Гидромеханическое поведение дноуглубленной суспензии, модифицированной композиционными отверждающими агентами из промышленных отходов

Превращение ила в новую землю

Во многих густонаселённых прибрежных зонах у городов буквально заканчивается место для застройки. Один из способов создать новую землю — перекачивать мягкий ил, или дноуглубленную суспензию, со дна в мелководные участки и давать ей уплотниться до пригодного для использования грунта. Но эта суспензия больше похожа на жидкий суп, чем на плотный грунт: она содержит много воды, очень мелкую глину и почти не пропускает жидкость. Когда инженеры пытаются выжать из неё воду с помощью вакуумных систем, ил часто забивает дренажи и отказывается высыхать. В этом исследовании рассматривается более разумный и экологичный способ помочь такому илу уплотниться и осушиться с использованием побочных продуктов промышленности вместо больших объёмов обычного цемента.

Почему мягкий морской ил так трудно укротить

Дноуглубленная суспензия из гаваней вокруг Шанхая приходит с количеством воды, превышающим её собственный вес более чем в два раза, и более чем половина частиц находится в глинистом классе по крупности. В таком состоянии она почти не обладает прочностью и едва пропускает воду. Инженеры обычно используют метод, называемый предварительной вакуумной загрузкой: вертикальные пластиковые дренажи проталкивают через ил, на поверхности создают вакуум, и вода вытягивается вверх, в результате чего грунт оседает и уплотняется. Однако при такой мелкой и липкой структуре частицы скапливаются вокруг дренажей и образуют плотные цилиндры почти непроницаемого грунта. Эти «столбцы грунта» перекрывают пути тока, в результате часть территории высыхает, а другая остаётся мягкой, что замедляет работы и повышает затраты.

Смешивание отходов в полезную добавку

Чтобы решить проблему засорения и снизить климатический след, исследователи протестировали отверждающие агенты, изготовленные из смеси обычного цемента, извести и двух отходов сталелитейной промышленности: доменного шлака и сталелитейного шлака. Вместо того чтобы полностью превращать суспензию в подобный бетону блок, цель состояла в том, чтобы использовать очень низкие дозы — порядка 1–5% от массы сухого грунта — для создания полутвёрдого каркаса, способного нести нагрузку и при этом оставляющего открытые каналы для оттока воды. В лаборатории они сначала воссоздали водянистую суспензию, затем добавляли разные пропорции четырёх порошков. Отслеживали, сколько воды выделяется со временем в высоких цилиндрах, а затем проводили стандартные одномерные консолидационные испытания, которые измеряют, насколько быстро и насколько сильно грунт сжимается под нагрузкой.

Поиск баланса между прочностью и дренажом

Испытания выявили чёткий порог около общей дозы добавки в 2%. Ниже этого уровня ил оставался слишком мягким и сильно проседал, хотя дренаж улучшался. Выше примерно 3% смесь начинала вести себя как жёсткое тело: она сопротивлялась дальнейшему сжатию, но при этом переставала выделять значительное количество воды, что плохо для вакуумных систем, зависящих от потока. Примерно при 2% образовывался полутвёрдый скелет. Ил мог нести приложенную нагрузку и в то же время позволял воде перемещаться. По сравнению с необработанной суспензией добавление 1% цемента примерно в два–три раза увеличивало проницаемость, а 2% увеличивали её примерно в четыре–пять раз — то есть вода могла уходить значительно легче, что ускоряет улучшение грунта.

Как растянуть эффект цемента с помощью сталелитейных и доменных шлаков

Затем команда спросила, могут ли промышленные побочные продукты заменить большую часть цемента без потери эффективности. Они сохранили общую дозу на уровне 2% и постепенно заменяли цемент сталелитейным шлаком, доменным шлаком и небольшим количеством извести. Формула с примерно 40% сталелитейного шлака уже продемонстрировала более быструю стабилизацию в испытаниях на выделение воды. Когда в смесь добавляли 40% шлака и 7–9% извести, результаты были особенно обнадёживающими: модифицированная суспензия сохраняла повышенную проницаемость — примерно в два–три раза по сравнению с необработанным илом — даже при более высоких нагрузках, при этом эффективно консолидируясь. Поразительно, что лучшая смесь использовала примерно на 80% меньше цемента по сравнению с эталонной смесью на основе только цемента, при этом поддерживая или улучшая дренажные свойства.

Как крошечные частицы восстанавливают скелет грунта

На микроскопическом уровне эти порошки изменяют ил двумя основными способами. Во‑первых, богатые кальцием компоненты цемента и извести быстро взаимодействуют с заряженными поверхностями глины, вызывая флоккуляцию: мелкие частицы собираются в более крупные агрегаты, что образует большие поровые пространства между ними и позволяет воде свободнее перемещаться. Во‑вторых, со временем реакции между кальцием, кремнием и алюминием в грунте и промышленными шлаками образуют новые минеральные гели и кристаллы, такие как гидрат силиката кальция и игольчатый эттрингит. Эти продукты связывают флоккулированные агрегаты в стабильный скелет, устойчивый к длительной ползучести, не перекрывая при этом все дренажные пути. Тщательно подобранные композитные смеси находят баланс между созданием такого скелета и сохранением достаточного числа открытых каналов.

Более чистая застройка на новой прибрежной земле

Проще говоря, исследование показывает, что мы можем превращать водянистый гаваньный ил в пригодную для застройки землю более эффективно и с меньшим углеродным следом, «приправляя» его небольшой, но тщательно подобранной смесью порошков, большая часть которых — вторичный продукт сталелитейного производства. Общая доза около 2% создаёт полутвёрдый, хорошо дренируемый грунт, который с меньшей вероятностью будет забивать вакуумные дренажи, консолидация которого идет быстрее, и который остаётся прочным. Замена большей части цемента сталелитейным шлаком, доменными шлаками и известью сохраняет эти свойства при значительном сокращении использования энергозатратного цемента. Для прибрежных городов, сталкивающихся с нехваткой земли и задачей сокращения выбросов, этот подход предлагает практичный, с более низким углеродным следом способ безопасного освоения вновь созданных участков.

Цитирование: Liu, Y., Zhang, H., Liu, X. et al. Hydromechanical behavior of dredged slurry modified with industrial waste composite curing agents. Sci Rep 16, 11217 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41409-2

Ключевые слова: дноуглубленная суспензия, предварительная вакуумная загрузка, повторное использование промышленных отходов, улучшение грунта, освоение прибрежной территории