基于城市固体废物焚烧飞灰与偏高岭土基地聚合物固化疏浚淤泥的强度、耐久性及微观结构研究

《Soils and Foundations》：Strength, durability and microstructure of geopolymers based on municipal solid waste incineration fly ash and metakaolin for dredged sediment stabilization

　　

本研究采用城市固体废物焚烧飞灰(MSWIFA)和偏高岭土(MK)作为前驱体，通过碱激发技术固化疏浚淤泥(DS)。研究了MK/MSWIFA质量比和碱激发剂(AA)掺量对MSWIFA-MK固化疏浚淤泥(MMDS)无侧限抗压强度(UCS)及其在干湿循环和浸水试验下耐久性的影响。随后，分别对经历9次干湿循环和28 d浸水的MMDS试样进行了重金属浸出、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)测试。结果表明，碱激发MSWIFA和MK对DS表现出优异的固化性能。具有较高MK与MSWIFA质量比和较高碱掺量的固化DS表现出更高的UCS。MK/MSWIFA比为7:3、AA掺量为22%的MMDS试件在养护28 d后UCS达4.69 MPa。在干湿循环作用下，所有MMDS的UCS随循环次数增加先升高后降低。类似地，具有较高MK、MSWIFA质量比和AA掺量的MMDS，其UCS随浸水天数增加亦呈现相同趋势。微观结构分析证实了UCS的提升，而干湿循环和浸水对MMDS基体造成了损伤。耐久性试验后MMDS浸出液中的重金属浓度满足标准规定的限值要求。与传统水泥或石灰固化方法相比，该复合碱激发胶凝体系在多种固废协同处置、低碳性能及重金属固定化方面显示出突出优势。MMDS可用于道路路基填筑等工程应用。

论文发表于《Soils and Foundations》。该研究针对疏浚淤泥(DS)因强度低、含水率高、压缩性高而难以直接再生利用的问题展开。传统水泥和石灰固化虽有效，但存在高资源能源消耗与环境污染问题；地聚合物(geopolymer)被视为可持续替代材料。城市固体废物焚烧飞灰(MSWIFA)因含重金属和二噁英类物质被列为危险废物，但其中含CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃体系，具有潜在火山灰活性，可用作地聚合物前驱体；然而其活性铝硅酸盐含量低，需与其他富铝硅酸盐材料协同使用。偏高岭土(MK)由高岭土高温煅烧获得，富含活性Si、Al相，可与MSWIFA共同激发。为此，研究人员利用MSWIFA和MK作为复合前驱体，通过碱激发技术固化DS，探索多种固废协同资源化利用途径。

研究人员采集湖北省荆州市某湖泊疏浚工程的DS（天然含水率58.18%，液限54.67%，塑限25.71%），MSWIFA取自荆州市当地垃圾焚烧厂，MK来自河南巩义市某耐磨材料公司。固定(MK+MSWIFA)/DS=0.4、初始含水率40%，设计MK:MSWIFA=7:3、5:5、3:7及碱激发剂(AA)掺量18%、20%、22%共5组配比。采用分层压实成型，标准养护后进行无侧限抗压强度(UCS)试验、干湿循环和浸水耐久性试验；按HJ/T 299-2007测定重金属浸出，采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析微观结构。

**3.1 UCS及固化机理**

碱激发MSWIFA和MK可有效固化DS，MMDS在7 d即达到较高UCS，且随养护龄期增长持续提高。MK/MSWIFA比为7:3时UCS最高；AA掺量由18%增至20%和22%时，28 d UCS分别提高71%和363%。MK/MSWIFA=7:3、AA=22%配比28 d UCS达4.69 MPa。固化机理主要包括：未反应MSWIFA颗粒充当微骨料；MSWIFA释放的Ca²⁺置换DS中弱稳定阳离子，促进颗粒团聚；碱激发条件下活性SiO₂和Al₂O₃解聚生成[SiO₄]^4–、[AlO₄]^5–，进而形成C-S-H、C-A-H、C-A-S-H及N-A-S-H凝胶，填充孔隙并胶结颗粒；凝胶碳化生成CaCO₃，进一步增强稳定效果。

**3.2 MMDS的耐久性**

**3.2.1 干湿循环下的UCS发展**

经历9次干湿循环后，所有试件均保持结构完整，无明显表面裂缝、剥落或分层。UCS随循环次数增加先升后降，原因是28 d养护后地聚合反应尚未完全终止，持续反应增益与循环损伤两种机制相互竞争。循环3次时，MK/MSWIFA比为7:3、5:5、3:7的试件UCS分别提高16.4%、29.7%、21.4%；9次循环后分别为未循环试件的90%、84%、74%。AA掺量18%、20%、22%的试件在3次循环后UCS分别提高71.9%、16.4%、24.2%；9次后分别为90%、90%、59%。高AA掺量试件的干湿循环劣化最显著，这与残余碱和可溶盐在湿干交替下反复溶解、迁移和重结晶产生结晶压力有关。

**3.2.2 浸水条件下的UCS发展**

浸水条件下，UCS亦呈先增后降趋势。浸水初期封闭软水环境可抑制碱离子溶出，维持系统高pH，促进地聚合反应持续进行；但长期浸水会引发碱离子溶出和结构软化。28 d浸水后，MK/MSWIFA比为7:3、5:5、3:7试件的UCS分别为未浸水试件的88%、54%、42%；AA掺量20%和22%试件分别为88%和112%，18%试件为77%。其中MK/MSWIFA=7:3、AA=22%的试件抗浸水能力较强，浸水28 d后残余UCS较未浸水试件提高11.6%。

**3.3 耐久性试验后重金属浸出分析**

按HJ/T 299-2007测定并经GB 5085.3-2007对照，9次干湿循环和28 d浸水后，MMDS浸出液中Ni、Cu、Pb、Cd、Cr、As、Hg浓度均远低于限值。地聚合物具有三维网络致密无定形结构，通过电荷平衡、网络填充及静电吸附等机制有效固定重金属。

**3.4 矿物学与微观结构分析**

**3.4.1 SEM**

未处理DS呈松散层状和絮状结构，颗粒表面光滑、孔隙发达。固化28 d后，地聚合物凝胶包裹并胶结颗粒、填充孔隙，形成致密连续空间网络。经9次干湿循环后，部分片状凝胶溶解为碎片，颗粒间空隙增大，出现微裂缝；经28 d浸水后，凝胶溶解程度较干湿循环试件轻，裂缝宽度更窄，其UCS比9次循环后高89.3%。

**3.4.2 XRD**

DS主要矿物为石英、方解石、钠长石、高岭石和伊利石。固化后未见明显新矿物相，石英、钠长石、高岭石衍射峰强度略降，表明部分矿物溶解并生成凝胶；石英、伊利石、方解石峰强增强，源于MK和MSWIFA中石英组分以及CaO碳化生成CaCO₃。2θ=28°–34°出现馒头状峰，对应低结晶度C-(A)-S-H和N-A-S-H凝胶。耐久性试验后，石英、钠长石、高岭石衍射峰相对增强，与无定形相和可溶晶相部分溶解的SEM现象一致。

**3.5 讨论**

水对地聚合反应动力学及微观结构有显著