利用新型工业固废衍生稳定剂将疏浚污泥转化为可持续路基材料

《Journal of Environmental Management》：Valorization of dredged sludge into sustainable subgrade materials through a novel industrial solid waste-derived stabilizer

　　- 开发一种工业固体废物衍生的固化稳定剂，用于疏浚淤泥的资源化利用。- 在12%掺量下，满足公路基层/底基层的所有力学性能要求。- 相较于水泥和传统稳定剂，减少二氧化碳排放并降低成本。- 揭示干湿循环会诱发次级反应，从而缓解材料劣化。- 将疏浚淤泥转化为可持续的路基材料。## 引言河岸及湖岸工程建设过程中往往产生大量疏浚淤泥，这些淤泥具有高含水率、高压缩性、低渗透性和低抗剪强度等特征，因此无法直接用作路基材料（Chen等，2023；Su等，2026b）。传统的稳定剂，如水泥和石灰，已被证明能有效改善此类问题淤泥的力学性能（Hu等，2024；Pham等，2021）。然而，水泥和石灰的生产是高耗能、高碳排放的过程，每年排放约15亿吨二氧化碳，占全球二氧化碳排放量的7%至10%（Lin等，2023；Makul，2020）。因此，开发环境友好型稳定剂至关重要。碱激发材料是一类通过铝硅酸粉体前驱体（如矿渣和粉煤灰）与碱激发剂反应而成的生态友好型稳定剂（Li等，2024；Luo等，2024；Zhang等，2024）。该方法不仅能提高力学性能，还能促进工业固体废物的资源化高值利用。与水泥基材料相比，碱激发材料具有更高的强度、更好的耐高温性能和更优异的耐腐蚀性（Luo等，2026；Zahmak等，2021；Zhuang等，2016）。此外，碱激发材料的生产已被证明可减少44%至64%的二氧化碳排放，降低52%至60%的能源消耗（McLellan等，2011；Zhang等，2013、2017）。目前，已有大量研究探讨了利用碱激发材料改善疏浚淤泥力学性能的方法（Feng等，2025；Lv等，2025；Zhao等，2023）。这些研究证实，碱激发材料能有效增强淤泥的力学性能，显示出其作为水泥和石灰替代品，将淤泥转化为可持续路基材料的潜力。然而，碱激发材料成本较高，主要是因为碱激发剂价格昂贵，这限制了其工程应用。碱激发材料生产中常用的碱激发剂主要包括氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠及其混合物。其中，硅酸钠与氢氧化钠的组合因其能使最终材料获得优异的力学性能而被广泛使用（Phoo-ngernkham等，2015）。然而，传统硅酸钠的生产会排放大量二氧化碳且能耗巨大，导致成本更高。为降低对商业硅酸钠的依赖及其带来的成本和环境负担，有学者提出了一种基于硅灰的碱激发剂，即通过硅灰与氢氧化钠溶液混合制备，用作粉煤灰基地聚物体系的替代激发剂（Assi等，2018a）。与传统的硅酸钠基激发剂不同，后者直接由商业硅酸钠提供可溶性硅酸盐组分，而硅灰基体系则利用硅灰中非晶态二氧化硅在碱性条件下的溶解来提供活性硅酸盐组分（Assi等，2020）。先前的研究表明，此类硅灰基激发剂在取得良好力学性能的同时，相比硅酸钠-氢氧化钠体系具有经济和环境优势，表明其作为传统碱激发剂更可持续替代品的潜力（Assi等，2016、2018b；Lin等，2025）。然而，该硅灰基碱激发剂用于改善疏浚淤泥作为路基材料的性能尚不确定。因此，本研究用硅灰基激发剂取代传统硅酸钠，开发了一种工业固体废物衍生的新型稳定剂，用于疏浚淤泥的固化稳定，将其转化为可持续的路基材料，并系统评估了该工业固体废物稳定淤泥的工程性能和微观结构。工程性能通过全面的实验室测试进行评估，包括无侧限抗压强度、加州承载比、 resilient模量、水浸稳定性试验、干湿循环试验和冻融循环试验。微观结构表征采用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、扫描电镜配合能量色散光谱以及低场核磁共振技术完成。随后，研究了含水率、压实度、稳定剂掺量以及养护龄期对无侧限抗压强度的影响机制，以及干湿循环和冻融循环下的劣化机制，以指导工业固体废物稳定淤泥作为路基材料的应用。最后，对工业固体废物稳定淤泥与传统稳定淤泥在强度、碳排放和成本方面进行了对比评估，以考察其应用潜力。本研究通过开发一种工业固体废物衍生的新型碱激发稳定剂用于疏浚淤泥的资源化利用，直接回应了可持续和循环建筑材料的需求。通过将此类废弃物转化为增值路基材料，本方法不仅减少了传统水泥基稳定剂带来的环境负担，还促进了工程领域循环经济的理念。## 章节摘要### 疏浚淤泥本研究所用的疏浚淤泥取自中国浙江省余姚市。其塑性指数为16%，液限为38%，天然含水率为45%。淤泥在105°C下烘干，随后用破碎机粉碎并通过2毫米筛。粒径分布采用激光粒度分析仪（Hydro 2000SM）分析，结果见补充材料（图S1）。最佳含水率……### 含水率的影响图2(a)展示了工业固体废物稳定淤泥的无侧限抗压强度与含水率之间的关系。随着含水率从5%增加到25%，无侧限抗压强度值先升高，在含水率为15%时达到峰值，随后降低。5%含水率制备试件的无侧限抗压强度值和强度增长率明显低于其他含水率制备的试件。这种降低可能是由于低含水率……### 结论本研究使用硅灰基激发剂取代传统碱激发剂，开发了一种新型工业固体废物衍生的稳定剂，使疏浚淤泥能够转化为可持续的路基材料。评估了工业固体废物稳定淤泥的工程性能和微观结构，以服务于工程应用。主要结论如下：1. 在同等强度下，工业固体废物稳定淤泥（掺量16%）成本降低2.36%。### CRediT作者贡献声明林明国：撰写—审校与编辑、经费获取、正式分析、数据整理、概念构思。苏若斌：撰写—审校与编辑、撰写—原稿、验证、方法学、调查研究、正式分析、数据整理、概念构思。陈耕：指导、项目管理、方法学、调查研究。陈永辉：指导、资源、项目管理、方法学、经费获取。薛承杰：撰写—审校与编辑。罗金智：……### 手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明在撰写本文期间，作者仅使用ChatGPT以提升手稿的语言和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了审查和编辑，并对所发表文章的内容承担全部责任。### 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。### 致谢作者感谢以下机构和项目的资金支持：国家自然科学基金委员会（52178327）、国家重点研发计划（2024YFC3211000）、福建省自然科学基金（2026J0011068）、福建省教育厅中青年教育教学改革研究项目（JAT251124）、莆田学院高层次人才启动基金（2026025、2026028）以及……林明国｜苏若斌｜陈耕｜陈永辉｜薛承杰｜罗金智