利用固化的海洋淤泥构建可持续的垂直屏障：锂渣-粉煤灰地质聚合物复合材料的水力和力学性能

《Process Safety and Environmental Protection》：Sustainable vertical barriers using solidified marine mud: hydraulic and mechanical behavior of lithium slag-fly ash geopolymer composites

粉煤灰与锂渣协同碱激发固化海洋淤泥，制备出28天无侧限抗压强度≥1.5MPa、渗透系数≤1×10??cm/s的环保防渗材料，较传统钠基膨润土降低碳排放32%、成本86%，并揭示FA调控孔隙结构、LS促进C-A-S-H凝胶生成的协同机制。

　　

平中星|徐浩青|刘松宇|岳勇|王若晨|张楠

江苏科技大学建筑工程学院，镇江212100，中国

摘要

传统的垂直屏障材料与高碳排放和成本相关。本研究利用粉煤灰（FA）和锂渣（LS）通过碱性活化来固化海泥（MM），以开发可持续的屏障材料。结果表明，当粘合剂含量为40%，其中FA占粘合剂的30-60%时，28天无约束抗压强度和渗透性均满足垂直屏障的要求。FA通过将大孔转变为微孔有效改观了孔结构。微观结构分析显示，LS的添加促进了水化产物（C-A-S-H）的生成，这些产物将MM颗粒结合在一起，提高了其水力性能。与传统材料相比，FA-LS稳定的海泥平均减少了32%的CO₂排放量和86%的成本。这些发现表明，基于FA-LS的粘合剂为垂直屏障提供了一种经济且可持续的解决方案，在沿海岩土工程中具有巨大潜力。

引言

垂直防污染屏障是地下结构工程系统，旨在阻止地下水或污染物的迁移（Kui和Xiangping，2019）。传统的垂直屏障材料包括土壤-膨润土（SB）和土壤-水泥-膨润土（SCB）（Fu等人，2021），这些材料主要依赖钠基膨润土作为分散性粘土成分。钠基膨润土的蒙脱石含量为75%-90%，在水中膨胀形成致密的不透水层，其渗透系数低至1×10^-9cm/s。然而，这种优异的防渗性能伴随着显著的供应和环境成本。像中国这样缺乏高质量钠基膨润土的国家（Zhou等人，2025）通常通过用碳酸钠改性钙基膨润土来替代，但这会增加成本和碳排放（Magzoub等人，2017），从而限制了其应用。相比之下，高粘土含量的海泥可以作为钠基膨润土在屏障材料中的替代品。通过粘土矿物的层间吸附和填充作用（Wooldridge等人，2019；Pradhan等人，2023），改性材料的渗透系数降低，满足防渗屏障的技术要求。

在中国沿海地区，积累了大量的海泥（MM）。由于其高含水量和丰富的有机物，MM给与水泥颗粒的有效化学反应带来了挑战（Wan等人，2022）。这一限制导致改性泥的承载能力较弱，使其不适用于实际应用。目前利用MM的方法主要涉及高温煅烧或直接固化。虽然煅烧可以有效提高其活性（Hui等人，2023a），但该过程能耗高且复杂。直接固化通常将MM与传统的粘合剂（如波特兰水泥（Ma等人，2022）、石灰（Zhao等人，2020）等混合（Shu等人，2023；Meng等人，2025），虽然可以提高性能，但会导致高碳排放和能源消耗（He等人，2019）。因此，开发低碳的辅助胶凝材料以改善MM的工程性能是一个紧迫的任务。

