HYDRAULIC STRUCTURE AND MATERIAL

Preparation of High-Strength Geopolymer with High-Content Reservoir Sediment and Solid Waste Ash

  • SHEN Gao-ang , 1, 2 ,
  • QIU Ze-dong 3 ,
  • WU Xian 2 ,
  • HU Zhen 4 ,
  • LIU Xiang-hua 5 ,
  • CHEN Xia 2 ,
  • FAN Ze-yu 2 ,
  • ZHOU Xian , 2
Expand
  • 1 College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
  • 2 Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of the Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 3 Central-Southern Safety andEnvironment Technology Institute Co., Ltd., Wuhan 430071, China
  • 4 Research Institute of AdvancedTechnology, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430087, China
  • 5 Jiangxi Academy ofWater Science and Engineering, Nanchang 330029, China

Received date: 2025-03-03

  Revised date: 2025-07-30

  Accepted date: 2025-08-08

  Online published: 2025-08-26

Abstract

[Objective] Severe reservoir sedimentation reduces storage capacity and increases global desilting costs. Traditional disposal of dredged sediments (SD), such as landfilling, occupy land resources and pose ecological risks. This study aims to prepare high-strength geopolymers for high-value utilization of solid wastes. [Methods] Sediment from the Zhongxian section of the Three Gorges Reservoir (D50≈67 μm) as the primary raw material. A ternary system is constructed by incorporating ground granulated blast furnace slag (GGBFS) and Class C Grade II fly ash (FA) to overcome alkali activation constraints, including high SiO2/Al2O3 molar ratio of the sediments and the low reactivity of clay minerals. Specimens were cured under standard conditions for unconfined compressive strength (UCS) measurement. XRD, SEM-EDS, and FTIR characterized the mineral composition, microstructure, and surface functional groups of the ternary geopolymers. Additionally, the leaching concentrations of heavy metals (Cr, As, Cd, Co) from the ternary geopolymers were analyzed using the TCLP method with ICP-MS. [Results] In the SD-GGBFS-FA ternary system, the 28-day UCS ranged 51.9-82.9 MPa. The 1-day UCS increased with GGBFS content, indicated diminishing marginal efficiency of GGBFS reinforcement. For GGBFS and SD fixed at 80% and FA at 20%, increasing GGBFS from 0% to 80% produced 1-day UCS increments of 45.8,26.9,22.9,6.4 MPa, respectively, indicating higher alkali activation efficiency when the GGBFS content was below 40%. XRD patterns revealed a typical amorphous characteristic peak in this specimen in the 28°-30° range. SEM of the B2F8S0 specimen revealed the formation of a continuous and dense C-A-S-H gel, indicating that the co-alkali-activated product of GGBFS and SD was C-A-S-H gel, providing primary mechanical support for the early strength development of the material. FA, rich in components such as hematite and mullite, were hardly susceptible to alkali erosion at early ages. Increasing FA content improved stability of strength at later stages (28 d). At FA content of 40% or more, the UCS from 7 d to 28 d remained stable or even increased slightly, contrasting sharply with the significant strength attenuation of the GGBFS-SD system. XRD patterns showed that for B2S0F8 specimen (20% GGBFS + 80% FA) cured for 28 d, the crystalline peak of limestone (CaO) in FA disappeared, and characteristic diffraction peaks of zeolite-type C-A-S-H minerals emerged. FTIR revealed that, after 28 d of curing, the intensities of Si-O-Si stretching and Si-O bending vibration peaks in the B2S0F8 specimen remained stable, indicating greater geopolymer stability in this system than that in the B2S8F0 system. SEM confirmed that the tacharanite generated in the B2S0F8 system filled the pores, improving the compactness of the matrix and maintaining the long-term strength development. TCLP leaching tests showed that the leaching concentrations of Cd and Co from geopolymers were significantly lower than those from raw materials, indicating that Cd and Co could be stabilized by the geopolymer system. However, Cr and As mainly existed as anionic species, and the leaching concentrations of Cr and As from some samples increased after geopolymerization. [Conclusion] High-calcium GGBFS promotes the dissolution of low-activity aluminosilicate components in reservoir sediment clay minerals and forms dense C-A-S-H structures that enhance structural stability. In high-calcium environments, FA undergoes alkali-activated secondary reactions to generate tacharanite, which fills geopolymer gel pores and maintains long-term strength stability of the GGBFS-FA system. B2S6F2 achieves 72.4 MPa at 28 d, and its heavy metal leaching meets Class Ⅰ criteria. The ternary GGBFS-SD-FA system enables the preparation of environmentally safe, high-strength geopolymers, providing a reference for high-value sediment utilization.

