可持续建筑骨料的发展：利用红泥与多种固体废弃物协同处理技术制备烧结人工轻质骨料及其环境安全性评估

《Environmental Research》：Development of Sustainable Construction Aggregates: Preparation and Environmental Safety Assessment of Sintered Artificial Lightweight Aggregates by Red Mud-Coordinated Multi-Source Solid Wastes

红泥基烧结人造轻质骨料（RM-S-LWA）通过红泥、粉煤灰、废碱渣及矿渣制备，研究1050℃烧结温度下最佳性能（抗压强度11.6MPa、吸水率6.2%、孔隙率13.3%）及陶瓷形成机理，建立重金属环境与健康风险评估模型，发现非致癌风险可忽略，该材料可替代传统建材应用于桥梁、建筑加固及低碳建筑，实现固废资源化与可持续发展。

　　红泥是一种在铝土矿提取氧化铝过程中产生的典型工业固体废弃物。每生产1千克氧化铝，大约会产生1.2至1.5千克的红泥，这种高碱性的废弃物不仅含有大量细颗粒，还富含重金属元素，如铅、镉、砷等。全球范围内，每年约有1.8亿吨红泥被排放，累计堆积量已超过40亿吨。红泥的主要来源地包括中国（占比28.2%）、大洋洲（22.4%）、美洲（33.4%）和欧洲（12.9%）。其中，中国是红泥的主要生产国，2023年红泥年产量超过1亿吨，累计堆积量也已突破20亿吨。然而，目前红泥的综合利用率不足4%，大量堆积不仅占用了大量土地资源，还对生态环境和人类健康构成威胁。红泥的强碱性（pH > 12）会导致周围土壤盐碱化，改变土壤结构和微生物群落，而其中的重金属则容易通过淋溶作用迁移至地表水和地下水，造成污染。此外，红泥中细颗粒含量高，容易在风力作用下形成粉尘，成为PM2.5和PM10等大气污染物的重要来源，进一步威胁周边生态环境和人体健康。因此，如何有效处理红泥并实现其“变废为宝”的利用，已成为全球资源循环利用领域的重要课题。

近年来，工业固体废弃物的资源化利用研究取得了显著进展，特别是在将红泥等废弃物转化为可用资源方面，学术界和工业界都进行了大量探索。人工轻质骨料因其低密度、高孔隙率以及优异的物理性能，成为建筑材料领域的重要创新方向。这类轻质骨料不仅能够替代传统材料，还具有良好的热绝缘性能，广泛应用于建筑节能、生态修复以及海绵城市建设等领域，如节能墙体、隔热砖块和透水路面。这些应用不仅降低了对天然砂石等资源的依赖，还显著减少了建筑行业对环境的负担。与非烧结轻质骨料相比，烧结轻质骨料在强度、吸水率和长期耐久性方面表现更优，因此成为研究的重点。

在红泥轻质骨料的制备过程中，烧结温度是一个关键参数，直接影响材料的物理性能、微观结构和耐久性。已有研究表明，烧结温度的升高会促进材料内部玻璃相的形成，从而提高其强度和稳定性。例如，Li等人通过使用铁矿尾矿、膨润土和铝土矿制备烧结轻质骨料，发现1120 °C的烧结温度能够实现最佳性能。Sun等人则利用煤粉灰、钢渣和金尾矿制备轻质骨料，通过优化原料配比和烧结温度，使材料的吸水率和密度显著降低，同时提高其机械强度。Jiang等人在研究中发现，随着烧结温度的升高，红泥和红砖粉等原料会产生大量液相，促进表面金属氧化物（如SiO?和Al?O?）的完全熔融，从而形成致密的玻璃相结构，提升材料的物理性能。这些研究均表明，烧结温度对轻质骨料的性能具有决定性作用，因此在工业固体废弃物制备烧结轻质骨料的过程中，需要系统研究烧结温度对材料性能和微观结构的影响，并通过温度调控优化其综合性能。

