隨著工業(yè)的快速發(fā)展，大宗工業(yè)固體廢棄物的資源化利用問題日益緊迫。目前，我國約有70%的鋼渣尚未得到合理利用。大量堆存的鋼渣不僅造成資源嚴(yán)重浪費，還對土地資源及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著破壞。鋼渣的礦物組成與水泥相近，主要包括硅酸二鈣、硅酸三鈣、鐵鋁酸鈣等，盡管其活性硅酸鹽礦物含量遠(yuǎn)低于水泥，但仍具備一定的膠凝活性。利用鋼渣、礦渣和石膏制備低碳膠凝材料，以替代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，有助于推動水泥行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排。

針對當(dāng)前低碳膠凝材料存在的強度偏低、鋼渣利用率不高等問題，揚州大學(xué)龔泳帆團隊開展了鋼渣粉低碳膠凝材料的組成設(shè)計與水化機理研究。該團隊以鋼渣粉、礦渣粉、石膏和鋁酸鈣為原料，制備了一種鋼渣粉低碳膠凝材料；探討了鋼渣粉細(xì)度對其膠凝活性的影響，確定了鋼渣粉的最佳細(xì)度范圍；通過正交試驗明確了材料的優(yōu)化配比方法；闡明了石膏類型對低碳膠凝材料性能的影響機制，并揭示了該低碳膠凝材料的水化機理。該研究對促進(jìn)鋼渣資源化利用、推動行業(yè)節(jié)能減排具有重要意義。目前該研究內(nèi)容已獲專利授權(quán)。

• 鋼渣粉細(xì)度對低碳膠凝材料活性的影響

機械活化可以明顯提高鋼渣的膠凝活性，行星式球磨機最佳粉磨時間為15 min，比表面積可達(dá)到402 /kg，平均粒徑為20.74 μm，其活性指數(shù)為82.73%，較原粉提高了25.4%。

• 鋼渣粉低碳膠凝材料最佳配比

以凈漿抗壓強度為評價指標(biāo)，通過正交試驗并結(jié)合方差、極差分析得到鋼渣粉低碳膠凝材料最佳配合比：鋼渣與礦渣的摻比為2∶3、鋁酸鈣的摻量為5%、二水石膏的摻量為20%，此時28 d凈漿試件抗壓強度為44.4 MPa。

• 石膏類型對鋼渣粉低碳膠凝材料性能的影響

二水石膏激發(fā)效果最佳，該體系在水膠比為0.4的條件下膠砂試件28 d抗壓強度為40.7 MPa，24 h的pH值穩(wěn)定在9.2左右，離子溶出趨勢與水化反應(yīng)趨勢相一致，3 d水化放熱總量較低（91.92 J/g），堿度和水化熱均遠(yuǎn)低于普通硅酸鹽水泥。水化產(chǎn)物主要為鈣礬石和C-(A)-S-H凝膠，隨著水化齡期的增長，強度也隨之穩(wěn)定增長。同時，鋼渣粉低碳膠凝材料具有低堿、低水化熱等特性。

• 鋼渣粉低碳膠凝材料水化機理分析

在鋼渣粉低碳膠凝體系中，礦渣、鋼渣提供堿性物質(zhì)，二水石膏提供SO^2-，鋁酸鈣提供Al³⁺的同時激發(fā)鋼渣的水化，四者協(xié)同作用生成溶解度低且穩(wěn)定的鈣礬石類復(fù)鹽。隨著水化持續(xù)進(jìn)行，鋼渣與石膏不斷提供堿性反應(yīng)環(huán)境，促進(jìn)礦渣的水解反應(yīng)，生成C-(A)-S-H凝膠。凝膠類物質(zhì)與鈣礬石形成的致密結(jié)構(gòu)，是低碳膠凝材料體系強度的主要來源。

圖5 低碳膠凝材料水化機理

• 現(xiàn)場試驗

利用鋼渣粉低碳膠凝材料制備植生混凝土，具有堿度低、強度高、抗凍性好、耐水性好等特點，在出芽率、成坪率、植被覆蓋率、植株平均生長高度等方面均優(yōu)于普通植生混凝土。技術(shù)指標(biāo)：鋼渣粉低碳膠凝材植生混凝土pH值＜9.0 、抗壓強度＞10 MPa、孔隙率＞25%。

圖6 鋼渣粉低碳膠凝材植生混凝土應(yīng)用現(xiàn)場

作者簡介

龔泳帆

揚州大學(xué)土木與交通學(xué)院講師

碩士生導(dǎo)師

江蘇省“科技副總”，揚州大學(xué)“海外教育優(yōu)秀教師”， 江蘇省土木建筑學(xué)會建筑材料專委會委員， 江蘇省復(fù)合材料學(xué)會水泥基復(fù)合材料專委會委員。目前主要從事固體廢棄物資源化利用、高性能水泥基復(fù)合材料、水工混凝土等領(lǐng)域的研究工作。 作為負(fù)責(zé)人主持課題10余項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，獲授權(quán)中國發(fā)明專利15項，編制國家標(biāo)準(zhǔn)2項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項。指導(dǎo)學(xué)生獲第十九屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽“揭榜掛帥”專項賽一等獎、“建行杯”江蘇大學(xué)生創(chuàng)新大賽（2025）省賽二等獎。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：楊 婷

編排：余思晨

審核：王小兵

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