钠硅酸盐调控高炉矿渣-脱硫石膏基复合胶凝材料性能优化及生命周期评价研究

为解决工业固废脱硫石膏(DG)利用率低、传统水泥高碳排放问题，研究人员通过调控钠硅酸盐(SS)掺量(0-6%)优化高炉矿渣(GGBS)-DG体系性能。研究发现4% SS可使抗压强度提升25.39%、自收缩降低74%，生命周期评估显示较普通水泥减排70.54%。该研究为工业副产物高值化利用提供了绿色建材解决方案。

　　

在全球能源需求持续增长的背景下，燃煤电厂产生的脱硫石膏(DG)堆积如山——仅中国2020年产量就达1亿吨，不仅侵占土地，更威胁生态环境。与此同时，传统硅酸盐水泥生产每年贡献全球8%的二氧化碳排放。如何实现DG的高效资源化利用，同时开发低碳建材，成为摆在研究者面前的重大课题。

来自宁波市相关研究机构的研究团队独辟蹊径，将目光投向两种典型工业固废：高炉矿渣(GGBS)和未经改性处理的原始DG。通过引入钠硅酸盐(SS)作为碱激发剂，构建了DG占比高达40%的新型复合胶凝体系，相关成果发表在《Sustainable Chemistry and Pharmacy》。这项研究不仅突破了DG传统掺量限制(通常<15%)，更通过多尺度分析揭示了性能优化机制。

研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重分析(TG)等技术表征微观结构，结合宏观性能测试(流动度、力学强度、耐水性)和生命周期评价(LCA)方法。实验选用宁波北仑电厂提供的S95级GGBS，以及含水率20.56%的原始DG，通过调整SS掺量(0-6%)系统研究其对体系的影响。

流动性能演变规律
当SS掺量从0%增至6%，浆体流动度由235mm骤降至175mm。这种现象源于SS提供的OH^-
加速了GGBS溶解，促使钙矾石(AFt)和C-(A)-S-H凝胶快速形成，导致浆体结构过早建立。值得注意的是，掺量超过4%后，流动度下降趋势减缓，暗示着反应动力学达到平衡。

力学性能突破
4% SS掺量展现出最佳增强效果：28天抗压强度达42.7MPa，较对照组提升25.39%。微观分析揭示，SS的硅氧四面体不仅作为成核位点促进凝胶形成，更通过碱性环境激活DG中的硫酸盐，与GGBS中的铝酸盐发生协同反应。这种"双激活"机制使得体系同时生成致密的C-(A)-S-H凝胶网络和针状AFt晶体，形成"刚柔并济"的增强结构。

耐久性提升
在体积稳定性方面，4% SS组自收缩率仅为基准组的26%，归因于DG中硫酸钙与铝相反应产生的膨胀效应抵消了碱激发体系的收缩趋势。耐水性测试显示，该组软化系数达0.91，比对照组提高9.82%，这得益于SS促进生成的凝胶产物有效堵塞了毛细孔隙。

环境效益量化
生命周期评价显示，该体系较传统水泥减少70.54%碳排放，主要来自避免了石灰石煅烧过程。成本分析表明原材料费用降低58.43%，按中国年消耗24亿吨水泥计算，全面推广年减排可达12亿吨CO₂
。

研究同时发现性能"拐点"现象：当SS超过4%时，所有指标均出现下降。SEM观察到过量SS导致产物分布不均，产生微裂纹和孔隙。这种现象被归因于反应速率过快引起的结构缺陷，印证了"过犹不及"的材料学规律。

这项研究的意义在于三方面突破：首次实现40%高掺量原始DG的直接利用，省去传统煅烧改性能耗；建立SS"最佳掺量窗口"理论，为固废基胶凝材料设计提供范式；通过LCA量化环境效益，推动建材行业"双碳"目标实现。研究团队特别指出，该技术可直接对接现有水泥生产线，宁波地区已开展万吨级中试，为工业放大奠定基础。未来研究将聚焦于调控SS模数优化反应动力学，以及开发适用于海洋环境的衍生配方。