《Process Safety and Environmental Protection》：Sustainable production of construction geomaterials from waste slurry through an optimized low-carbon dewatering–solidification process
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高含水率污泥脱水工艺中预胶凝材料导致滤饼强度衰减问题，本研究通过量化评估揭示强度损失与胶凝材料类型、预处理时长及初始含水率正相关，提出增强型预胶凝过滤工艺（EBPFP）。实验表明添加辅助剂可提升滤饼28天无侧限抗压强度23%-36%，降低成本11.15%-20.26%，碳减排17.22%-20.18%。微观分析表明EBPFP通过调控胶凝材料水化进程，促进C-S-H凝胶和AFt相生成，优化孔隙结构，有效抑制早期水化导致的强度损失。
吴思琳|董书彤|丁文文|孙晓辉|郑琦|吴凯莉|齐永正|陈忠平
江苏科技大学建筑工程学院，镇江，212100，中国
摘要
大量高含水量废弃浆液需要高效脱水和处理以实现可持续发展。最近提出的“粘结剂预处理过滤工艺”（BPFP）通过快速脱水和生产建筑用土工材料来满足这一需求；然而，预先添加粘结剂会导致过滤过程中水化产物的损失，从而降低强度、增加成本并降低资源利用效率。本研究定量评估了BPFP的局限性及其影响因素，并提出了一种优化工艺及其背后的机理。结果表明，在3天时，BPFP处理后的滤饼强度降低了19%–40%；在56天时降低了7%–18%。较短的水化时间、快速水化的粘结剂以及较高的初始含水量和延长的预处理时间会加剧这些损失。为了解决这些问题，在粘结剂预处理前加入了少量辅助剂，开发了改进型BPFP（EBPFP）。与BPFP相比，EBPFP中每种辅助剂的最佳用量使强度提高了23%–36%，成本降低了11.15%–20.26%，碳排放减少了17.22%–20.18%，同时提高了脱水效率。微观结构分析表明，BPFP导致的强度降低是由于在高含水量浆液环境中粘结剂水化加速，导致水化产物损失和孔隙率增加；而EBPFP则抑制了早期水化，增强了C-S-H和AFt的形成，并改善了孔隙结构，从而提高了强度。总体而言，本研究加深了对粘结剂在浆液脱水-固化条件下行为的理解，并为将废弃浆液转化为低成本、低碳建筑用土工材料提供了更清洁的生产途径。
引言
每年从疏浚作业、泥浆盾构隧道施工和矿物加工过程中会产生大量高含水量废弃浆液（Khazaie等人，2022年；Sun等人，2023年；Wang等人，2023年）。废弃浆液通常具有较高的细颗粒含量和缓慢的沉淀速率，导致处置场长期占用（Huang等人，2023年；Li等人，2024年）。此外，它可能含有污染物，并且力学性能较差，对周围环境构成潜在的二次危害（Li等人，2022年；Zhuang等人，2022年）。因此，快速脱水废弃浆液对于减少其体积至关重要。考虑到可持续发展，将脱水后的浆液转化为可回收的土工材料具有重要意义。
过滤是一种常用的方法，用于分离高含水量废弃浆液中的水和土壤颗粒。真空预压、土工织物脱水袋和板框压力过滤等技术利用土工织物来促进浆液脱水（Karado?an等人，2022年；Pu等人，2022年；Zhou等人，2022年）。在过滤前通常会加入聚合氯化铝和聚丙烯酰胺等混凝剂和絮凝剂以提高脱水效率（He等人，2023年；Liu等人，2023年；Sun等人，2022年）。然而，由于浆液中含有大量粘土，脱水后的滤饼通常力学性能较差，难以直接作为土工材料回收利用（Wu等人，2022年）。
