铜尾矿基混合水泥的材料性能与生命周期评价：低能耗活化路径下的熟料替代与跨行业负担再分配

《Chemosphere》：Valorisation of mine tailings in blended cement: Material performance and life cycle assessment

　　

研究人员开发了一种掺加机械处理铜矿尾矿(copper mine tailings, CMT)的新型混合水泥，并采用系统扩展法开展从摇篮到大门(cradle-to-gate)的生命周期评价(LCA)。该材料体系中，10% CMT掺量的混合水泥在后期抗压强度方面可达到与基准纯熟料水泥相当的水平。机制研究表明，熟料置换效应是环境效益的主要来源，而被避免的尾矿储存设施(tailings storage facility, TSF)影响属于次要贡献。CMT具有以石英、云母/黏土矿物和长石为主的硅酸盐与铝硅酸盐组合，其无定形/无序相约占19.42 wt%，可在高碱孔隙溶液中提供一定火山灰活性，但大量稳定结晶相使早期活性硅铝溶出受限。研究人员通过R3内在反应性测试、等温量热、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)将物理填充效应与化学火山灰参与区分开，并确定与性能相匹配的替代区间。LCA结果显示，随着熟料被CMT替代，气候变迁影响下降主要由熟料产量减少驱动；将等效质量尾矿从TSF转用为胶凝材料还可计入被避免的泵送监测用电和土地占用等运行负担 credit。该研究指出，在不开采新资源、不进行热活化的条件下，CMT可作为大体量采矿废弃物增值利用的可持续路径，为水泥行业脱碳与矿山废物管理协同提供证据。

《Chemosphere》刊发的该项研究面向波特兰水泥生产约占全球人为二氧化碳排放8%的背景，传统辅助胶凝材料(SCM, supplementary cementitious materials)如粉煤灰、磨细高炉矿渣因能源结构转型而供应下降，而铜等关键矿产需求上升又使铜矿尾矿(CMT, copper mine tailings)产量增加。CMT富硅且含一定无定形相，但结晶石英、云母/黏土和长石使早期反应缓慢，加之偏远矿区到水泥厂运输负担，使CMT作为SCM的验证存在空白：既有文献多把尾矿当惰性填料，少有把R³内在反应性、量热、物相演化与环境系统模型耦合。研究人员因此以澳大利亚Telfer矿区CMT为原料，在只烘干过600 μm筛、不再粉磨或热活化的低能耗路径下，系统考察其替代熟料的可行性与跨行业环境效应。

作者为开展研究用到几个主要关键方法：原料来自西澳Telfer处置设施与Cockburn Cement熟料；通过激光衍射进行粒度分布(PSD)分析，XRF测氧化物组成，XRD结合Rietveld精确定量物相，FTIR看硅氧聚合，SEM看颗粒形貌；等温量热监测水化热，R³测试在Ca(OH)₂-KOH-K₂SO₄高碱体系中量化SCM本征活性；以50×50×50 mm净浆试件测7、28、90 d抗压强度，流桌测工作性，ASTM C642测表观孔隙率与吸水；LCA用openLCA 2.6.0与ecoinvent v3.2，以1 kg出厂 binder为功能单位，采用系统扩展把被避免的TSF运行电耗和土地占用计入credit。

1. 2.
   Materials and methods
   研究人员把方法分为原料表征与处理、水化动力学与反应性、力学与性能、微结构演化、LCA五阶段，建立从物相到宏观性能再到跨系统环境的框架。

2.1. Raw materials and characterisation

2.1.1. Clinker

商业波特兰熟料CaO 63.1%、SiO₂ 20.7%、比重3.14，外掺3.3 wt%石膏调凝，作为基准体系C与替代体系T10—T50的胶凝主体。

2.1.2. Mine tailings

CMT来自Telfer TSF，d₅₀ 22 μm，约74%过45 μm筛，最大检测粒径约150 μm；XRD-Rietveld给出石英44.84 wt%、白云母13.94 wt%、高岭石12.18 wt%、钠长石6.02 wt%、钾长石1.99 wt%、黄铁矿1.62 wt%，刚玉内标法得无定形/无序相19.42 wt%；FTIR见1000—1100 cm^?1的Si–O–Si不对称伸缩，SEM为棱角状颗粒。研究人员用干混15 min实现CMT在熟料中均匀分散，配比C为100/0、T10为90/10、T20为80/20、T30为70/30、T40为60/40、T50为50/50。

2.2. Specimen preparation and curing

水胶比0.45，ASTM C305拌合，50×50×50 mm试模成型，24 h拆模后水养至龄期。

2.3. Hydration behaviour and reactivity assessment

2.3.1. Isothermal calorimetry

25 °C等温量热显示CMT引入带来稀释效应，剩余熟料因细颗粒成核而部分补偿早期水化热。

2.3.2. Intrinsic reactivity (R³ test)

40 °C、7 d的R³量热以每克SCM放热H_SCM表征本征火山灰势，证明CMT并非纯惰性填料，其无序硅铝相在加速碱环境下可参与反应，但不能把放热直接等同于XRD无定形含量。

2.4. Mechanical and physical performance

2.4.1. Compressive strength

T10在28 d与90 d抗压强度接近控制样，高掺量因熟料稀释与火山灰反应滞后而强度降低。

2.4.2. Flow test

流展度随CMT增加而变化，与级配和细颗粒填充有关。

2.4.3. Porosity and water absorption

28 d按ASTM C642测表观孔隙率，CMT微调孔结构，适度掺量有利于毛细孔细化。

2.4.4. Microstructural and phase characterisation

ATR-FTIR追踪水化产物官能团与硅酸盐聚合度演变，支持火山灰反应形成额外C–S–H。

2.5. Sustainability assessment and industrial symbiosis modelling

2.5.1. Goal

以气候变迁为焦点做贡献分析，把熟料生产、CMT制备、电力、运输、TSF credit分开，并对约1800 km矿—厂运输做距离敏感性。

2.5.2. Scope

功能单位1 kg出厂binder；基准C不含CMT也不计TSF运行；T系列去掉r质量熟料、补入r质量CMT，并计烘干电耗、干混、1800 km公路运输；系统扩展只计被避免的TSF泵送监测用电与土地占用，上游铜采选按cut-off分配不计入。

2.5.3. Life cycle inventory analysis

用I_net=(1?r)·I_clinker+r·I_proc?r·I_TSF核算：I_clinker为主排放源，I_proc来自CMT准备与运输，I_TSF为被避免储存负担。结果表明熟料位移主导减排，避免TSF影响为次要；运输距离增大可削弱净收益，但中低掺量下仍优于纯熟料体系。

讨论部分指出，既往CMT研究常把物理填充与化学活性混为一谈，且LCA多忽略尾矿管理的被避免负担；本研究把R³、量热、XRD/FTIR/SEM与系统扩展LCA连起来，证明低能耗、不热活化的CMT在10%左右替代时具备工程可接受性能，并把矿山废料管理负担转化为水泥系统碳收益。结论可译为：研究人员开发了一种以机械处理铜矿尾矿(CMT)为SCM的混合水泥；10% CMT体系后期抗压强度与对照组相当；熟料替代是环境与性能权衡中的主要正向驱动，被避免的尾矿储存设施(TSF)影响为次要；该研究为采矿废弃物的大体量回收提供了可持续路径，并显示在不用热活化、不用二次粉磨的条件下，CMT可通过系统扩展框架实现水泥行业与矿业管理的跨行业效益。