开发了将赤泥和电石渣与高炉矿渣或磷石膏结合的多种固废固化剂，用于处理Cu、Cd或Pb严重污染的土壤，有效降低了重金属浸出率，降低了基质孔隙率，即使在酸性条件下仍保持稳健的结构稳定性（Chen等，2024；Zhang等，2025）。这些成果共同证实了采用赤泥-电石渣复合体系进行重金属固定的可行性和技术优势，为基于固废的环境修复奠定了必要基础。

在中国东北和西北等季节性冻土地区，固化/稳定化土壤面临以季节性冻融和蒸发驱动干湿循环为主的严酷气候风化。反复的冻胀和胀缩会破坏胶凝基质并扩展微裂纹，导致强度降低并增加二次金属浸出风险。因此，评估循环温湿耐久性对保障环境安全至关重要。近期研究表明，电石渣激活的胶凝材料可通过水化产物填充大孔并细化孔隙结构，有效抵抗冻融破坏，使湿陷性黄土和膨胀土在多次冻融循环后仍能保持高强度留存（Dokaneh等，2026a；Dokaneh等，2026b；Hatefi等，2025）。在干湿和多环境交替条件下，电石渣基体系与矿渣或工业尾矿结合也表现出优异的微观结构致密化特性，在土壤完整性和耐久性提升方面优于普通水泥（Wang等，2025；Ye等，2018）。此外，掺入赤泥的复合固化剂已被证明能抑制冻融和干湿循环期间的强度退化，同时保持高效的重金属固定（Wang等，2021）。这种化学固定与基质韧性的结合使此类工业固废胶凝材料非常适合在季节性冻土环境中用于污染地表的稳定化。为系统呈现相关研究的最新进展，表S1从原材料、强度演变、耐久性和重金属固定效率等多个方面对近期报道的低碳胶凝材料性能进行了总结和对比。

目前，虽然已有文献报道赤泥、电石渣和粒化高炉矿渣等工业副产品已被探索用于问题性土壤改良和轻度污染固化，但先前的研究大多集中于传统岩土稳定化或低水泥替代率的单废物体系。此外，现有研究对高固废替代率下循环环境风化（如冻融和干湿循环）中的长期耐久性及高浓度重金属保持能力关注不足，宏观力学强度、固定保持能力和微观结构演变之间的直接性能关联仍研究不够充分。因此，本研究开发了一种低碳复合固化剂，以大量拜耳赤泥和电石渣残留物替代60%水泥，用于稳定化铜和镉高浓度共污染的黏土土壤。通过研究铜和镉污染土壤的最佳配比、力学性能和长期稳定性，并结合宏观和微观技术，分析了固定化和土壤改良中的协同机制，实现了高效废物利用和绿色修复，从而推进了"以废治废"的理念。

土样和化学试剂

土样采集自吉林省长春市的建筑工地。其基本物理性质如下：土样自然含水率为23.27%，液限为38.79%，塑限为18.59%，塑性指数为20.20，最大干密度为1.73 g/cm3，最优含水率为16.76%，pH值为8.16。

本实验使用的固化材料包括赤泥（RM）、电石渣（CCS）和水泥（PC），均为

固化剂的最佳配比

图1展示了按方案T1-T6制备的试样在养护28天后的无侧限抗压强度和重金属浸出液浓度。如图所示，随着混合物中水泥含量的逐渐增加，试样的无侧限抗压强度从250.33 kPa增至769.34 kPa，表明水泥对固化土强度提升的贡献优于碱性渣。方案T3、T4、T5和T6对应试样的无侧限抗压强度值均满足规定要求

结论

为减少水泥消耗并促进工业固废的资源化利用，本研究通过以碱性残渣（赤泥和电石渣）部分替代水泥，开发了一种新型胶凝材料。赤泥-电石渣-水泥（PCRC）体系被用于稳定铜和镉污染土壤。通过结合宏观和微观实验，研究了无侧限抗压强度、重金属浸出浓度和微观结构特征

作者贡献声明（CRediT）

徐鑫：撰写——审阅与编辑，资源，方法论，概念化，监督。
顾金明：撰写——初稿，可视化，方法论，调查，形式分析。
阮铉：方法论，调查，形式分析。
刘昊：方法论，调查。
王青：资源，方法论。
孟凌佳：调查，可视化。
鞠成波：方法论。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金（批准号：42330708，42102315）和吉林省科学技术厅（20260205042GH）资助。

徐鑫 | 顾金明 | 阮铉 | 刘昊 | 王青 | 孟凌佳 | 鞠成波