污泥焚烧灰渣高效制备泡沫混凝土的性能优化与机理研究

针对污泥焚烧灰渣(SIA)资源化利用难题，研究人员通过三元组分设计(SIA/BS/PO)优化泡沫混凝土性能，结合XRD/SEM揭示C-S-H与AFt凝胶协同增强机制，最终获得28天抗压强度9.53MPa的环保建材，为固废高值化利用提供新路径。

　　

随着城市化进程加速，市政污泥处理成为全球性环境难题。传统填埋法不仅占用土地资源，其渗滤液更可能污染地下水系。焚烧技术虽能实现90%以上的减量化，但产生的污泥焚烧灰渣(SIA)含有重金属和有毒有机物，若处置不当将造成二次污染。与此同时，建筑行业作为碳排放大户，传统泡沫混凝土高度依赖普通硅酸盐水泥(PO)，生产过程中每吨水泥约排放0.8吨CO₂
。如何实现固废资源化与建材绿色化的双重目标，成为当前环境材料领域的研究热点。

中国三峡大学的研究团队在《Next Sustainability》发表创新性研究，通过将SIA与高炉矿渣(BS)、波特兰水泥(PO)三元复配，成功开发出性能优异的泡沫混凝土。研究采用Minitab软件进行三组分实验设计，以抗压强度为响应目标，结合X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等表征手段，系统阐明了SIA基泡沫混凝土的硬化机理。

关键技术方法包括：1) 采用约束混合设计确定SIA/BS/PO最优配比；2) 通过干密度测试和抗压强度评估材料性能；3) 利用XRD分析水化产物相组成；4) 采用SEM观察微观形貌演变；5) 考察聚羧酸减水剂和Na₂
SO₄
早强剂对性能的影响。

3.1 实验设计与抗压强度测试结果
通过13组配比实验发现，A9组(30%SIA+30%BS+40%PO)表现最优，7天和28天抗压强度分别达3.81MPa和9.59MPa。数据表明SIA与BS存在协同效应，适量掺入可显著提升力学性能。

3.2 回归模型统计分析
建立的二次回归模型拟合优度R2达96.34%，验证实验误差仅1.7%，证实模型可靠性。交互项分析显示SIA*PO对强度贡献最大，这与SIA中活性Fe₂
O₃
参与水化反应有关。

3.3 混合物设计优化验证
最优配比为30.87%SIA+28.65%BS+40.48%PO，实测28天强度9.37MPa，干密度1250kg/m³
，符合JG/T 266-2011标准A12/C7.5等级要求。

3.4 外加剂对性能的影响
聚羧酸减水剂在0.2%掺量时使28天强度提升24.68%；Na₂
SO₄
早强剂在0.8%掺量时强度增幅达56.78%，因其加速了AFt生成。

3.5 微观结构分析
XRD显示7天时已形成C-S-H和Ca(OH)₂
，28天时AFt特征峰增强而Ca(OH)₂
峰减弱，证实火山灰反应持续进行。SEM观察到水化产物交织成致密网络结构，孔隙率随龄期降低。

该研究开创性地实现了SIA在建材领域的高值化应用，其制备的泡沫混凝土不仅力学性能达标，更兼具环境效益：每吨SIA利用可减少约0.5吨水泥用量，相应降低CO₂
排放。研究揭示的SIA-PO-BS三元体系协同作用机制，为工业固废在绿色建材中的应用提供了理论支撑和实践范式，对推动建筑行业低碳转型具有重要意义。