综述：将疏浚淤泥转化为活性粘土：关于煅烧、反应性以及作为辅助胶凝材料的可持续增值利用的综述

《Applied Clay Science》：Transforming dredged sediment into reactive clay: Critical review of calcination, reactivity, and sustainable valorization as supplementary cementitious material

本文综述了疏浚污泥（DS）经煅烧后作为 supplementary cementitious material（SCM）的潜力，分析其物理化学特性变化、预处理策略及对水泥基材料性能的影响，并讨论了原料变异性、重金属管理及规模化应用等挑战。

　　

韩成浩|魏尚元|李库初|杨坤赫|法尔沙德·拉贾比普尔|卡马尔·H·卡亚特|尹真英

美国密苏里科技大学土木、建筑与环境工程系，罗拉，MO 65409

摘要

通过常规的港口和水道维护，全球产生了大量疏浚沉积物（DS），但其处置带来了环境和经济挑战。最近，烧结疏浚沉积物（CDS）作为一种辅助胶凝材料（SCM）出现，为传统SCM（如粉煤灰和矿渣水泥）提供了可行的替代方案。本文综合了关于原始DS的物理、化学和矿物学特性以及旨在脱水、去除有机物和稳定污染物的预处理策略的现有知识。还讨论了烧结对活性非晶铝硅酸盐生成的影响。重点介绍了通过实验分析和分子动力学模拟揭示的物理化学变化，这些变化阐明了高岭石、伊利石和蒙脱石等粘土矿物的脱羟基化和非晶化途径。基于强度活性指数和等温量热法的反应性评估证实，在优化的烧结条件下，CDS可以满足ASTM对N类火山灰的要求。关于其在砂浆、混凝土和地质聚合物混合物中应用的研究显示出了良好的性能。最后，本文讨论了原料变异性、重金属管理、工艺可扩展性和标准化方面的挑战，并展望了CDS在未来可持续和循环胶凝系统中的整合前景。

引言

疏浚沉积物（DS）是港口、码头和通航水道常规维护的副产品，全球产量巨大。历史上，大部分此类材料被视为废物，通常通过倾倒海洋或填埋处理，这些做法引发了重大的环境和监管问题（Snellings等人，2016a）。在西欧，每年大约有3亿立方米的沉积物被疏浚，其中法国贡献了超过5000万立方米。美国每年产生约2.5亿立方米的沉积物，而中国每年产生约1亿立方米（Snellings等人，2016a；Dorleon等人，2024；Harrington等人，2016）。自1990年以来，韩国也有相关记录。2005年DS的产量超过4000万立方米（近年来年产量最大），过去5年的平均产量为600万立方米（海洋环境数据库，2024）。主要依赖填埋处理带来了多重挑战。从环境角度来看，DS中存在的重金属、有机物和其他污染物可能导致污染风险和长期生态影响（Abriak等人，2023；Develioglu和Pulat，2019）。从经济角度来看，处理、运输和处置如此大量的沉积物给港口当局和地方政府带来了巨大成本。这些环境和财务负担凸显了探索DS可持续回收和有益再利用途径的迫切需求，而不仅仅是将其视为废物。

一种有前景的方法是将DS作为辅助胶凝材料（SCM）重新利用于建筑行业。随着传统来源（如煤粉灰（FA）和粒化高炉矿渣（GGBFS）的供应减少，水泥行业面临着寻找可持续SCM替代品的压力（Yoon等人，2024；Safer等人，2018）。由于煤炭发电的转型，FA的供应量下降；而矿渣的供应受到钢铁生产率的限制，自2010年代中期以来某些地区也出现了短缺，因为钢铁生产正转向氢能钢铁生产，现在更多依赖废钢回收（Jafari等人，2022）。因此，人们对烧结粘土和其他丰富材料作为新的SCM来源越来越感兴趣（Jafari等人，2022；Yoon等人，2022），如图1所示。特别是细粒且富含粘土的DS部分，通过适当的处理有潜力转化为活性火山灰材料（Dang等人，2013；Amar等人，2018a；Zeng等人，2021）。

