废弃疏浚土制备生态浮岛用泡沫混合轻质土（FMLS）的性能研究

《Materials》：Study on the Properties of Foamed Mixture Lightweight Soil Prepared from Waste Dredged Soil for Ecological Floating Landscapes

　　

本论文利用疏浚土开发了适用于生态浮岛应用的泡沫混合轻质土（FMLS），重点关注干密度、抗压强度、劈裂抗拉强度、吸水率和流动性等关键性能指标。研究人员通过正交试验确定了最佳配合比，并采用CaO膨胀剂、MgO膨胀剂、聚丙烯纤维（PPF）和玄武岩纤维（BF）对材料性能进行改性。利用扫描电子显微镜（SEM）表征了改性前后FMLS的微观结构机理。结果表明：FMLS在灰砂比为0.4、泡沫体积含量为10%、水砂比为0.35时达到最优综合性能，所有参数均符合技术规范。CaO和MgO膨胀剂的最佳掺量均为5%，PPF为0.3%，BF为0.5%。SEM分析表明，MgO膨胀剂和PPF由于增强的孔隙填充效率和裂纹桥接效应，展现出对浮岛景观更优越的适用性。最后，相关性分析进一步指出水胶比关键性地决定了FMLS的强度特性。该研究不仅为促进疏浚土资源的有效利用提供了新方向，也为生态浮岛的载体材料提供了新思路。

随着生态景观工程的发展，生态浮岛在水体净化、景观提升和栖息地营造中得到广泛应用。理想的生态浮岛基底材料需兼具低密度、高抗拉强度和耐久性，但传统材料难以平衡轻质与力学性能，且消耗自然资源。同时，内河航道疏浚（如长江流域）产生大量废弃疏浚土，其物理化学性质复杂，常规处置方式易引发生态与经济问题。因此，将疏浚土资源化利用，尤其是制备为泡沫混合轻质土（FMLS，一种通过将泡沫掺入浆料形成多孔结构的轻质材料），成为缓解环境压力、促进循环经济的重要途径。然而，现有FMLS研究多聚焦于路基回填等非结构性应用，缺乏针对生态浮岛环境（低密度、高抗拉、低吸水率、长期水稳定性）的系统改性策略。为此，研究人员开展本研究，以废弃疏浚土为主要固体原料，开发了一种改性FMLS，旨在满足生态浮岛对材料的多重耦合需求。该论文发表在《Materials》。

为开展研究，研究人员采用了以下关键技术方法：（1）使用来自上海长江口横沙浅滩的疏浚土，配合普通硅酸盐水泥（42.5 MPa）和植物蛋白发泡剂制备FMLS；（2）通过三因素三水平正交试验确定基本配合比（灰砂比、泡沫体积含量、水砂比），并利用极差分析评估各因素对干湿密度、吸水率和强度的影响；（3）分别引入CaO膨胀剂、MgO膨胀剂、聚丙烯纤维（PPF）和玄武岩纤维（BF）进行单因素改性试验，测定流动性、密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度、干缩率和应力-应变曲线；（4）利用扫描电子显微镜（SEM）观察改性前后微观结构；（5）进行水胶比-养护时间-强度的相关性分析。

研究结果按以下小标题总结：

**最优配合比分析**：通过正交试验与极差分析，研究人员发现组合A3B2C1（即灰砂比0.4、泡沫体积含量10%、水砂比0.35，对应组B-8）在所有组别中综合性能最佳。该配合比下，FMLS的干密度为0.77 g/cm³，湿密度为0.84 g/cm³，吸水率为10.4%，28天抗压强度达1.55 MPa，符合相关技术规范。应力-应变曲线进一步证实B-8组在相同应变下能承受更高应力，变形性能优异。

**添加不同膨胀剂的影响分析**：基于B-8组，掺入CaO或MgO膨胀剂（0%~7%）。研究发现，随掺量增加，FMLS流动性逐渐降低，干湿密度小幅上升，吸水率显著下降（最大降幅0.4%）。强度测试表明，两种膨胀剂对强度的改性效果相近，但MgO膨胀剂因其水化缓慢、膨胀均匀，能更有效地补偿收缩并细化微观结构，28天抗压强度略优于CaO膨胀剂。因此，MgO膨胀剂更适合生态浮岛应用，其中5%掺量表现最优。

**添加不同纤维的影响分析**：掺入PPF（0.1%~0.7%）和BF（0.1%~0.7%）后，FMLS吸水率显著降低，干密度随纤维掺量增加而增大。强度分析表明，PPF最佳掺量为0.3%（组D-12），此时劈裂抗拉强度提升48%；BF最佳掺量为0.5%（组D-10），抗压强度提升6.8%。超过此掺量，纤维分散不均导致强度下降。干缩率测试显示，纤维能有效抑制收缩，PPF抑制效果优于BF。应力-应变曲线表明，纤维通过桥接效应显著提高材料的韧性，PPF在稳定峰值应变方面更为突出。

**SEM分析**：对照组B-8的SEM图像显示水泥水化产物（如Ca(OH)₂晶体）分布在土颗粒表面，存在较大孔隙。添加MgO膨胀剂的C-6组观察到更多片状或絮状水化产物，部分孔隙被填充，结构更致密。添加PPF的D-12组中，纤维交织形成网络结构，紧密桥接水化产物，有效减少大孔并增强内部完整性，抑制裂纹扩展。

**相关性分析**：水胶比与养护时间对抗压强度和劈裂抗拉强度的影响分析表明，在相同养护龄期下，降低水胶比可提高强度，且抗压强度对水胶比变化敏感；延长养护时间（7~28天）促进水化反应，持续提升强度。等高线图显示低水胶比、长龄期区域强度变化剧烈，说明这些参数对强度具有关键控制作用。

总结讨论部分：本研究所开发的改性FMLS结合了低密度、可接受的力学强度、低吸水率和废弃疏浚土再利用，为生态浮岛提供了轻质、尺寸稳定且抗裂的载体。但在实际工程中，需进一步验证长期浸水、干湿循环、温度变化、生物活动及污染水环境下的性能。未来研究应聚焦于长期浸泡、冻融耐久性、浸出行为、植物根系交互及放大试验。

翻译研究结论部分如下：（1）利用疏浚土制备适用于生态浮岛的FMLS是疏浚土高效资源化的新途径，具有显著的环境与经济效益。（2）最优配合比为灰砂比0.4、泡沫体积含量10%、水砂比0.35，此时FMLS干密度0.77 g/cm³，湿密度0.84 g/cm³，吸水率10.4%，28天抗压强度1.55 MPa，满足规范要求。（3）CaO和MgO膨胀剂均能降低吸水率，MgO膨胀剂更适宜作为生态浮岛的强度改性材料，5%掺量使吸水率最大降低0.4%。（4）纤维可改善FMLS性能，PPF在提升劈裂抗拉强度和降低干缩率方面优于BF，归因于其低密度促进均匀分布。（5）SEM证实适量膨胀剂和纤维能有效致密化微观结构并增强界面结合；相关性分析表明水胶比显著影响强度特性。本研究尚处于初步阶段，未涉及膨胀剂与纤维的复合改性，未来将重点研究复合改性及海洋环境影响。