《Journal of Cleaner Production》：Biomimetic rehabilitation of damaged contaminant-containment and load-bearing structure by a near-zero disturbance method: Pilot-scale test in an operating plant
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污染防渗与承重结构（CLS）损坏修复难题，提出近零干扰聚氨酯注浆法，通过填充基体土孔洞和结构裂缝，模拟红树林根系增强结构完整性，改善表面平整度71.4%，降低渗透系数2个数量级，抗压强度提升0.43倍，长期性能验证有效。
冯雅松|王水|陈宇涛|李梦雅|尹志华|吕宗祥
江苏省环境科学研究院环境工程重点实验室，南京，210036，中国
摘要
作为工业生产过程中防止土壤和地下水污染的常用辅助设施，污染物 containment and load-bearing structures (CLS) 在使用过程中容易受到损坏。然而，目前运营工厂中缺乏针对受损 CLS 的低干扰修复方法。本研究提出了一种新型的近零干扰聚氨酯灌浆修复方法，并通过全面的现场机械和环境性能测试进行了验证。结果表明，填充在 CLS 板裂缝中的固化聚氨酯以及 CLS 板与下层基底之间的空隙显著提高了受损 CLS 的结构完整性，并使其平整度提高了 71.4%。修复后的 CLS (RCLS) 板芯的渗透系数最大降低了两个数量级，轴向抗压强度提高了 0.43 倍。此外，RCLS 的长期污染物 containment 性能也得到了提升，基底土壤的渗透阻力增加了 21.3%，干密度提高了 17.3%。这种有效且易于接受的修复方法对于预防和控制土壤污染源具有巨大潜力。
引言
土壤和地下水污染对生态系统、人类健康和可持续的社会经济发展构成了严重威胁（Hou 等，2025）。在人为活动中，工业生产过程中的污染排放是环境问题的主要来源（Su 等，2025）。为了平衡高质量的经济发展和环境质量，中国目前已制定了加强工业生产过程中土壤污染源预防和控制的行动计划（Qu 等，2016；Zhou 和 Liu，2018）。该计划强调要防止工业和采矿企业产生新的污染，并加强全过程监督，以确保开发用地的安全使用。
在标准化的工业厂房中，生产车间、仓储区、储罐区等不同功能区域的承重混凝土板被设计用来承受和分散交通和/或工人荷载到下层基底（Rizzuto 等，2022；Célia 等，2024）。更重要的是，这些地板或路面的另一个主要功能是阻止意外泄漏的污染物（如化学物质、重金属和碳氢化合物）渗入下层土壤和地下水，并抑制挥发性有机化合物 (VOCs) 从地下和地下水中迁移到厂房内的空气中（Macdonald 等，2022；Settimi 等，2024）。为了强调工业设施中板材的双重功能要求，本研究引入了“污染物 containment and load-bearing structure (CLS)”这一术语。尽管在定期进行的 CLS 性能检测中越来越认识到其环境和机械重要性，但在文献或应用中，这两种功能之间的相互作用仍缺乏足够的量化研究，特别是在接近结构失效的受损工业地板和路面上。
由于工业设施早期建设和质量控制规范不足，许多 CLS 在其整个使用寿命期间经常容易开裂（Al-Zahrani 等，2023；Liu 等，2023, 2024；Yang 等，2024）。如果修复措施没有得到妥善实施，这些裂缝不仅可能损害结构完整性，还可能导致污染物迁移（Salt 和 Kjeldsen，2019；Yang 等，2024）。渗透的污染物会导致土壤强度和弹性模量的显著下降（Ahmadi 等，2021；Chen 等，2023；Nasiri 等，2024）。例如，受石油污染的土壤表现出显著降低的水力传导性，而受重金属污染的土壤则表现出增加的渗透性（Feng 等，2023；Xu 等，2023）。此外，土壤渗透性的各向异性、地下水位的季节性波动以及 CLS 板中随机分布的裂缝会导致基底土壤的空间异质性退化（Zheng 等，2024；Li 等，2025；Wang 等，2025c；Wu 等，2025）。现有的实验结果表明，循环雨水通过 CLS 裂缝渗透会引发泥浆泵送和土壤管涌现象，尤其是在基底由低质量填充物组成的情况下（Kim 等，2018；Qin 等，2022）。这一过程促进了细小土壤颗粒的迁移，导致下层基底土壤中形成空洞或空隙。因此，这种相互退化会引发一个反馈循环，逐渐加剧土壤和地下水的污染（Ho?a 等，2019；Shan 等，2021；Hu 等，2025）。迄今为止，已经进行了大量研究以开发用于修复开裂混凝土地板或路面的新灌浆和涂层材料（Wang 等，2023b；Zhang 等，2024b，2025）。然而，现有研究和工程应用中尚未考虑基底土壤的机械性能对 CLS 板环境和机械性能的影响。因此，在为运营中的工业设施制定修复策略时，全面评估 CLS 板的当前使用状况和基底土壤的工程性能至关重要。
