用工业废弃物复合固化剂改性疏浚浆体的水力机械行为

将泥浆变成新土地

在许多拥挤的海岸线城市中，实在没有更多可建设的土地。一种造地的方法是将海底的软泥——即疏浚浆体——抽入浅滩，让其固结成可用的地基。但这种浆体更像是水分极多的汤而非固体土壤：含水量高、细粒粘土占比大、排水极慢。工程师用真空系统挤出水分时，泥体常常堵塞排水通道，不愿干燥。本研究探讨了一种更智能、更环保的助剂方案，利用工业副产物替代大量常规水泥，帮助泥体加固并改善排水。

为什么软海床泥这么难处理

来自上海附近港口的疏浚浆体含水量超过自重两倍，且粒径中超过一半为粘土级别。此时几乎没有强度，水也难以通过。工程上常用真空预压法：将垂直塑料排水管插入泥体，地表施加真空，使水向上排出、土体沉降并增固。然而对于如此细且黏性的泥，颗粒会在排水管周围拥挤，形成近乎不透水的紧密圆柱体。这些“土柱”阻断流道，导致局部干燥而其他部位仍然软弱，延缓工程进度并增加成本。

将废粉掺入以形成有益添加剂

为同时解决堵塞问题和降低碳足迹，研究者测试了由普通水泥、石灰及两种钢铁工业废料（钢渣和高炉渣）混合而成的固化剂。目标不是将浆体完全硬化成混凝土块，而是在干土质量约1–5%范围内使用极低剂量，形成半固体骨架以承载荷载，同时保留水分排出的通道。在实验室中，他们先重现出高含水浆体，再按不同配比混入四种粉体。在高柱样中记录随时间析出的水量，并进行标准的一维固结试验，测量泥体在荷载作用下压缩的速度与程度。

寻找强度与排水的平衡点

试验显示在总添加剂剂量约2%处存在明显阈值。低于该水平时，泥体仍过软并易发生较大压缩，尽管排水有所改善；高于约3%时，混合物开始表现为刚性固体：抵抗进一步压缩但也大幅减少出水，这对依赖流动的真空系统不利。约2%时，形成了半固体骨架，既能承载施加的荷载，又允许水分移动。与未处理浆体相比，加入1%水泥后其渗透率大约提高2到3倍，而2%时渗透率提高约4到5倍——意味着水更容易逸出，加快地基改良速度。

用钢渣和高炉渣让水泥更省用

团队接着探讨能否用工业副产物替代大部分水泥而不牺牲性能。他们将总剂量固定在2%，逐步用钢渣、高炉渣和少量石灰置换水泥。当配方中约40%为钢渣时，出水稳定速度已有所加快。加入约40%高炉渣和7–9%石灰的配方表现尤为良好：改性浆体在更高荷载下仍保持较高渗透性——约为未处理泥的2到3倍——同时有效固结。值得注意的是，这一最佳配比相比全水泥参考量减少了约80%的水泥用量，同时维持或改善了排水性能。

微观颗粒如何重建土体骨架

在显微尺度上，这些粉体通过两种主要方式改变泥体。首先，水泥和石灰中的富钙成分迅速与带电的黏土表面作用，引发絮凝：细颗粒聚集成更大的簇体，彼此之间形成更大的孔隙，使水能更自由地流动。其次，随着时间推移，土壤与工业渣中的钙、硅、铝发生反应，生成新的矿物凝胶和晶体，如硅酸钙水合物和针状的硫铝酸盐（如针状乙矾）。这些产物将絮凝簇体粘结成稳定的骨架，抵抗长期蠕变，同时不完全封闭所有排水通道。经过精细调配的复合配方在构建骨架与保留足够通道之间取得了平衡。

在新沿海地基上更清洁的建设

通俗地说，研究表明我们可以通过少量且精心选择的粉体（其中大部分来自钢铁生产的循环利用）更高效、低碳地将港口水样泥变为可建造的土地。约2%的总剂量可形成半固体、排水良好的土体，减少真空排水堵塞，加快固结并保持强度。用钢渣、高炉渣和石灰替代大部分水泥，在明显削减高能耗水泥使用的同时保持该性能。对于面临土地短缺与减排压力的沿海城市而言，这一方法为安全填海扩展提供了切实可行的低碳路径。

引用: 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

关键词: 疏浚浆体, 真空预压, 工业废弃物再利用, 土壤改良, 沿海填海