基于高炉矿渣的超硫酸盐水泥环境性能与生命周期评估：低碳建筑材料的优化与可持续发展路径

本研究针对传统硅酸盐水泥(PC)高碳排放问题，通过Taguchi优化和生命周期评估(LCA)方法，系统研究了以高炉矿渣(BFS)为主要原料的超硫酸盐水泥(SSC)的力学性能与环境效益。结果表明优化后的SSC在20°C养护下28天抗压强度≥32.8 MPa，CO2排放量较PC降低47-89%，成本节约达73%，为建筑行业脱碳提供了兼具机械性能与可持续性的解决方案。

　　

在全球建筑行业面临严峻脱碳挑战的背景下，传统硅酸盐水泥(PC)生产作为第三大人为CO₂排放源（占全球5-8%），其需求预计到2050年还将增长12-23%。这种增长与全球气候目标形成尖锐矛盾，亟需开发低碳替代材料。超硫酸盐水泥(SSC)以其80-90%高炉矿渣(BFS)含量和显著的环境优势备受关注，但其大规模应用仍受限于性能-成本-可持续性的平衡难题。

墨西哥某研究机构的研究人员通过整合Taguchi实验设计、多场景生命周期评估(LCA)和成本分析，对三种优化SSC体系（A:82.5%BFS-13.12%二水石膏(DH)-4.38%A₂；B:90%BFS-7.5%硬石膏(An)-2.5%A₃；C:90%BFS-5%An-5%PC）进行了系统研究。论文发表在《Environmental Research》，揭示了SSC在保持优异机械性能（28天抗压强度≥32.8 MPa）的同时，可实现CO₂减排47-89%和成本节约73%的双重效益。

研究采用Taguchi L₁₈正交阵列优化BFS细度（300-926.5 m²/kg）、超细矿渣含量（10-20%）和养护条件（10-40°C）；通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征水化产物；运用OpenLCA软件结合CML-IA基线方法评估10类环境影响；并对比了三种BFS分配方法（质量分配、经济分配和无分配）和两个工厂场景（科阿韦拉和科利马）的差异。

3.1 抗压强度与优化
通过S/N比分析确定最优参数组合：BFS比表面积500 m²/kg、20%超细矿渣、20°C湿养护。ANOVA显示养护温度对强度贡献最大（系统C达73.8%），验证试验中系统C（90%BFS-5%An-5%PC）在最优条件下实现44.2 MPa强度，显著高于PC基准。

3.2 微观结构特征
XRD证实水化产物以C-S-H(水化硅酸钙)和钙矾石(AFt)为主，SEM显示系统C形成最致密基体，未反应BFS颗粒表面可见反应边沿，这与高强度表现直接相关。

3.3 生命周期评估
无分配情景下SSC的全球变暖潜能(GWP)最低（0.071-0.095 kg CO₂-eq/kg），较PC(0.923)降低89%；即使采用质量分配，仍保持47%减排优势。经济分配显示碱性活化剂（占成本36-56%）和运输是主要影响因子，国际市场价格下成本降幅达73%。

3.4 耐久性与应用潜力
文献数据整合表明SSC在抗氯离子渗透（比PC高3倍）和硫酸盐抵抗性方面表现突出，适用于海洋工程和地下结构。虽然碳化速度较快，但通过低水胶比(<0.46)可有效控制。

4.1 环境效率
定义单位强度CO₂排放的环境效率(E_i)分析显示，SSC在所有分配方案下均优于PC，系统C在无分配时E_i值仅为PC的11%。

4.3 可持续发展关联
该技术直接贡献6项联合国可持续发展目标(SDG)，包括SDG9（产业创新）和SDG13（气候行动）。通过利用冶金废渣，每吨SSC可减少828kg CO₂当量排放，同时解决工业副产物处置难题。

这项研究为建筑行业脱碳提供了技术可靠、经济可行的解决方案，其创新性体现在：首次量化不同分配方法对SSC环境声明的影响；建立机械性能-环境效益协同优化框架；证实SSC在严苛环境下的应用潜力。未来研究可扩展至混凝土级配优化和长期耐久性监测，以推动该技术从实验室走向工程实践。