使用DS作为SCM有两个主要动机。首先，它通过将废物流转化为生产性用途来促进可持续性，从而降低疏浚作业和水泥生产的环境足迹（Rodríguez等人，2013；Amar等人，2021）。其次，它可以弥补传统SCM的不足，从而有助于减少水泥中的熟料含量和相关CO₂排放（Yoon等人，2022）。波特兰水泥熟料制造是一个高碳过程，占总人为CO₂排放量的8%，因此，每替代一吨水泥使用火山灰材料就可以显著节省CO₂（Scrivener等人，2016）。最近的研究证实，经过球磨和热活化等处理后，富含粘土的DS能够作为有效的火山灰SCM，提高混凝土性能（Rodríguez等人，2013；Amar等人，2021）。然而，要实现这一潜力需要克服与沉积物异质性相关的挑战，如高水分含量、有机物和污染物，如果管理不当，这些因素可能对性能产生不利影响（Amar等人，2021）。

本文全面回顾了烧结DS（CDS）作为SCM的潜在用途，分析了原始DS的基本特性、预处理和调理方法（包括脱水、颗粒分级、有机物去除和重金属稳定），以及诱导火山灰反应性所需的热活化过程。然后基于其强度活性指数和等温量热法检验了CDS的反应性，并通过分子动力学模拟提供了对烧结途径和反应机制的原子级见解。总结了CDS在胶凝复合材料和地质聚合物粘合剂中的应用，重点关注性能、耐久性和环境安全性。通过整合这些发现，本文旨在整理分散的数据，识别知识空白，并概述CDS从废物流转变为可靠SCM的途径，从而支持建筑行业的循环经济和可持续性目标。

部分摘录

物理性质

原始DS的物理性质因其地理来源、沉积环境和污染程度而异。尽管存在这种变异性，但仍可以识别出一些共同特征。一般来说，DS由细粒且富含水分的材料组成，表现为柔软、高压缩性的土壤。其高水分含量、低密度和细颗粒分布使其与传统的天然火山灰材料有根本区别。

预处理的必要性：物理挑战和环境风险

原始DS具有多种具有挑战性的物理和环境特性，因此在烧结或用作SCM之前需要对其进行预处理。从物理上看，新疏浚的材料通常含有超过30%的质量水分，形成一种柔软、高度饱和的浆体，由于蒸汽生成过多、热传递效率低和处理困难，无法直接进行烧结（Solanki等人，2023）。如此高的水分含量也增加了干燥能耗。

火山灰反应性的烧结概念

烧结是指在高温下对原材料进行热处理，以去除挥发性成分并引发化学和矿物学变化。对于含有粘土的DS，烧结通常在600–900°C范围内进行。这足以使高岭石、伊利石和蒙脱石等粘土矿物脱羟基，通过从其晶格中去除结构OH基团（Fernandez等人，2011；Tironi等人，2013；Msinjili等人，2019）。

DS在胶凝系统中的应用

目前，DS在建筑行业尚未实现完全商业化应用。尽管如此，已有几个试点项目和研究计划探索了其作为骨料、SCM和熟料原料的潜力。表5总结了DS和CDS作为建筑材料的潜在应用。

在美国，Ash Grove Cement最近获得了美国能源部的资助，开展了一个名为“将DS重新用作SCM以生产低熟料水泥”的项目

挑战与未来展望

尽管在将DS转化为可行的辅助胶凝材料方面取得了显著进展，但在实现广泛采用之前仍存在若干挑战。下一步的发展必须解决大规模应用、原料变异性、污染物管理、烧结优化以及确保耐久性和性能等方面的问题。解决这些问题对于实现CDS的广泛应用至关重要。

结论

这篇综合回顾认为CDS是一种有前景的SCM，而原始DS是一种细粒、富含水分且含有粘土的材料，需要预处理以减少过多的水分、有机物和污染物。烧结涉及热活化，显著改变了它们的物理和化学特性：它去除了有机物，导致粘土矿物脱羟基，并形成了非晶铝硅酸盐相。

CRediT作者贡献声明

韩成浩：撰写——初稿、验证、方法论、正式分析。魏尚元：研究、正式分析。李库初：研究、正式分析。杨坤赫：方法论、概念化。法尔沙德·拉贾比普尔：撰写——审阅与编辑。卡马尔·H·卡亚特：撰写——审阅与编辑。尹真英：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、资金获取、正式分析。

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所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的支持（编号：RS-2025-02303674和RS-2024-00459490）。