武汉轻工大学陆海军教授团队撰写的“Solidified Tailings-Contaminated Sludge as an Anti-Seepage Material for Solid Waste Landfills: Mechanical Characteristics and Microscopic Mechanisms” （固化尾矿污泥作为固废填埋场防渗材料—力学特征与微观机理）一文在GeoStorage-《地质储存》（英文刊）第2期发表。欢迎下载、阅读、转发和引用！

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  Mao LJ, Cui WY, Chen M, et al. 2025. Solidified Tailings-Contaminated Sludge as an Anti-Seepage Material for Solid Waste Landfills: Mechanical Characteristics and Microscopic Mechanisms. GeoStorage, 1(2), 171-179. https://doi.org/10.46690/gs.2025.02.06.

一、研究背景

  针对尾矿污泥污染风险大、资源化利用低以及传统固废填埋场防渗材料易开裂、破损等工程技术问题，该研究集合多源固废(石膏粉、矿渣、钢渣粉)、少量水泥以及复合碱性激发剂(木质素硫磺钙、烧碱等)制备固化剂(CSGA)，利用CSGA对尾矿污泥进行固化处理，并试图将固化污泥作为固废填埋场的防渗屏障材料。通过无侧限抗压强度试验、柔性壁渗透试验以及FT-IR、BET、TG-DTG等表征手段，系统分析CSGA固化污泥体系的宏观力学特征、微观结构特征以及反应机理。该研究可为尾矿污泥资源化利用和固废填埋场防渗材料的研发提供新思路。

二、核心内容

  研究表明：标准养护7 天后，固化污泥的无侧限抗压强度达到2.60 MPa-4.61 MPa(图1(a))，养护14 天后，其抗压强度达到4.22 MPa-7.99 MPa(图1(b))。28 天后样品的无侧限抗压强度较14 天略微下降，其值为3.97 MPa-6.85 MPa(图1(c))，这是由于在碱激发体系下固化污泥早期水化反应剧烈，生成了大量亚稳态的水化产物；但在养护后期，这些产物结构发生重组与转化导致其力学性能下降。养护28天后，固化污泥的渗透系数为5.01×10^-8-6.74×10^-8cm/s (图1(d))，满足《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》(GB 18599) 中防渗材料的工程技术要求。

图1  固化污泥无侧限抗压强度和渗透系数

  固化污泥致密性结构主要归因于碱激发反应生成的凝胶和晶体对孔隙的有效填充。复合碱激发剂激活了矿粉、钢渣中的活性硅铝组分，生成大量C-S-H、C-A-S-H凝胶作为骨架。同时，石膏促进了针状钙矾石(AFt)的生成，氢氧化钙碳化生成的碳酸钙(CaCO₃)，这些产物共同填充了固化污泥的孔隙结构(见图2(a, b))。

7天样品的 TG 曲线(图2(c))随温度升高持续失重，主要对应自由水、结合水及部分水化产物的分解。DTG 中100-200°C为结合水及C–S–H脱水峰，400-600°C为Ca(OH)₂分解峰，600-800°C为 CaCO₃ 分解峰。14 d样品的 DTG 峰(图2(d))更强、更尖锐且整体向高温偏移，表明水化反应更充分。

       7 天样品的FTIR(图2(e))显示在3615–3693cm⁻¹ 出现O–H伸缩峰，表明体系中有 Ca(OH)₂ 生成；3430 cm⁻¹和1635 cm⁻¹对应结合水与吸附水；1010-1040 cm⁻¹对应Si–O–Si/Al 结构；1105 cm⁻¹表明 SO₄²⁻参与AFt/AFm形成；1427-1463 cm⁻¹则表明部分Ca(OH)₂ 碳化。14天(图2(f))其特征峰进一步增强并变尖锐，说明水化反应与凝胶聚合持续发展。

图2 固化污泥的微观特征(BET、TG-DTG、FTIR)

  在强碱环境下，矿粉和钢渣粉被激发，溶出活性 Si/Al，并与 Ca²⁺ 聚合生成 C–S–H 与 C–A–S–H 凝胶；石膏水化形成的 AFt 则进一步填充孔隙并提高结构致密性。随着龄期增长，凝胶、AFt 以及后期碳化产生的 CaCO₃ 持续填充尾矿污泥孔隙，从而显著提升固化污泥的强度与稳定性。其微观机理见图3。

图3 固化尾矿污泥的微观机理概念图

展望：未来研究可进一步关注不同工业固废组分的协调控机理以及分子动力学特征，评价复杂环境条件下固化污泥的长期耐久性，以及在低碳化、规模化应用条件下的材料优化与工程化推广，为尾矿污泥资源化利用提供更多思路。

三、作者简介

  第一作者：毛连杰，武汉轻工大学土木工程与建筑学院硕士，主要从事固体废物安全处置与资源化利用应用研究。

  通信作者：陆海军，男，1979年生，河北秦皇岛人，2009年获大连理工大学博士学位，现为武汉轻工大学教授。兼任中国岩石力学与工程学会青年工作委员会委员、湖北省岩石力学与工程学会理事。主要从事环境岩土工程、污染水土生态修复、固体废物安全处置与资源化利用方面的研究。主持国家自然科学基金重点、面上、青年基金3项，其他省部级项目近10项。发表SCI论文40余篇，授权发明专利10余项。