通过定制的碱活化系统揭示红土衍生胶凝材料的水化途径和动力学机制

《Waste Management》：Unveiling hydration pathways and kinetics of red mud-derived cementitious materials via tailored alkali activation systems

　　

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  过量的Na⁺会导致铝硅酸盐凝胶过度解聚。
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  使用Ca(OH)₂作为活化剂时，28天后的强度最高，达到了18.816 MPa。
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  水玻璃会加速水化反应，但随后导致表面钝化。
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  致密的C-(A)-S-H/AFt网络提高了基体的致密性。
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  Ca(OH)₂通过同时提供OH^–和Ca²⁺离子来平衡水化过程。

引言

在全球碳中和目标和循环经济战略的推动下，建筑材料行业将工业固体废弃物的高价值利用视为可持续发展的核心途径。赤泥（RM）是氧化铝工业的副产品（Li等人，2019年；Zou等人，2026年）。全球每年的赤泥产量已超过1.8亿吨，历史积存量超过40亿吨。作为世界上最大的氧化铝生产国，中国每年排放约1.05亿吨赤泥，累计积存量超过6亿吨，但其长期综合利用率仍低于10%（Dai等人，2024年）。赤泥的pH值在10到13之间，可溶性碱含量可达2%到11%。它还含有微量重金属和放射性元素，长期露天存放会占用土地资源（Liu等人，2025年；Wang等人，2024年；Zhang等人，2026a年）。

赤泥的主要化学成分包括氧化铁、氧化铝、二氧化硅和氧化钙以及氧化钠（Chao等人，2022年；Du等人，2025年；Sun等人，2026年；Tan等人，2026年；Tian和Olivetti，2025年）。它含有丰富的硅铝成分，具有作为建筑材料的巨大潜力（Huang等人，2022年）。赤泥已广泛应用于水泥、混凝土、地质聚合物和复合材料系统。建筑材料行业是处置赤泥最有效的渠道。它可以替代粉煤灰生产自密实混凝土，用作路基建设的填充材料，也可以作为添加剂改善材料的物理和机械性能（Dong等人，2023年；Tan等人，2024年）。然而，赤泥的水凝活性低、碱度高，且存在潜在的碱-骨料反应风险，这阻碍了其大规模直接用于水泥和混凝土中。可以通过机械研磨和化学活化等适当方法与其它工业固体废弃物共同利用，以增强其反应性，从而实现高附加值的规模化资源利用（Chen等人，2026年；Li等人，2021年）。

近年来，赤泥在基于固体废物的水泥基材料的比例优化研究中得到了广泛应用。Chen等人使用碳化物渣作为活化剂制备了砌筑水泥赤泥材料，并验证了碳化物渣可以有效激活赤泥的反应性，显著提高复合浆体的抗压和抗弯强度，为赤泥在水泥基材料中的大规模利用提供了可行的方案（Cen等人，2024年）。Zhang等人通过循环流化床粉煤灰、赤泥、磨细的高炉矿渣（GGBS）和熟料（PC）的协同混合制备了绿色水泥基材料。赤泥中的碱度将粉煤灰中的游离CaO/SO₃和赤泥中的Na⁺转化为铝酸钙石（ettringite）和C-S-H凝胶，从而提高了强度、体积稳定性和重金属固定效果（Zhang等人，2022年）。Xu等人利用赤泥、铁尾矿和钢渣制备了水泥基材料，发现这三种原料之间存在明显的协同增强效应。三元体系的机械性能优于二元体系，水化程度更高，微观结构更致密，表现出了显著的性能提升（Xu & Chen，2024年）。Hao等人系统研究了钢渣和赤泥在复合水泥基材料中的协同水泥效应，发现赤泥的碱度和脱硫石膏中的硫酸盐可以协同激活钢渣的反应性，促进C-S-H凝胶和铝酸钙石的形成，提高复合水泥基材料的水化程度和机械性能（Hao等人，2022年）。Wang等人用赤泥、脱硫石膏和粉煤灰制备了复合水泥基材料，并证实这三种组分的三元协同效应显著强于单组分赤泥或赤泥-粉煤灰二元体系（Wang等人，2023年）。在此基础上，通过响应面设计开发了这种三元体系的配合比与水分需求、凝结时间和多龄期抗压强度之间的回归模型，预测误差绝对值低于10%（Wang等人，2026年）。目前，关于赤泥-粉煤灰和赤泥-GGBS体系的研究相对较为充分，而赤泥–GGBS–PC三元体系的系统研究仍不够深入。一些学者研究了PC dosage对赤泥-矿渣体系性能的影响。例如，Zhang等人发现当PC dosage为20%、赤泥 dosage为20%、GGBS dosage为60%时，复合水泥基材料的机械性能最佳（Zhang等人，2021b）。总体而言，现有研究主要集中在低剂量赤泥体系上，且主要采用单因素实验设计，难以定量阐明多组分之间的相互作用和协同机制。不同碱活化剂对高剂量赤泥体系水化动力学和机械性能演变过程的调控规律尚未得到系统、深入的研究。