Cite this article

SHEN Gao-ang , QIU Ze-dong , WU Xian , HU Zhen , LIU Xiang-hua , CHEN Xia , FAN Ze-yu , ZHOU Xian . Preparation of High-Strength Geopolymer with High-Content Reservoir Sediment and Solid Waste Ash[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2026 , 43(4) : 216 -224 . DOI: 10.11988/ckyyb.20250159

0 引言

据统计,我国众多水库因泥沙淤积导致库容减少,严重影响水库的调蓄功能和使用寿命[1],每年用于清淤的费用高昂。清淤的水库淤积物填埋处置不仅占用大量土地资源,还可能对周边生态环境造成潜在威胁[2]。若能将水库淤积物进行资源化利用,制备成高强地质聚合物用于建筑材料领域,不仅可以有效解决淤积物的处置难题,还能减少对天然骨料的依赖,降低建筑材料生产过程中的能耗和环境负荷,具有显著的环境效益和经济效益。
以三峡水库为例,由于梯级水库的陆续投运和水土保持建设,常年回水区内淤积泥沙中值粒径D50基本<0.01 mm[3],难以直接作为骨料或矿物掺合料利用。因此,大规模、低成本细颗粒泥沙资源化成为制约三峡水库淤沙综合利用的关键难题。
地质聚合物是由富含硅铝质材料在碱性激发剂作用下通过聚合反应形成的具有三维网络结构的新型胶凝材料,具有优异力学性能和良好耐久性,在建筑材料领域展现出广阔的应用前景[4-5]。制备地质聚合物的CO2总排放量只有普通硅酸盐水泥的35%~60%,利用矿渣、粉煤灰等固体废弃物作为地质聚合物的前驱体,可进一步提高资源化利用率并降低环境污染风险。
水库淤积物的主要化学成分为Al2O3、SiO2及少量的CaO和Fe2O3,适合作为制备地质聚合物原材料。虽然淤积物具备被用作地质聚合物反应前驱体的潜力,但其中大量低活性的原生硅铝矿物在碱性环境中的解离特性以及对聚合反应的影响尚不清晰。同时,水库淤积物中硅铝含量占比与传统地质聚合物原料存在差异,其Si与Al的摩尔比过高可能影响产品的力学和耐久性能。如何通过与其他原料复配优化占比,提升复合体系的反应活性,有待深入研究。
本研究聚焦于水库淤积物制备高强地质聚合物的安全性,旨在系统探讨矿渣-粉煤灰-淤积物三元复合地质聚合物的力学性能演变规律及其微观作用机制。通过开展原材料性能分析、优化制备工艺、研究不同配比和养护龄期下地质聚合物的力学性能和微观结构变化,深入揭示活性组分协同激发效应与惰性相转化机理。期望为疏浚淤积物的高效资源化利用提供坚实理论依据和可行的技术路径,推动建筑材料领域的可持续发展,为解决水库淤积物处置和建筑材料需求的双重问题提供新的思路和方法。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所采用的原料为三峡水库忠县段淤积物(Sediment,SD)、S95级矿粉(Ground Granulated Blast Furnace Slag,GGBFS)、Ⅱ级粉煤灰(Fly Ash,FA)、无水氢氧化钠(分析纯)、硅酸钠溶液(工业纯)模数M为3.4(M=nSiO2/nNa2O,n为质量)。矿粉购自武新集团,粉煤灰取自广西钦州蓝岛公司,试验所采用的碱激发剂由无水氢氧化钠和硅酸钠溶液配制而成。
原材料的化学组成见表1。GGBFS外观呈白色,CaO占比42.94%,活性组分Al2O3和SiO2共占44.96%,FA外观呈褐灰色,依据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 10926—2017)分类属于C类Ⅱ级高钙粉煤灰,其7 d强度活性指数为65%;FA和GGBFS均为高钙活性硅铝体系,具有较强的碱激发活性。SD外观呈浅灰色,主要化学组成为Al2O3、SiO2、CaO及Fe2O3,其中Si、Al占比>70%,可以作为硅铝的补充,强化碱激发的效果。因此从原材料组成来说,淤积物-矿粉-粉煤灰(SD-GGBFS-FA)三元体系具有制备地质聚合物的潜力,有利于实现淤积物的资源化利用。
表1 原材料化学成分与含量