碱性活化材料（AAM）通过在碱性环境中聚合铝硅酸盐前体而合成，由于其低碳足迹和废物回收潜力而成为传统水泥的有吸引力的替代品（Duxson等人，2007）。工业副产品如粉煤灰（FA）、粒化高炉矿渣（GGBS）、碳化物矿渣（CCR）和锂渣（LS）因其高铝硅酸盐含量而成为AAM合成的可行前体（Phetchuay等人，2016；Wang等人，2022a；Du等人，2022；He等人，2018）。其中，FA和LS特别受到关注：FA的球形形态和火山灰反应性改善了微观结构（Jiao等人，2025），而LS的高钙含量（例如CaO>30%）弥补了低钙系统中的强度缺陷（Wang等人，2023；Tan等人，2015；Wang，2014）。在碱性活化下，FA释放出铝和硅物种，在富钙环境中形成钙铝硅酸盐水合物（C-A-S-H）凝胶，从而提高机械性能（Gong等人，2024）。然而，FA在低钙条件下的反应性较慢，需要外部钙源。LS富含游离Ca2?，不仅加速了聚合反应（Xue等人，2025），还通过与FA的反应性铝含量共同生成额外的水化产物（Zhang等人，2024a），从而提高了稳定材料的抗渗性和强度。

尽管关于AAM稳定土壤的文献很多，但在其用于垂直截断墙的具体应用方面仍存在关键的研究空白。如表1所示，目前大多数研究集中在路基加固上，重点关注高抗压强度和早期承载能力。然而，垂直屏障需要不同的性能指标：它们要求低渗透性（k≤10^-7cm/s）、变形适应性（以防止开裂）以及长期抗污染化学稳定性，这些指标在标准的土壤稳定研究中常常被忽视（Tang等人，2025；Xiao等人，2025）。此外，屏障材料过高的刚性往往导致与周围MM的刚度不匹配，从而增加应力下的开裂风险。因此，尽管存在MgO活化的系统，但FA-LS混合物的特定协同效应，特别是如何在软土基质中平衡机械强度和变形适应性，尚未得到充分阐明。

本研究通过提出一种可持续的屏障材料来填补这些空白，这种材料旨在满足工程标准，而不是不必要的超越。虽然传统的膨润土系统的渗透性（10^-9cm/s）优于典型的监管阈值（10^-7cm/s），但这种超性能往往伴随着过高的材料成本。本研究旨在通过开发一种协同作用的FA-LS-MgO系统来弥补这一性能差距，该系统在满足必要监管要求的同时，显著降低了碳足迹和经济成本。通过优化前体比例，本研究全面评估了机械性能、微观结构演变以及抗渗性和工程可行性之间的平衡，为低碳沿海岩土工程提供了新的见解。

章节摘录

海泥（MM）

本研究中的海泥采集自中国浙江省台州电厂粉煤灰储存场附近的沿海滩涂。采样地点和现场条件如图1所示。海泥呈灰黑色，含水量高，渗透性低，未经预处理直接运输到实验室，以便于实际工程应用。

粉煤灰（FA）和锂渣（LS）

在本研究中，FA和LS被用作固体前体（粘合剂成分）

原材料表征

本研究严格按照GB/T 50123?2019标准（中华人民共和国水利部，2019）在实验室中测定了采集的海泥的基本物理性质。基本物理性质总结在表3中。

颗粒大小分布使用LT2200E激光颗粒大小分析仪（珠海Linkoptik仪器有限公司，中国）进行评估。分析采用湿分散法通过激光完成

结论

本研究使用FA和LS作为前体，MgO作为碱性活化剂，制备用于固化海泥（MM）的碱性活化胶凝材料，以用于垂直屏障。研究了FA/LS比例和固化剂含量对SM性能的影响，建立了碱性活化LS/FA在SM中的微观作用机制模型，并为海泥在垂直屏障中的合理应用提供了新的选择。主要结论如下：

(1)

使用FA和LS作为地质聚合物前体，水化凝胶

CRediT作者贡献声明

刘松宇：撰写——初稿，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。徐浩青：撰写——审稿与编辑，验证，监督，方法论，研究，概念化。王若晨：撰写——初稿，监督，软件，资源管理，方法论，研究。岳勇：撰写——审稿与编辑，验证，资源管理，项目协调，数据整理。平中星：撰写——初稿，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号42007263）、江苏省高等教育机构的“青蓝计划”（2023年）以及中国住房和城乡建设部的科技项目（项目编号2019-K-136）对本研究的支持。