循环流化床灰、锂渣与磷渣协同固废胶凝材料用于疏浚污泥固化：机理与性能

《Process Safety and Environmental Protection》：Synergistic Solid Waste Binder of CFB Ash, Lithium Slag, and Phosphorus Slag for Dredged Sludge Stabilization: Mechanism and Performance

　　

摘要 疏浚污泥的低碳固化仍是岩土工程和环境工程领域的一项主要挑战，尤其是在大量使用传统水泥基胶凝材料时。本研究开发了一种由循环流化床灰渣（CD）、锂渣（LS）和磷渣（PS）组成的三元固废胶凝材料，命名为CDLP，用于疏浚污泥的低碳固化。通过正交设计和序贯单因素试验，研究了复合激发体系、含水率、胶凝材料掺量、水泥替代率和三元组成对无侧限抗压强度（UCS）的影响。最优条件为：水玻璃掺量4.0%，水玻璃摩尔模数1.2，三异丙醇胺掺量0.7%，沸石掺量1.2%，含水率35%，胶凝材料掺量16%，水泥替代率60%，CD:LS:PS质量比为2:6:2。在此条件下，28天无侧限抗压强度达到5.65 MPa。与同条件普通硅酸盐水泥（OPC）对照组相比，优化后的CDLP配合比7天抗压强度低14.2%，但28天抗压强度高14.8%。半定量Rietveld精修和扫描电镜分析表明，强度发展与其碱性溶解、非晶态结合产物和少量AFt的沉淀，以及颗粒结合产物的连续性和空间分布有关。优化的三元组成通过持续的后期反应弥补了OPC含量的减少。筛选级生命周期评价显示，体积碳减排幅度为45.4%，基线材料成本降低11.3%。经28天无侧限抗压强度标准化后，对应的减排幅度为52.4%，成本降幅为22.8%。敏感性分析表明碳优势稳健，而经济优势仍取决于激发剂价格。这些结果展示了CDLP体系在实验室规模下的力学性能和低碳潜力。

引言 交通基础设施、城市建设、港口工程和航道疏浚的迅速扩张，在全球范围内产生了大量疏浚污泥。疏浚污泥通常具有高含水率、高压缩性、低抗剪强度、渗透性差和对扰动高度敏感等特点，使其在不经过前期处理的情况下不适合直接用作工程回填或地基材料（Sun等，2023；Wang等，2023；Shen等，2019；Wang等，2021a）。如果处置不当，疏浚污泥会占用宝贵的土地资源，并可能引发二次环境问题，包括恶臭排放、渗滤液迁移以及对周边土壤和水系统的潜在污染。因此，开发高效、低碳且具有经济可行性的疏浚污泥固化技术已成为岩土工程和环境管理中的重要议题。

普通硅酸盐水泥（OPC）和石灰是软土固化中应用最广泛的无机胶凝材料，因为它们具有高反应活性、可靠的强度发展和成熟的工程应用（Ji等，2023；Wu等，2020）。在水泥固化过程中，水化产物如硅酸钙水化物（C-S-H）、铝酸钙水化物（C-A-H）和氢氧化钙可以填充孔隙、粘结土颗粒并改善软土的力学性能。然而，大量使用OPC伴随着高能耗和大量的CO?排放。水泥生产和石灰煅烧还会释放粉尘和有害气体，这与日益增长的低碳基础设施和可持续建筑需求相冲突（Ge等，2020；Karami等，2021；Chen等，2020）。在全球向碳中和过渡的背景下，因此有必要减少对水泥基胶凝材料的依赖，开发环境负担更低的替代胶凝体系。

