利用废弃铜渣替代细骨料提升砌块可持续性：性能增强与环境效益研究

《Results in Engineering》：Enhancing masonry block sustainability with Waste Copper Slag as fine aggregate replacement

本研究针对天然砂资源枯竭和铜渣废弃物(CSW)环境污染问题，创新性地将船舶除锈产生的铜渣废料作为细骨料替代材料应用于水泥砌块。结果表明，100% CSW替代使砌块抗压强度提升60%，抗折强度提高42%，导热系数降低46%，同时实现13.22%能耗削减和35.91%成本节约，为循环经济提供关键技术支撑。

　　

全球建筑业正面临资源与环境的双重挑战。每年超过500亿吨的砂石开采导致河流生态严重破坏，而工业废弃物的不当处置又加剧了环境污染。特别是在腐蚀清除作业中产生的铜渣废弃物(CSW)，因其含有铜、锌、砷等重金属，传统填埋方式存在土壤和地下水污染风险。在这一背景下，如何将CSW转化为可持续建筑材料，成为推动建筑业绿色转型的关键课题。

近期发表于《Results in Engineering》的研究提出创新解决方案：将船舶维护过程中产生的CSW作为细骨料替代天然砂，用于水泥砌块生产。该研究通过系统实验证明，CSW的掺入不仅能显著提升砌块力学性能，还可降低导热系数并减少碳足迹，实现了“变废为宝”的循环经济模式。

研究方法层面，团队采用多尺度分析技术：首先通过筛分试验（ASTM C136）和X射线荧光光谱(XRF)分别表征CSW的颗粒级配与化学组成（含29.3% SiO₂、23% Fe₂O₃）；利用扫描电镜(SEM)观察微观形貌；制备5组不同CSW替代率（0%-100%）的砌块样本，参照ASTM标准测试密度、吸水率、抗压/抗折强度及导热系数；最后基于ISO 14040标准开展生命周期评估，量化环境效益与成本。

3.1. CSW的物理化学特性

颗粒分析显示CSW具有更均匀的粒径分布（1-0.5mm区间梯度陡峭），利于密实堆积。其比重达3.3，较河砂高32%，吸水率仅0.68%。XRF检测到显著的SiO₂和Fe₂O₃含量，这些活性氧化物可促进火山灰反应。SEM图像揭示CSW颗粒表面粗糙不规则，增强与水泥基体的机械咬合作用。

3.2. CSW对砂浆性能的影响

随着CSW替代率增加，砂浆密度线性增长（最高提升15.8%）。力学性能显著改善：7天和28天抗压强度分别提高85.63%和112.48%，归因于CSW的颗粒级配优化与火山灰活性。

3.3. CSW对砌块的增强效应

砌块密度在100%替代时提升11.6%，吸水率降低62.5%。抗压强度在7天和28天分别增长66.53%和59.82%，抗折强度提高42.1%。导热系数下降46.43%，源于CSW颗粒对热流路径的阻断。SEM显示CSW样本界面孔隙率降低，C-S-H凝胶生成更充分。

3.4. 环境与经济效益

全替代方案使能耗降低13.22%，CO₂排放减少5.74%，成本下降35.91%。若在CSW产生地就近建厂，还可进一步削减运输环节的碳足迹。

本研究证实CSW作为细骨料替代材料具有三重效益：环境方面，消解危险废弃物并减少天然砂开采；性能方面，通过物理填充与化学键合双重机制提升砌块综合性能；经济方面，降低生产成本并契合可持续发展目标。尽管CSW资源总量有限，但其在局部区域的规模化应用可为建筑业提供创新范式。未来研究需关注CSW砌块的长期耐久性及与其他工业副产物的协同利用策略。