Table 1 Chemical composition and content of rawmaterials%

原材料 淤积物 矿粉 粉煤灰
SiO2 62.08 32.27 35.70
Al2O3 12.15 12.69 18.40
Fe2O3 4.47 1.61 16.70
CaO 7.54 42.94 18.00
MgO 2.47 7.59 8.20
Na2O 1.14 0.36 0.80
K2O 2.13 0.45 0.62
SO3 0.05 0 1.23
其他 7.97 2.09 0.35
原材料的矿物X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)分析如图1所示。SD中主要含有石英、白云母、伊利石、钠长石、绿泥石、钙长石等硅酸盐黏土矿物相,具有潜在的碱激发活性。FA中含有一定量的石英、莫来石、菱镁矿等结晶相,GGBFS以无定形矿物相为主,表现出较为宽泛的驼峰,主要成分都为硅铝酸盐矿物,适用作为地质聚合物的原材料。
图1 原材料XRD分析

Fig.1 XRD analysis of raw materials

原材料的粒径分布如图2所示。SD的粒径分布均在0.214~272.43 μm范围内,中值粒径D50为67.035 μm;GGBFS的粒径分布均在0.113~66.897 μm范围内,中值粒径D50为11.997 μm;FA粒径分布均在0.113~211.044 μm范围内,中值粒径D50为14.503 μm。
图2 原材料粒径分布

Fig.2 Particle size distribution of raw materials

1.2 试验方法

1.2.1 地质聚合物合成

试验采用SD、GGBFS与FA的三元混合体系,基于混料试验设计法(Ternary Mixture Design)中混试验点分布最均匀、模型拟合最准确的单纯形格点设计[6]设定配比:三组分比例在0%~100%范围内系统变化,共设计21组配比方案,具体数值见表2。根据前期探索性试验,复合碱激发剂由5 mol/L氢氧化钠溶液与模数3.4的水玻璃按体积比3∶5混合配制,适合激发低活性黏土矿为主的废弃物体系[7],试验用水为去离子水,水灰比固定为0.4。
表2 GGBFS-FA-SD三元配合比设计

Table 2 Mixing ratio design of GGBFS-FA-SDternary system%

编号 SD GGBFS FA 编号 SD GGBFS FA
B0S10F0 100 0 0 B2S2F6 20 20 60
B0S8F2 80 0 20 B4S2F4 20 40 40
B2S8F0 80 20 0 B6S2F2 20 60 20
B0S6F4 60 0 40 B8S2F0 20 80 0
B2S6F2 60 20 20 B0S0F10 0 0 100
B4S6F0 60 40 0 B2S0F8 0 20 80
B0S4F6 40 0 60 B4S0F6 0 40 60
B2S4F4 40 20 40 B6S0F4 0 60 40
B4S4F2 40 40 20 B8S0F2 0 80 20
B6S4F0 40 60 0 B10S0F0 0 100 0
B0S2F8 20 0 80
合成流程如下:按比例称取SD、GGBFS与FA,与复合碱激发剂机械搅拌至均质化,随后浇筑至40 mm×40 mm×40 mm模具中振捣密实。研究表明对于低活性原料提高1~3 d早期养护温度有利于地质聚合物反应的进行,增加基体的强度[8]。因此覆膜密封后于60 ℃养护箱中热养护24 h;此后转移至23±2 ℃、湿度98%的标准养护箱养护至目标龄期。

