硅藻-无定形二氧化硅对钢渣与水泥处理黏土强度及耐久性的影响机制研究

为解决钢渣利用率低及海洋工程材料耐久性问题，日本研究团队通过分析6种钢渣处理黏土的UCS（无侧限抗压强度）和3种水泥/钢渣处理黏土的耐海水性，揭示了硅藻密度与UCS的强相关性（R2=0.89），发现硅藻来源的无定形SiO2比火山源更利于强度提升，为绿色建材开发提供新思路。

　　

在建筑行业贡献全球11% CO₂排放的背景下，水泥生产占其中8%，寻找绿色替代材料迫在眉睫。日本作为年产3800万吨钢渣的国家，其利用率仅1%，大量工业副产物亟待高效利用。同时，沿海地区天然砂石开采受限，亟需开发新型填海材料。钢渣因富含游离氧化钙（f-CaO）能与黏土中的硅铝成分反应生成钙硅水合物（C-S-H），但其强度形成机制与海洋环境耐久性仍不明确，尤其硅藻类生物源二氧化硅的作用尚未系统研究。

日本广岛大学团队在《Soils and Foundations》发表研究，通过分析6种濑户内海疏浚黏土的物理性质、无定形SiO₂溶出量及硅藻密度，结合28/56天养护后的UCS测试，对比了水泥（8%）和钢渣（30%）处理黏土在人工海水浸泡0/28/90天后的性能演变。关键技术包括：钠碱法测定无定形SiO₂浓度、显微计数硅藻密度（>25μm）、JGS 0511标准UCS测试及加速海水腐蚀实验（30℃）。

3.1 钢渣处理黏土的UCS特性
研究发现黏土1-6的56天强度增幅稳定（1.2-1.3倍），但相同粒径分布的黏土强度差异显著（如黏土3与黏土6相差3倍），暗示非粒径因素主导强度发展。

3.2 无定形SiO₂与UCS的弱关联性
最大粒径2mm时，SiO₂溶出量与UCS相关系数仅0.33，颠覆了既往关于花岗岩粉末中无定形SiO₂促进强度的认知，表明生物源与矿物源SiO₂存在本质差异。

3.3 硅藻密度决定UCS
通过显微鉴定9属硅藻（如双菱藻属Diploneis），发现黏土2以78 diatoms/mm²的密度获最高UCS（450kPa），而黏土6仅14.5 diatoms/mm²对应最低强度。56天养护后硅藻密度与UCS相关性升至0.89，印证硅藻壳体分解产生的SiO₂·2H₂O持续参与C-S-H生成。

3.4 海水耐久性的分化现象
水泥处理黏土在90天暴露后呈现"高硅藻=高耐久性"规律，而钢渣组因Cl^-/SO₄^2-激活效应普遍强度提升，仅黏土4出现衰减，暗示钢渣抗蚀机制可能独立于硅藻作用。

该研究首次建立硅藻密度-UCS定量模型，揭示生物源SiO₂的工程价值，同时指出钢渣粒径需控制在4.75mm以下以优化性能。未来需延长海水暴露实验（>90天）以明确长期耐久性机制，为海洋基建材料选择提供理论支撑。