工业固废为低碳胶凝材料提供了有前景的原料来源，因为其中许多含有活性CaO、SiO?、Al?O?和SO?。经过适当激发，这些组分可以参与火山灰反应、地聚反应和二次水化反应，形成与OPC水化产物相似的胶凝产物（Pu等，2021；Wang等，2024；Ming等，2024；Yin等，2025；Li等，2025a；Wang等，2025；Liang和Ji，2021；Bilondi等，2025；Li等，2024a；Moazami等，2025）。在土体固化中利用工业固废可以同时减少水泥消耗、减轻废弃堆积造成的环境压力，并促进副产品资源化利用。在此背景下，基于固废的胶凝材料作为软土处理的可持续替代方案已引起越来越多的关注。然而，许多固废在常温养护条件下的反应性仍然有限，因为其活性硅酸盐和铝酸盐物种通常嵌入在稳定的晶相或玻璃相中。这些相中的Si-O和Al-O键难以在不充分化学激发的情况下断裂，导致溶解缓慢、水化不完全和强度发展不足（Luo等，2022；Yao等，2019；Li等，2025b）。

碱激发是一种增强富铝硅酸盐固废反应性的有效策略。强碱性环境可以破坏硅铝酸盐网络，加速Si??和Al3?物种的溶解，并促进C-S-H、C-(A)-S-H、N-A-S-H和N-(C)-A-S-H凝胶的形成（Pu等，2019；Cui等，2025；Rui等，2019；Wattez等，2021）。先前的研究已证明，碱激发剂可以显著改善固废前体的火山灰和地聚反应，从而提升固化土体的工程性能。例如，碱激发灰渣、煤矸石、电石渣和锂渣已被用于改善软土的强度和微观结构（Abdeldjouad等，2019；Kong等，2023；Luo等，2025）。然而，大多数现有研究集中在单一固废或二元固废体系上，多组分固废胶凝材料的设计仍然缺乏充分了解（Huang等，2025；Fan等，2025；Zhang等，2025a；Zhang等，2023a；Zhang等，2022a）。特别是，钙供给、硫酸盐激发与硅铝酸盐溶解之间的协同关系在疏浚污泥固化中的应用尚未得到充分阐明。

循环流化床灰渣（CD）、锂渣（LS）和磷渣（PS）具有互补的化学特性，可能有助于开发高效三元胶凝材料。CD的特征是铝硅酸盐含量相对较高但钙供给较为有限。LS含有可观的氧化铝和含硫酸盐组分，而PS则相对富钙（Khair等，2024；Zhai等，2024；Yang等，2024；Ke等，2024；Yuan等，2024；Cui等，2024；Gu等，2024；Rahman等，2023；Saadati和Kani，2023；Zhang等，2023b）。这些组成差异表明它们在激发过程中可能发挥互补作用：CD可能提供铝硅酸盐前体，LS可能提供额外的含铝和含硫酸盐物种，而PS可能为后续沉淀反应提供钙。这三种固废的组合有望形成一种"钙补偿—硫酸盐激发—硅铝酸盐补充"机制，其中PS提供Ca2?，LS提供硫酸盐和活性硅铝酸盐，CD贡献额外的硅铝酸盐组分。这种化学互补性可能在大比例OPC替代下支持持续反应和强度发展，但其有效性需要通过实验验证。

多固废胶凝材料的另一个关键挑战是对反应动力学和水化产物组合的精确调控。铝富集过多可能抑制硅酸盐水化，而碱性不足则可能阻碍铝硅酸盐相的有效溶解（Zhang等，2025b）。因此，需要合适的激发剂来平衡溶解、沉淀和微观结构致密化。水玻璃（WG）可以提供强碱性环境和额外的可溶性硅酸盐，从而促进硅铝酸盐网络的解聚（Thatikonda等，2024）。三异丙醇胺（TIPA）可以与Al3?络合，促进铝元素掺入C-S-H结构，有利于C-(A)-S-H凝胶的形成（Tian等，2022；Zhang等，2020）。沸石由于其多孔结构和高吸附能力，可以在早期吸收过量自由水，并在后期养护中释放，从而起到内养护剂的作用，改善孔隙结构发展（Blatov等，2020；Zhang等，2022a）。尽管这些激发剂已在胶凝体系中被单独研究，但它们对CDLP固化疏浚污泥的水化产物、孔隙结构和强度演变的综合影响尚未得到系统研究。