1.2.2 地质聚合物性能分析

地质聚合物的无侧限抗压强度(Unconfined Compressive Strength,UCS)测试依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)及《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)执行。试样养护至1、7、28 d龄期后,采用伺服液压万能试验机(量程0~300 kN)进行轴向压缩试验,加载速率控制为(2.4±0.2)kN/s(应力速率1.5 MPa/s),直至试样失效。测试前,采用高强石膏对试件上、下端面进行平整处理,确保加载轴与试样几何中心对齐(偏差≤0.5 mm)。每个龄期设置5组平行试样,取算术平均值作为每组试样的抗压强度代表值。

1.2.3 材料表征

抗压试验后的破碎试样经研磨后过200目(孔径0.075 mm)标准筛,采用X射线粉末衍射仪(MinFlex600/600-C,日本理学株式会社,Cu-Kα辐射,λ=1.540 6 Å,电压40 kV,电流15 mA)进行矿物组成分析。测试条件为:2θ扫描范围3°~90°,步长0.02°,扫描速率8 °/min,采用石墨单色器滤波,探测器接收狭缝宽度0.3 mm。
采用傅里叶红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)(FTIR-650,天津港东)分析样品的官能团和化学键,测试波段为波数400~4 000 cm-1
微观形貌与元素分析通过场发射扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)(JSM-5610LV,日本电子株式会社)结合能量色散X射线光谱(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy,EDS)(X-MaxN 50,牛津仪器)完成。经真空喷镀厚度5 nm铂金层后,试样SEM测试在加速电压15 kV、工作距离10 mm条件下进行,配合EDS面扫与点扫模式,获取不同配比及养护龄期试样的微观结构特征与元素分布(Si、Al、Na、Ca、O等),元素定量误差控制在±0.5 at%。
采用毒性特征浸出方法(Toxicity Characteristic Leaching Procedure,TCLP)测试地质聚合物重金属浸出浓度,待测样品破碎至粒径≤9.5 mm,称取1 g加入20 mL醋酸缓冲溶液(pH值=2.88)置于振荡器室温((23±2)℃)条件下,振荡18 h后,用0.22 μm的微孔滤膜过滤,取上层清液,利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定浸出液中的重金属浓度。

2 结果与讨论

2.1 淤泥基地质聚合物力学性能

图3展示了GGBFS-FA-SD三元地质聚合物的无侧限抗压强度随配比与养护龄期的演变规律。整体而言,试样无侧限抗压强度(Unconfined Compressive Strength,UCS)与矿粉(GGBFS)掺量呈显著正相关,但其增强效应呈现边际递减特性:以FA固定掺量20%的系列为例,当GGBFS占比由0%增至80%时,1 d UCS增幅从45.8 MPa降低至6.4 MPa,表明低掺量区间(GGBFS<40%)的活性激发效率更高,其中B2F8S0试样(20%GGBFS+ 80%SD)1 d强度突破70 MPa,兼具高强材料特性与大掺量SD资源化潜力。进一步分析表明,GGBFS掺量阈值(40%)对强度发展机制具有分界效应:低掺量时,SD占比提升可优化早期强度,但高掺量GGBFS(≥40%)体系中,FA掺量增加更利于后期(28 d)强度稳定性。当SD掺量较高时,28 d UCS较7 d下降最高达到17%,而高FA配比试样的后期强度降幅<5%甚至出现维持增长。上述结果表明粉煤灰基地质聚合物有利于后期强度的增长,该结果可为淤泥基地质聚物的长期性能调控提供支撑。
图3 不同矿粉掺量的地质聚合物抗压强度