在本研究中，使用赤泥（RM）、GGBS和PC作为原料开发了一种多固体废物水泥基体系。鉴于Box–Behnken响应面方法能够用较少的实验次数定量描述多组分间的相互作用，本研究采用该方法，以单轴抗压强度（UCS）作为评估指标，研究三元组分的比例，并确定最佳原料配比。此外，还评估了不同类型和剂量的碱活化剂对机械性能和水化动力学的调控作用。通过XRD和SEM分析系统地表征了水化行为和微观结构演变，以阐明三元体系中的协同机制和相变过程。为填补基于赤泥的水泥基材料的研究空白，本研究开发了一种高剂量赤泥三元复合水泥基体系，定量阐明了多组分的协同机制，明确了不同碱活化剂对水化动力学的调控规律，实现了系统性能的协同优化，为赤泥的大规模高价值利用提供了理论支持。

节片段

原材料

本实验中使用的Bayer赤泥来自一家氧化铝工厂。将其在105℃下烘干24小时，然后研磨并通过100目筛网过滤。GGBS为S95级，比表面积为430–460 m²/kg。PC为标准普通波特兰水泥（等级42.5），研磨至与赤泥相近的粒径。分析级氢氧化钠（NaOH，广东精细化工工程技术研究中心提供）、氢氧化钙（Ca(OH)₂（天津中联提供）

通过响应面方法优化配合比

图2展示了在养护龄为7天和28天时，各组分剂量与UCS之间关系的响应面和等高线图。当X3固定在中心水平时，7天UCS响应面的分析表明X1–X2的相互作用具有高度统计显著性（P < 0.0001）。响应面具有较陡的梯度，等高线大致呈圆形。在一定范围内，响应值先显著上升后再下降

结论

• (1)
  响应面方法成功量化了赤泥（RM）、GGBS和PC之间的相互作用，实现了三元混合物的可靠优化。优化后的组成为65% RM、30% GGBS、10% PC和8%石膏，28天后的UCS达到最高值6.815 MPa，其中RM-GGBS的相互作用对强度发展有显著影响。
• (2)
  碱活化剂对基于赤泥的水泥基材料的机械性能和水化热特性的调控途径为

CRediT作者贡献声明

闫晓波：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件使用、方法论确定、数据分析、概念化。马晓敏：初稿撰写、方法论确定、资金获取、数据分析、概念化。李德浩：初稿撰写、验证、软件使用、方法论确定、数据分析、概念化。董贤淑：初稿撰写、方法论确定、资金获取、数据分析、概念化。范玉平：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢中国国家自然科学基金（52674362）、山西省重点研发项目（202202090301009）和山西省基础研究计划（202403021221068）的财政支持。

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