为弥补上述知识空白，本研究开发了一种由CD、LS和PS组成的三元固废胶凝材料用于疏浚污泥固化。提出了三个假设。第一，CD、LS和PS中互补的含钙、含硫酸盐和含铝硅酸盐组分可以在高OPC替代率下持续推动反应发展和强度形成。第二，WG、TIPA和沸石调控溶解和沉淀的不同阶段，因此它们对强度的相对影响随养护龄期而变化。第三，在维持力学性能的前提下，用CDLP胶凝材料替代OPC可以降低污泥固化的体积基和环境负担强度归一化的环境负担。

这些假设通过L9正交设计、独立验证试验以及关于含水率、胶凝材料掺量、水泥替代率和CD:LS:PS组成的序贯单因素试验进行了检验。利用XRD和SEM分析将强度响应与相和微观结构演变联系起来。引入同条件OPC对照组以提供直接的力学基准，并开展筛选级生命周期和材料成本评估以评价优化体系的环境和经济效应。本研究的创新之处在于将三元固废组成设计、养护龄期依赖的激发剂优化、同条件OPC基准比较和性能标准化可持续性评估统一于疏浚污泥固化框架之中。

疏浚污泥 本研究使用的疏浚污泥采集自中国辽宁省盘锦市的一处河塘。污泥的化学组成列于表1。测试前，所采集的污泥经烘箱干燥、研磨并通过2 mm筛以去除粗颗粒并获得均质材料。粒径分布使用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定，如图1所示。阿氏界限采用数字设备测定。

激发剂组合对固化污泥无侧限抗压强度的影响 为确定不同激发剂对CDLP固化疏浚污泥无侧限抗压强度的相对影响并确定最优激发剂组合，设计了一个四因素三水平的正交试验。所选因素为水玻璃掺量、水玻璃模数、三异丙醇胺掺量和沸石掺量。每个因素设定三个水平，各激发剂的掺量按胶凝材料总干质量的百分比计算。水玻璃掺量的三个水平分别为4.0%、4.3%和。

XRD分析 为将CDLP固化疏浚污泥的相组合与宏观强度发展联系起来，选取了六个养护28天的代表性试样进行XRD分析，分别为CDLP-W-0、CDLP-S-1、CDLP-S-2、CDLP-C-5、CDLP-T-1和CDLP-P-6。它们的XRD图谱和归一化晶相分数分别展示于图16和图17。

所有试样中鉴定的晶相包括石英、伊利石、高岭石、钠长石、方解石和钙矾石，后者记为AFt。

目标、功能单位、分配和系统边界 进行了一项对比性筛选生命周期评价和材料成本评估，以将优化后的CDLP体系与纯OPC对照组进行比较。主要功能单位为在初始含水率35%条件下固化1 m3疏浚污泥。基于目标干密度1.45 g/cm3以及相对于烘干污泥质量的16%胶凝材料掺量，干胶凝材料总需求量为232 kg/m3。OPC体系包含232 kg/m3的OPC。CDLP体系包含。

结论 本研究开发了一种由CD、LS和PS组成的三元固废胶凝材料用于疏浚污泥固化，并对其力学性能、反应产物组合、微观结构特征和筛选级可持续性进行了评估。主要结论如下。

（1）最优激发体系由4.0%水玻璃、1.2水玻璃摩尔模数、0.7%三异丙醇胺和1.2%沸石组成。在含水率35%、胶凝材料掺量16%、水泥替代率60%和。

资助 本工作得到国家自然科学基金重点项目（编号：52234004）、辽宁省重点研发计划—产业技术创新专项（编号：2024JH2/102400016）和沈阳市科技计划项目（编号：23-407-3-02）的资助。

CRediT作者贡献声明 Nehdi Moncef L：资源。Qingjie Wang：方法论。liu Wenliang：调查研究。Lin Zhang：验证。Yannian Zhang：验证、资源。Yunzhi Shang：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、调查研究。

利益冲突声明 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢 Yannian Zhang | Yunzhi Shang | Qingjie Wang | Moncef L. Nehdi | Lin Zhang | Wenliang Liu