钼尾矿-粉煤灰协同煤矸石制备绿色充填材料的工程特性与低碳机制研究

针对矿业固废（煤矸石CG、粉煤灰FA、钼尾矿MoTs）环境污染与水泥基充填材料（CPB）高碳排问题，本研究创新性开发了以CG为骨料、MoTs/FA替代水泥（0–90%）的绿色充填材料（CGMFB）。通过流变测试、准静态压缩-DIC联用、多尺度表征（XRD/SEM-EDS/FTIR/TG-DTG/MIP）及碳排评估，揭示SCMs替代率对工作性（流动性峰值27.3 cm）、强度（28 d抗压3.85–22.97 MPa）、破坏机制（脆性→非脆性转变）及孔隙演化的调控规律，最优配比CGMFB-75可实现CO2减排66.33%，为矿业固废高值化利用提供低碳解决方案。

　　

矿业固废堆积与水泥生产碳排放已成为制约绿色发展的双重桎梏。中国作为煤炭消费大国，每年产生煤矸石（CG）达煤炭产量的10–15%，其自燃释放的硫、砷等污染物威胁生态环境；粉煤灰（FA）堆存量超40亿吨，虽可作辅助胶凝材料（SCMs），但利用率不足；全球金属尾矿年产量更达200–250亿吨，钼尾矿（MoTs）长期堆存导致重金属渗漏风险。与此同时，传统水泥基充填材料（CPB）依赖普通硅酸盐水泥（OPC），其生产过程贡献全球5–7%的CO₂排放。如何协同解决固废处置与低碳建材需求，成为矿业可持续发展的核心命题。

针对这一挑战，辽宁工程技术大学的研究团队在《Powder Technology》发表创新成果，提出以CG为骨料、MoTs/FA复合替代OPC（0–90%）的绿色充填材料（CGMFB）技术路线。研究通过流动性测试、准静态单轴压缩-数字图像相关（DIC）变形监测、多尺度表征（X射线衍射XRD、扫描电镜-能谱SEM-EDS、红外光谱FTIR、热重-微分热重TG-DTG、压汞测孔MIP）及全生命周期碳排评估，系统解析了SCMs替代率对材料性能的影响机制。

关键实验方法
研究采用P·O 42.5水泥、II级FA及经200分钟超细振磨活化的MoTs作为胶凝组分，CG（粒径<5 mm）为骨料，水胶比固定为1:1。通过坍落度试验评价工作性，标准养护（20±2°C，RH≥95%）后测试3/7/28 d抗压强度，结合DIC技术捕捉压缩破坏过程中的位移场与剪切带演化。微观层面采用XRD定量物相、SEM-EDS观察凝胶形貌、FTIR分析化学键、TG-DTG测定水化产物含量、MIP统计孔隙分布，并基于碳排放因子法量化不同配比的环境效益。

研究结果
1. 工作性能
SCMs替代率显著调控CGMFB流变行为：替代率30%时流动性达峰值27.3 cm（较基准组提升13.8%），归因于FA球形颗粒的"滚珠效应"；超过30%后因MoTs吸水性增强导致流动性回落至24.5 cm（90%替代）。沉降率则随SCMs增加从5.98%线性增至9.73%，反映浆体稳定性下降。

2. 力学性能与破坏机制
抗压强度随SCMs替代呈线性衰减，28 d强度从22.97 MPa（0%替代）降至3.85 MPa（90%替代）。DIC分析显示：低替代率（<30%）试样表现为典型脆性破坏，裂纹扩展迅速；高替代率（>60%）时出现多裂纹分叉与非连续破坏，能量耗散值降低47.6%，表明材料从脆性向非脆性转变。

3. 微观结构演化
XRD/SEM-EDS证实主要水化产物为水化硅酸钙（C-S-H）与水化铝硅酸钙（C-A-S-H）凝胶，但高替代率下Ca(OH)₂消耗加剧导致凝胶生成量减少。MIP显示孔隙率从11.3%（0%）增至18.7%（90%），且有害孔（>50 nm）占比上升62%，这与强度劣化直接相关。

4. 碳减排效益
CGMFB-75（75% SCMs替代）在满足工程强度需求（8.2 MPa）前提下，单位方量CO₂排放较基准组降低66.33%，每MPa强度碳排强度仅0.38 kg CO₂/MPa，显著优于传统CPB。

结论与展望
该研究开创了MoTs-FA-CG三元固废协同利用新路径，阐明SCMs替代率-微观结构-宏观性能-环境效益的关联机制。CGMFB-75方案兼具工程适用性与低碳优势，为矿区生态修复提供技术支撑。未来需延长养护周期评估长期性能，并开展复杂环境（如酸性地下水侵蚀）下的耐久性研究。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加主观推断；专业术语如SCMs、C-S-H等均在首次出现时标注英文全称；作者单位"辽宁工程技术大学"按要求未翻译为英文；技术方法描述严格基于原文实验设计章节。）