本研究旨在探索一种以红泥为基础的烧结轻质骨料（RM-S-LWA）的制备方法，以实现工业固体废弃物的资源化利用。RM-S-LWA的制备原料包括红泥（RM）、红砖粉（RB）、碱渣（SR）和矿物粉（MP），通过添加Na?SiO?（模数1.0）和NaOH的混合溶液进行烧结处理，烧结温度范围设定为900 °C至1100 °C。研究重点分析了不同烧结温度对RM-S-LWA的物理性能、微观结构和耐久性的影响，确定了最佳烧结温度，并探讨了其陶瓷化形成机制。此外，考虑到红泥中可能存在的重金属元素，本研究还建立了重金属环境风险与人体健康风险的评估模型，对RM-S-LWA的重金属释放情况进行了综合评估。同时，研究还计算了RM-S-LWA的碳排放量，并对其生产成本进行了核算，为该材料的推广和应用提供了科学依据。

通过实验分析，研究发现RM-S-LWA在1050 °C烧结时表现出最佳性能。此时，其圆柱体抗压强度达到11.6 MPa，软化系数为0.98，表观密度为1256 kg/m3，堆积密度为1089 kg/m3，吸水率为6.2%，孔隙率为13.3%。这些数据均符合中国国家标准“GB/T 17431.1-2010”对轻质骨料的要求。烧结温度的升高不仅有助于材料内部结构的致密化，还能显著提升其表面光滑度和整体强度。然而，过高的烧结温度可能导致材料的吸水率和孔隙率上升，从而影响其耐久性。因此，确定最佳烧结温度是实现RM-S-LWA性能优化的关键。

在重金属释放评估方面，研究通过建立环境风险与人体健康风险的综合评估模型，对RM-S-LWA在不同使用条件下的重金属释放行为进行了系统分析。结果表明，尽管红泥轻质骨料中的重金属可能通过手口摄入途径对非致癌性健康风险产生影响，但对成年人和儿童而言，这种风险仍然处于可接受范围内。这意味着RM-S-LWA在实际应用中具有较低的健康风险，能够在保证环境安全的前提下实现资源的高效利用。此外，研究还发现，烧结过程能够有效降低重金属的可溶性，从而减少其对土壤和水体的污染风险。这一发现为红泥轻质骨料的环保应用提供了重要支持。

在环境影响评估方面，研究采用IPCC碳排放因子法，对RM-S-LWA的全生命周期碳排放进行了系统计算。结果显示，该材料的碳排放量显著低于传统建筑材料，表明其在减少碳足迹方面具有明显优势。同时，生产成本的核算也表明，RM-S-LWA的制备过程具有较高的经济可行性，能够有效降低建筑材料的生产成本，提高资源利用效率。这些数据为红泥轻质骨料的规模化生产和应用提供了坚实的理论基础和实践指导。

从材料科学的角度来看，红泥轻质骨料的制备不仅涉及原料的选择和配比，还涉及烧结工艺的优化。红泥中丰富的铝元素和碱金属氧化物（如Na?O和K?O）在烧结过程中能够促进低熔点玻璃相的形成，从而降低烧结所需的温度。而红砖粉中的高硅含量则有助于提高材料的化学稳定性和机械强度。此外，碱渣和矿物粉的添加进一步优化了材料的微观结构，使其在烧结后具有更优异的物理性能。这些原料之间的协同作用是实现RM-S-LWA高性能的关键因素。

在实际应用中，RM-S-LWA有望成为桥梁建设、建筑加固和低碳建筑材料替代品的重要选择。其低密度和高孔隙率使其在减轻建筑结构重量、提高隔热性能和降低资源消耗方面具有显著优势。同时，其优异的耐久性和环保特性也使其在绿色建筑和可持续城市建设中具有广阔的应用前景。通过将红泥等工业废弃物转化为高性能轻质骨料，不仅能够有效解决固体废弃物处理难题，还能推动建筑行业向更加环保和可持续的方向发展。

综上所述，本研究通过系统分析烧结温度对红泥轻质骨料性能的影响，确定了最佳烧结条件，并建立了重金属环境风险与人体健康风险的评估模型。研究结果表明，RM-S-LWA在1050 °C烧结时表现出最佳的物理性能和环境安全性，其碳排放量和生产成本均处于较低水平，具有较高的应用价值。未来，随着相关技术的进一步完善和推广，红泥轻质骨料有望在建筑行业发挥更大的作用，为实现资源循环利用和绿色低碳发展提供有力支撑。