《Results in Engineering》：Hybrid volcanic ash–sewage sludge ash geopolymer for clay stabilization and controlling the leaching of potentially hazardous elements
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污水污泥灰（SSA）在岩土工程中的应用需借助稳定体系，在保证力学性能的同时控制潜在有害元素释放。研究人员开发了一种火山灰-污水污泥灰（VA–SSA）杂化地聚合物用于黏土稳定，并评估其力学、浸出、微观结构与环境性能。黏土试样以5%、10%和15%（质量分数）掺量
污水污泥灰（SSA）在岩土工程中的应用需借助稳定体系，在保证力学性能的同时控制潜在有害元素释放。研究人员开发了一种火山灰-污水污泥灰（VA–SSA）杂化地聚合物用于黏土稳定，并评估其力学、浸出、微观结构与环境性能。黏土试样以5%、10%和15%（质量分数）掺量的结合料处理，VA/SSA比例从100/0至0/100，采用6 M NaOH激活，40°C养护至多28天。含15%结合料的VA100混合物28天无侧限抗压强度（UCS）最高达19.06 MPa。杂化体系中VA80–SSA20保留最大28天UCS的70.76%–73.52%，即13.47–14.01 MPa。毒性特征浸出程序（TCLP）结果显示，含SSA混合物浸出液中仅检出B、Ba、Sr，最大浓度分别为1.022、0.551、0.576 mg/L，而As、Cr、Cu、Ni、Pb、Hg、Zn、Cd均未检出。处理混合物pH为10.90–12.08，电导率（EC）为1.46–4.86 mS/cm。100年尺度全球变暖潜势（GWP100）从VA100（5%结合料）的91.73 kg CO2-eq/m3升至SSA100（15%结合料）的241.01 kg CO2-eq/m3。X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）与能谱（EDS）观察与含钠、钙的铝硅酸盐反应产物一致。综上，富VA杂化体系（尤其VA80–SSA20）在SSA利用率、强度保持、浸出控制与环境性能间取得最佳平衡。
研究背景方面，传统水泥与石灰基稳定材料因高隐含能耗与温室气体排放正被重新审视，而城市化产生的大量市政污泥焚烧后形成的污水污泥灰（SSA）兼具铝硅活性与潜在重金属风险。黏土地基具有高压缩性与低强度，需兼顾力学提升与有害元素固封。已有研究多单独考察火山灰（VA）或SSA的碱激活行为，将天然火山灰与市政废物SSA杂化用于黏土稳定，并耦合力学-浸出-微观-气候影响综合评价的工作仍较缺乏。为此，研究人员在《Results in Engineering》发表该研究，构建VA–SSA杂化地聚合物体系，系统回答SSA替代VA时的强度衰减、元素浸出与碳足迹权衡问题。
关键技术方法上，研究人员取自伊朗Mahmoudabad的低塑性黏土（CL级）作为基体，VA取自Sistan和Baluchestan省Taftan山，SSA由德黑兰Shahr-e Rey污水处理厂湿污泥经900°C焚烧2 h后粉磨制得。结合料按干土质量5%、10%、15%外掺，VA/SSA质量比设100/0至0/100共7档，统一以6 M NaOH为激活剂、液固质量比0.23、40°C养护1/7/28天，每组合3个平行圆柱样（直径38 mm、高76 mm）。表征依托无侧限抗压强度（UCS）试验、EPA 1311毒性特征浸出程序（TCLP）结合ICP-OES、pH/EC测定、XRD、FE-SEM/EDS以及基于ISO 14040/14044与ReCiPe 2016中点法的从摇篮到大门GWP100评价。
研究结果部分，3.1力学性能显示，VA100随结合料量与龄期增长UCS显著提升，28天最高19.06 MPa，早期（0–1天）强度发展最快；以SSA替代VA后UCS单调下降，VA80–SSA20在28天仍保持13.47–14.01 MPa，相对参考强度70.76%–73.52%，而SSA100仅约30%–38%；说明富VA体系利于凝胶连续成网。3.2潜在有害元素浸出中，SSA原料含Cu、Sr、Zn、Ba、B较高，但TCLP下仅B、Ba、Sr可检出，且随SSA替代率与结合料量上升而增大，SSA100（15%）分别达1.022、0.551、0.576 mg/L，As、Cr、Cu、Ni、Pb、Hg、Zn、Cd均低于检测限，表明碱铝硅网络对多数重金属具封装固封作用。3.3 pH与EC显示处理样pH 10.90–12.08，随SSA增多略降；EC 1.46–4.86 mS/cm，随SSA与结合料量上升，反映可溶性离子释放增加。3.4微观分析中XRD未见非晶峰但背景变化，FE-SEM表明VA100基质最致密、颗粒被絮状产物桥接，VA50–SSA50出现孔洞与不连续团聚，SSA100孔隙最多；EDS选区显示VA100富Na–Si–O，杂化样引入Ca及Cr、Ba、Fe、Zn局域信号，与钠/钙铝硅酸盐产物（N–A–S–H、C–A–S–H型）描述一致。3.5 GWP100评估以1 m3处理黏土为功能单位，VA100（5%–15%）为91.73–109.19 kg CO2-eq，SSA100同区间升至135.66–241.01 kg CO2-eq，NaOH生产为主要贡献，SSA焚烧粉磨次之，VA80–SSA20在杂化中碳迹最低（100.51–135.56 kg CO2-eq）。
讨论与结论翻译部分，研究人员指出碱激活VA通过早期形成钠铝硅酸盐凝胶实现快速强度发展，SSA引入带来废物增值但引起强度折减、B/Ba/Sr可浸出量上升与GWP100增加三重权衡；微观异质化与钙相参与是SSA体系强度较低的根因。结论确认：VA100（15%）提供最高28天UCS（19.06 MPa）；VA80–SSA20在SSA利用率、强度保持（相对70.76%–73.52%）、仅B/Ba/Sr低浓度浸出及较低GWP100间取得最优选衡；As、Cr、Cu、Ni、Pb、Hg、Zn、Cd在TCLP下未检出；XRD/FE-SEM/EDS支持钠、钙铝硅酸盐产物形成；杂化地聚合物体系为黏土稳定与市政污泥灰增值提供可量化的地环境工程路径。