仿生学是一种可持续的设计方法，它将生物原理转化为促进人类健康、生态可持续性和社会繁荣的创新解决方案（Snell-Rood，2016）。受到红树林根系的启发，红树林根系由浅层支柱根和深层支撑根组成（图 S1），长期以来被认为在海岸稳定中起着重要作用（Thomas 等，2023），本研究提出了一种创新的近零干扰修复方法用于受损 CLS。通过两步灌浆技术，首先将聚氨酯注入基底土壤空隙，然后注入 CLS 板裂缝中。快速固化的聚氨酯形成了类似于红树林根系的结构：空隙中的聚氨酯充当深层支撑根，而裂缝中的聚氨酯则充当浅层支柱根。这些聚氨酯支柱根有望封堵污染物迁移的优先路径并压实基底土壤（Boonsung 等，2024；Wu 等，2024；Zheng 等，2024；Wang 等，2025a）。与仅限于 CLS 板裂缝修复的传统方法相比，这种方法提高了基底土壤的机械性能，从而提高了 RCLS 的耐久性并降低了对周围土壤和地下水环境的风险。虽然这种新方法在理论上是合理的，但其现场适用性和在运营中的工业和采矿污染场地上的长期有效性仍需要系统的验证。
通过首次全面的现场测试，本研究的目的是评估使用所提出的近零干扰修复方法将受损 CLS 升级为 RCLS 的可行性，以及 RCLS 在运营中的化学工业场地使用四个月后的有效性。本研究在 RCLS 实施前后的四个关键测试阶段（阶段 I 至 IV）监测了 CLS 的平整度、完整性、承载性能和污染物 containment 性能。本文的结构如下：第 2 节介绍了现场特征和气候条件；第 3 节详细介绍了近零干扰修复和测试方法；第 4 节展示了 RCLS 的工程性能关键结果，并在第 5 节进行了深入讨论；最后一部分总结了主要结论。
现场特征
基于一个即将实施的土壤污染源预防和控制项目，在中国泰兴的一家运营中的化学工厂进行了现场测试，以验证在现场实施近零干扰修复方法来维护受损 CLS 的可行性，并评估 RCLS 的长期工程性能。该工厂位于长江附近约 0.9 公里处，成立于 21 世纪初，已有约 20 年的历史
修复材料
大量研究表明，在酸性或碱性条件下，水泥灌浆材料的机械和环境性能会显著下降（Ajir 等，2025）。因此，本研究使用了基于聚合物的材料和改性水泥来修复靠近 H2SO4 储罐区和 NaOH 储罐区的受损 CLS。这种膨胀型聚合物材料用于密封路面板的裂缝并填充其中的空隙
平整度和完整性
为了评估修复对 CLS 表面平整度的效果，在阶段 I 到阶段 IV 期间共进行了四次 CLS 表面高度测量。图 5 显示了 30 个测试点的 CLS 表面高度。修复前，CLS 表面出现了大量裂缝，部分裂缝完全穿透了 CLS 板，形成了污染物迁移路径。由于 CLS 表面发生意外泄漏，大量污染物渗入
受损 CLS 近零干扰修复的机制
如图 15 所示，工业设施中的污染物 containment and load-bearing structure (CLS) 被设计为实现两个主要功能：(i) 阻止 CLS 表面污染物向下迁移到下层土壤和地下水中，以及阻止挥发性有机化合物 (VOCs) 从下层土壤和地下水中向上迁移到大气或室内环境中；(ii) 支撑和分散交通和工人荷载到下层
结论
本研究对在运营工厂中使用近零干扰方法修复受损 CLS 的可行性和有效性进行了系统的现场试点调查。根据测试结果，可以得出以下结论：
(1)受损 CLS 和 RCLS 的污染物 containment 能力和承载性能表现出显著的正相关性。这些关系有助于有效检测和评估污染物 containment
CRediT 作者贡献声明
冯雅松：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，资金获取，概念化。王水：撰写 – 审稿与编辑，方法论，资金获取，概念化。陈宇涛：撰写 – 审稿与编辑，调查。李梦雅：撰写 – 审稿与编辑，调查。尹志华：调查。吕宗祥：调查。
数据声明
本研究生成和分析的数据集可在合理请求下从相应作者处获得。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了 国家重点研发计划（编号：2019YFC1804000 和 2022YFC3702500）、中国博士后科学基金会（编号：2022M711397 和 2024T170359）、江苏省环境工程重点实验室（编号：ZX2023003）以及 南京博士后研究计划（编号：2021040）的财政支持。作者也感谢中国的纳税人，尽管他们中的许多人可能永远不会阅读这篇论文。