为了提高从浆液脱水过程中获得的滤饼作为土工材料和建筑材料的适用性，近年来提出了“粘结剂预处理过滤工艺”（BPFP）（Dong等人，2020年；Zhang等人，2019年）。BPFP包括将水泥和地质聚合物等粘结剂预先加入浆液中，然后进行快速混合、过滤和最终形成滤饼（Han等人，2023年；Qin等人，2023年）。图1(a)展示了实验室规模的BPFP装置。预先混合粘结剂不仅提高了后续的过滤效率，还确保了粘结剂留在脱水后的滤饼中并发生水化，从而提高了强度（Wu等人，2022年）。因此，滤饼可以直接用作回填材料或用于生产非烧结建筑材料（Cui等人，2022年；Sun等人，2023年）。此外，在预处理过程中加入粘结剂还可以减少滤饼中污染物的浸出性（Mastoi等人，2021年；Pu等人，2021年），降低二次污染的风险。与传统工艺相比，传统工艺首先对浆液进行脱水，形成低强度的滤饼，随后需要破碎、加水并混合粘结剂以实现可回收性，而BPFP则在过滤前就加入了粘结剂，直接生产出高强度的土工材料。这种简化方法消除了多个后处理步骤，显著降低了工艺复杂性和成本，提高了效率（Sun等人，2023年）。
然而，值得注意的是，废弃浆液的含水量通常很高，范围从75%到400%不等（Bian等人，2023年；Wang等人，2023年；Wu等人，2024a）。这意味着在BPFP中预先加入的粘结剂会与大量自由水接触。先前的研究表明，随着自由水含量的增加，粘结剂的溶解也会增加（Juilland等人，2010年；Scrivener等人，2019年）。在这种条件下，加入高含水量浆液中的粘结剂容易发生加速的早期水化和溶解，可能导致在后续过滤过程中水化相关离子或产物流失到滤液中。先前的定量研究提供了直接实验证据支持这一推断。通过监测滤液中Ca2+浓度的变化，估计在BPFP过程中大约有8.78%的普通波特兰水泥流失（Wu等人，2024b）。因此，BPFP预处理过程中的过早水化和溶解会减少滤饼中保留的有效水化产物量，导致强度降低、材料效率降低和碳排放增加。尽管人们对BPFP的兴趣日益增加，但滤饼强度降低的程度、其控制因素以及有效的缓解策略仍缺乏充分研究。
因此，本研究旨在：（1）定量评估BPFP处理后滤饼的强度降低模式，并确定关键影响因素（粘结剂类型、预处理时间、初始含水量）；（2）通过加入辅助剂开发改进型BPFP（EBPFP），并验证其在提高强度、降低成本和减少碳排放方面的有效性；（3）通过综合表征阐明BPFP中强度降低的微观机制以及EBPFP中强度提高的机制；（4）评估优化方法的经济和环境效益。
材料
本研究中使用的浆液是通过将脱水后的废弃土壤与水重新混合制备的。废弃土壤的液限为40.37%，塑限为21.45%，比重为2.43。原始浆液的过滤比阻力（SRF）测量值为1.31 × 1011 m/kg，表明其脱水难度较大。废弃土壤的粒径分布、XRD和SEM特性见附录中的图S1。详细的化学成分见
强度降低模式
图2展示了BPFP测试（OPC）、BPFP测试（SAC）、CG测试（OPC）和CG测试（SAC）所得滤饼的强度。假设CG测试的滤饼没有强度降低。无论使用的是OPC还是SAC作为粘结剂，BPFP测试的滤饼强度始终低于CG测试的滤饼，表明由于在浆液中预先添加了粘结剂，BPFP处理后的滤饼发生了强度降低。
强度降低比率
图2和图3表明，BPFP处理的滤饼出现了强度降低现象，这是首次发现和确认的。一些预先加入高含水量浆液中的粘结剂未能对滤饼的最终强度做出贡献，导致UCS低于预期。图13量化了BPFP处理后滤饼的强度降低比率，并揭示了其与粘结剂类型、固化龄期和初始浆液含水量之间的相关性
结论
本研究重点关注“粘结剂预处理过滤工艺”（BPFP）中的强度降低问题，并对其进行了定量评估。提出了一种优化方法——改进型BPFP（EBPFP）。通过系统实验和微观结构分析，研究了BPFP中的强度降低模式及其影响因素、EBPFP的增强效果和经济效益，以及微观层面的强度演变机制。
未引用的参考文献
(Li等人，2024年；Sun等人，2023年)
CRediT作者贡献声明
陈忠平：撰写——审稿与编辑。郑琦：可视化、方法学、研究、正式分析。丁文文：撰写——审稿与编辑、监督。齐永正：方法学、研究。吴凯莉：研究。吴思琳：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。孙晓辉：撰写——审稿与编辑、资金获取。董书彤：撰写——初稿、可视化。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52422004、52108369）和深圳市绿色、高效智能地铁站建设重点实验室项目（项目编号ZDSYS20200923105200001）的支持。