Fig.3 Compressive strength of geopolymers with different GGBFS contents

2.2 淤泥基地质聚合物矿物组成XRD分析

当采用SD作为单一原料(B0S10F0,100%掺量,水灰比0.4)经复合碱激发剂制备地质聚合物时,试样在1、7、28 d龄期的抗压强度均<1 MPa,且呈现未固化膏体特征,表明其无法形成有效的三维凝胶网络结构。XRD分析(图4)显示,SD中石英、绿泥石及莫来石等结晶相占比较高,其高度有序的硅铝酸盐结构在碱性环境中解离势垒较高,导致活性SiO2与Al2O3溶出较少。X射线荧光光谱(X-ray Fluorescence,XRF)数据进一步揭示,SD中Al2O3含量仅为12.15%,显著低于SiO2含量(62.08%),致使体系摩尔比SiO2/Al2O3=8.67远高于地质聚合反应生成水化硅铝酸盐N-A-S-H(Sodium Alumino Silicate Hydrate)或水化硅铝酸钙C-A-S-H(Calcium-Alumino-Silicate-Hydrate)凝胶所需的阈值(摩尔比SiO2/Al2O3≈4)[9],过高的比例会降低固化后聚合物中自由碱性,造成硅酸碱盐迁移,进而干扰试块的物理和力学性能。铝源的严重匮乏不仅限制[AlO4]四面体的形成与交联,还导致硅氧四面体缩聚过程受阻,最终抑制三维网状结构的发展。因此,需引入外源富铝材料提升体系反应活性,为凝胶相成核与生长提供必要的铝元素支撑。
图4 地质聚合物各龄期XRD图谱

Fig.4 XRD patterns of geopolymers at different curing ages

掺入20% GGBFS,将其与80% SD复配为前驱体后(B2S8F0),体系摩尔比SiO2/Al2O3=5.8,逐步趋近最优值。图4(b)的XRD图谱显示,28°~30°(2θ)范围内出现典型的非晶态特征峰,对应C-S-H凝胶(约29.4°)与C(N)-A-S-H凝胶的叠加衍射响应,表明矿粉的引入有效激活了淤积物的碱激发活性。与纯SD碱激发体系(B0S10F0)相比,除石英特征峰(26.6°)和方解石(29.5°)保留外,绿泥石(12.5°)、白云石(31.0°)等结晶相的峰强降低90%以上,表明GGBFS掺入可促进淤泥中黏土矿物碱溶。
在碱激发过程中,高活性的GGBFS溶出的Ca2+作为电荷平衡离子嵌入-Al(Si)-O-Si-O-网络,形成C-A-S-H与水化硅酸钙C-S-H(Calcium-Silicate-Hydrate)的嵌套结构,消耗并降低了[SiO4]4-与[AlO4]5-浓度,打破了碱溶平衡,促进了淤积物中黏土矿物中硅铝成分的溶出,提高了GGBFS-SD体系中淤积物的反应程度[10]。这种钙-铝-硅三元凝胶体系通过离子键与共价键协同交联,使1 d龄期试样的孔隙率降低,微观结构致密化显著提升了早期力学性能。
含粉煤灰试块的抗压强度发展呈现显著的龄期依赖性:尽管粉煤灰中杂质晶体(如石英与莫来石)对早期(1 d)强度产生抑制作用,但随着养护龄期延长,当粉煤灰掺量≥40%时,7~28 d强度趋于稳定甚至微弱增长,与矿粉-淤积物体系在该阶段的强度显著衰减形成鲜明对比。以B2S0F8试块(高粉煤灰掺量)为例,图4(c)的XRD图谱显示,养护至28 d时粉煤灰的中石灰石(CaO)结晶峰消失,并且出现沸石族的铝硅酸盐C-A-S-H矿物(Tacharanite,Ca12Al2Si18O33(OH)36)特征衍射峰和20°~37°之间的驼峰(C-A-S-H凝胶),一方面表明原材料中的碱激发中溶解,促进了GGBFS-FA的反应程度,同时释放的Ca2+进一步促进了原材料中活性物质的溶解,增加了沸石相矿物[11]和C-A-S-H凝胶的产生。

