低碳三元矿渣基胶凝材料在尾砂胶结充填中的合成研究：矿渣特性与激发剂配比的影响机制

针对传统水泥基尾砂胶结充填(CTB)碳排放高、成本昂贵的问题，研究人员通过优化工业固废（脱硫石膏FGDG、矿渣、电石渣CS）的激发体系，系统探究了FGDG干燥温度、矿渣碱度系数（(CaO+MgO)/(SiO2 +Al2 O3 )）及CS/FGDG配比(C/D)对CTB强度的影响。研究发现65°C干燥的FGDG可最大化CTB强度，且C/D比需随矿渣碱度动态调整。该研究为低碳胶凝材料设计提供了科学依据，成果发表于《Powder Technology》。

　　

矿产资源开发在推动经济社会发展的同时，每年产生数百亿吨尾矿，这些固体废弃物不仅侵占土地，还可能引发地质灾害和环境污染。尾砂胶结充填（Cemented Tailings Backfill, CTB）技术通过将尾矿与胶凝材料混合回填采空区，既能保障矿山安全，又能实现固废资源化。然而，当前CTB主要依赖普通硅酸盐水泥（OPC）作为胶凝材料，其生产过程碳排放占全球5%以上，且水化放热加剧井下温控难题。如何开发低碳、低成本且性能优异的替代胶凝材料，成为矿山绿色发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，西安科技大学的研究团队创新性地提出利用工业固废——高炉矿渣（slag）、脱硫石膏（Flue Gas Desulfurization Gypsum, FGDG）和电石渣（Calcium Carbide Slag, CS）构建三元碱-硫酸盐激发体系（Alkali-Sulphate Activated Slag, ASAS）。通过系统研究FGDG干燥温度、矿渣特性及CS/FGDG配比（C/D）对CTB力学性能的影响规律，揭示了材料特性-水化反应-宏观强度的关联机制。研究成果为工业固废的高值化利用提供了新思路，对实现"双碳"目标下的矿山可持续发展具有重要意义。

关键技术方法
研究采用人工硅质尾矿（SiO₂

98%）作为骨料，通过激光粒度仪分析其粒径分布。通过控制FGDG在不同温度（45-200°C）下的干燥处理，结合X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征其物相转变。选用两种不同碱度系数的矿渣（(CaO+MgO)/(SiO₂
+Al₂
O₃
)=0.92/1.05），调节CS/FGDG配比（0.1-0.5）制备CTB试件，测试3-28天抗压强度。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和SEM追踪水化产物演变。

研究结果

人工硅质尾ings特性
人工尾矿细颗粒（≤20μm）占比26.82%，均匀系数12.11，满足CTB成浆要求。

干燥温度对FGDG特性的影响
65°C干燥的FGDG以二水石膏（CaSO₄
·2H₂
O，65.9wt%）和半水石膏（CaSO₄
·0.5H₂
O，20.3wt%）为主，此时CTB强度最高。温度超过65°C会导致FGDG颗粒细化，但过高温度（如200°C）生成的无水石膏（CaSO₄
）会降低活性。

矿渣特性与C/D比的协同效应
低碱度矿渣（0.92）的最佳C/D比（0.3）高于高碱度矿渣（1.05，最佳C/D=0.2）。随着养护龄期延长，最佳C/D比呈下降趋势。矿渣碱度通过影响钙矾石（AFt）生成量调控强度发展。

水化产物分析
所有组别均生成AFt和C-S-H凝胶，材料参数仅改变产物数量而非种类。低C/D比（0.1）导致AFt不足，而高C/D比（0.5）引发"内硫酸盐侵蚀"，产生膨胀破坏。

结论与意义
该研究明确了工业固废基ASAS胶凝材料的优化路径：FGDG宜采用65°C低温干燥以保留活性相；C/D比需根据矿渣碱度动态调整，低碱度矿渣需更高CS比例。微观上证实材料参数通过调控AFt/C-S-H比例而非改变产物类型影响性能。这一成果不仅使CTB的28天强度提升3.2倍，更将胶凝材料的碳排放降低40%以上，为矿山固废协同处置与低碳胶凝材料设计提供了理论支撑和实践范式。未来研究可进一步探索多元固废耦合激发体系在复杂地质条件下的长期耐久性。