2.3 淤泥基地质聚合物红外光谱FT-IR分析

图5(a)图5(b)是B2S8F0和B2S0F8的红外吸收光谱,从图5(a)可看出而位于波数3 450 cm-1的左右宽峰是自由水和结构水O-H伸缩振动峰;波数1 596 cm-1左右的峰是自由水中的O-H-O的弯曲振动峰;波数1 000~1 025 cm-1内的吸收峰和波数451~467 cm-1内的峰分别是Si-O-Si(Al)的伸缩振动峰[12]和Si(Al)-O的弯曲振动峰[13]。随着龄期的变化,大掺量淤泥基地质聚合物B2S8F0的Si-O-Si(Al)伸缩振动峰由波数1 025 cm-1移动至1 008 cm-1,Si(Al)-O弯曲振动峰分别由467 cm-1移动至451 cm-1,表明发生了地质聚合反应。值得注意的是,B2S8F0-28 d的峰强相较于B2S8F0-1 d和B2S8F0-7 d的峰强明显减弱,可能是由于在98%相对湿度的养护条件下,部分自由水赋存在孔隙中,阻碍孔隙中凝胶的生成[14],导致了淤泥基地质聚合物后期强度出现不同程度的降低。
图5 地质聚合物各龄期FTIR光谱

Fig.5 FTIR patterns of geopolymers at different curing ages

粉煤灰基地质聚合物B2S0F8的弯曲振动峰和伸缩振动峰存在相同的红移现象,也表明地质聚合物产生。但不同的是B2S0F8-28 d的峰强没有出现明显的减弱现象,可能是由于在碱性孔隙液与粉煤灰中的玻璃体发生二次反应,生成沸石类硅铝酸钙矿物(图4(c)),填充了地质缩合反应产生的裂隙,提高了体系的致密程度[15],维持了粉煤灰基地质聚合物后期强度的发展。

2.4 淤泥基地质聚合扫描电镜SEM-EDS分析

图6(a)为B2S8F0试块表面形貌,反映了碱激发矿粉-淤积物复合体系的水化反应机理。在碱激发剂作用下,矿粉与淤积物中的活性组分发生协同溶解反应,通过硅铝酸盐的结构重组形成了大量C-A-S-H凝胶。该凝胶相具有连续致密[16]的微观形貌,其三维网络结构为材料早期强度发展提供了主要力学支撑。值得关注的是,在1 μm尺度下可观察到网络状C-S-H晶体与C-A-S-H凝胶形成共生结构,二者通过界面化学键合构成互锁体系结构的优化显著提升了材料的体积稳定性。研究结果表明,通过调控碱激发剂配比实现矿粉-淤积物复合体系的微结构优化,不仅验证了地质聚合物强度形成理论,更为疏浚淤积物的高值化利用提供了可行的技术路径。
图6 地质聚合物微观形貌

Fig.6 Microstructure of geopolymers

图3结果表明,在20%GGBFS掺量的条件下,FA代替SD掺入后尽管前期强度较低,但是能提升后期地质聚合物的力学性能。图6(b)的SEM形貌和EDS结果反映其后期强度稳定机理:①相比于水库淤积物的层状硅酸盐,粉煤灰颗粒细小且均匀,其颗粒填充效应更强,增强了整体结构的均匀性和连续性,图6(b)显示FA颗粒周围形成了含铁比较高的C-A-S-H矿物,其高Fe含量主要是吸附包裹了FA原生矿物中含铁矿物,研究表明,赤铁矿在碱性环境中稳定,很难参与地质聚合反应[17],对初期强度有副作用。②高钙粉煤灰中的矿物碱,可以持续提供并稳定地质聚合反应所需的碱度。③潜在活性的硅和铝在碱性环境条件下可以持续促进地质聚合物的再聚合,图6(b)可发现被包覆的FA颗粒(已脱落)与产生的C-A-S-H之间产生了大量的粘接物质。三者协同优化了材料微观结构的致密性与荷载传递效率,从而抑制后期强度退化。这一特性使得粉煤灰掺量较高的地质聚合物在长期稳定性方面展现出明显优势。

2.5 淤泥基地质聚合物TCLP毒性浸出

淤泥基地质聚合物TCLP毒性浸出试验结果见表3
表3 地质聚合物重金属的浸出浓度

Table 3 Leaching concentrations of heavy metals in geopolymers

样品编号 重金属浸出浓度/(μg·L-1)
Cr As Cd Co
FA 37.02 51.54 5.65 29.29
GGBFS 38.18 10.93 5.46 24.33
SD 43.00 10.10 10.01 27.41
B2S4F4 39.45 23.99 ND 17.81
B0S10F0 44.41 51.96 1.79 14.35
B10S0F0 49.23 ND ND 11.94
B2S8F0 47.91 26.60 ND 16.16
B0S0F10 103.17 62.30 ND 13.20
B2S2F6 44.30 28.46 ND 14.42
B2S0F8 56.37 27.10 ND 14.20
B2S6F2 74.66 32.77 ND 18.63
Ⅰ类标准限值 ≤1500 ≤500 ≤100

注:ND(not detected)表示浸出浓度低于检出限。

表3可以看出:固化样品中重金属Cd和Co的浸出浓度与原材料相比明显降低,表明地质聚合物体系可以通过物理包裹、化学吸附、凝胶化等[18]方式实现对2种重金属的固化稳定化。而Cr和As常以阴离子基团形式(CrO42-和AsO33-)存在,地质聚合后部分试样Cr和As浸出浓度反而增加,表明该体系对阴离子型重金属固化效果不明显。
总体来看,当淤泥基地质聚合物养护28 d后,各试验样品重金属浸出均远低于《河湖淤泥处理处置技术导则》(TCWEA—2019)的Ⅰ类标准[19],表明大掺量淤泥基地质聚合物环境安全。

3 结论

本研究探讨了矿渣-粉煤灰-淤积物三元复合地质聚合物体系的力学性能演变规律及其微观作用机制。通过宏观性能测试与多尺度表征手段的协同分析,揭示了活性组分协同激发效应与惰性相转化机理,为疏浚淤积物的高效资源化利用提供了理论依据。主要结论如下:
(1)随着GGBFS的掺入,GGBFS-FA-DS三元体系地质聚合物强度呈现上升趋势,20% GGBFS掺量时地质聚合物强度达到41.1 MPa以上,再添加矿粉对强度促进有限。矿粉掺量<40%时,掺入淤积物比粉煤灰具有更高的强度。20%GGBFS和80%SD体系B2S8F0地质聚合物的1 d抗压强度能达到70 MPa以上,该体系可以实现大掺量水库淤积物的高强地质聚合物制备。
(2)B2S8F0(SD=80%)中淤积物原生黏土矿物粉基本消失,可能是高活性的GGBFS溶出的Ca2+生成纤维状C-S-H凝胶与C(N)-A-S-H凝胶,消耗并降低了[SiO4]4-与[AlO4]5-浓度,打破了碱溶平衡,促进了淤积物中黏土矿物中硅铝成分的溶出,且水化产物包覆在石英等惰性组分表面,形成致密结构并提升稳定性。
(3)F类粉煤灰中含有大量的赤铁矿、莫来石、石英、菱镁矿等惰性组分,难以早期碱溶,但能在高钙体系下通过孔隙液碱激发产生二次反应产物生成沸石类硅铝酸钙矿物,填充了地质缩合反应产生的裂隙,维持GGBFS-SD体系后期强度的发展。
(4)TCLP毒性浸出试验表明淤泥基地质聚合物养护28 d后,重金属浸出浓度均能达到《河湖淤泥处理处置技术导则》(TCWEA—2019)的Ⅰ类标准,表明大掺量淤泥基地质聚合物环境安全。
(5)本研究在60 ℃养护条件下制备出早强型的大掺量淤泥基地质聚合物,后期强度发展缓慢,且高温养护工艺复杂并增加了制备能耗。下一步需要对常温养护制度、长龄期强度与耐久性进行研究,为该材料的低耗制备与耐久性提升奠定了基础。
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