碱激发建筑材料中的铜渣：作为前驱体和细骨料作用的全面综述

《Journal of Building Engineering》：Copper slag in alkali-activated construction materials: A comprehensive overview of its roles as precursor and fine aggregate

　　

- 铜渣在碱激发材料中同时充当反应性前驱体与可持续细骨料。
- 铜渣可在碱激发材料体系中改善工作性、颗粒堆积与耐久性。
- 富铁胶凝相N-(C,F)-A-S-H主导基体致密化与长期稳定性。
- 胶凝化学机制阐明了收缩行为与强度变异性。
- 矿渣-铜渣复配体系增强了氧化还原敏感型重金属的固化效果。

**引言**

全球建筑业被视为现代发展与城市扩张的基石，正面临日益严峻的双重环境挑战：庞大的碳足迹以及对自然资源不可持续的消费。波特兰水泥是混凝土中占主导地位的胶凝材料，也是全球产量最大的材料，其年产量超过四十亿吨。然而，波特兰水泥的生产过程既高能耗又高碳排，约占全球人为二氧化碳排放的5%—10%，同时消耗大量原材料与化石燃料。与此同时，快速工业化每年仍产生数十亿吨固体副产物。其中，铜渣作为铜冶炼的主要残余物尤为突出，全球年产量估计超过七千万吨。除铜渣外，钢渣、煤矸石等大量工业副产物也逐年产生，带来显著的处置与环境管理难题。传统上铜渣填埋处置不仅占用宝贵的土地资源，还会因重金属潜在浸出而造成长期环境风险。对历史铜渣的浸出测试表明，在酸性条件下铅、砷等有害元素可被活化，超过非危险废物的监管限值。这一问题属于更为广泛的挑战的一部分：从铜渣中提取并加工回收有价金属亦是循环经济理念下的重要研究方向。火法冶金与湿法冶金方法，包括浮选、还原焙烧与酸浸等，已被广泛用于从铜渣中回收铜、铁、锌、钴、镍，但这些过程往往需要高能耗投入或产生二次废水。这些挑战的叠加凸显了建筑业向循环经济战略转型的紧迫需求，强调开发能够资源化工业固废、同时降低对波特兰水泥依赖的可持续胶凝材料。

碱激发材料已作为波特兰水泥最具前景的可持续替代品之一而出现。这类胶凝材料由铝硅酸盐前驱体与碱性激发剂反应生成，与波特兰水泥生产相比可减少高达80%的二氧化碳排放。碱激发材料还可整合多种工业副产物，如粒化高炉矿渣与粉煤灰，从而将废弃物转化为高价值建筑材料。这种灵活性促使研究者探索大量前驱体，包括疏浚污泥及各类采矿残余物等较少见的废弃物，进一步拓展了碱激发材料对循环经济的贡献潜力。这种废弃物资源化的能力不仅缓解了处置难题，也节约了自然资源，使碱激发材料成为推动可持续人居环境的关键技术。关于碱激发胶凝材料与地聚物的深入综述已由Provis与van Deventer、Shi等人提出，凸显其在大幅降低二氧化碳排放与整合多样工业副产物方面的潜力。针对铜渣，已有若干研究考察其在波特兰水泥混凝土与砂浆中的使用，证实了它作为砂替代材料与辅助胶凝材料的有效性。在波特兰水泥体系之外，铜渣越来越多地被研究作为碱激发材料的前驱体，其高氧化铁含量与无定形硅相可促成富铁铝硅酸盐胶凝相的形成，区别于传统的C-A-S-H或N-A-S-H体系。铜渣的冷却制度——快速水淬与缓慢风冷——对其无定形含量及其在碱性介质中的反应活性具有关键影响。水淬铜渣的无定形相占比为60%—95%，其反应性显著高于以晶态橄榄石与磁铁矿为主的风冷铜渣。近期研究将此兴趣延伸至碱激发体系，然而针对铜渣在碱激发材料中作为前驱体与细骨料双重作用、且具有机制导向的综述仍较为有限。

在众多潜在碱激发材料前驱体中，铜渣引起了日益增长的研究关注。近期多项综述强调了有效利用该副产物的大量努力。铜渣的化学组成以较高含量的二氧化硅与氧化铁为特征，加之快速淬火过程中形成的大量无定形相，赋予其火山灰活性与潜在水硬性，适用于碱激发。此外，其物理属性——高硬度、高密度、棱角状颗粒形貌与低吸水率——也使铜渣成为细骨料的理想候选，尤其在天然河砂短缺的地区。铜渣的比重比天然砂高约35%，在部分替代时可测量性地提高复合材料整体密度，并增强界面过渡区的机械咬合。系统性综述已证实，在20%—50%替代率下，作为细骨料的铜渣可使抗压强度提高5%—15%，并通过细化孔隙结构降低吸水率与可透水孔隙率。因此，将铜渣整合进碱激发材料体系提供了多维度的机遇：降低混凝土碳足迹、减少对天然骨料的依赖，并为一种环境敏感型工业副产物提供大规模可持续应用途径。

关于铜渣在碱激发材料中资源化的研究主要沿两条路径展开：作为胶凝前驱体与作为细骨料。作为前驱体使用时，铜渣的低钙含量及橄榄石等稳定晶相的存在，使其固有反应活性低于粒化高炉矿渣等传统前驱体。因此，单独使用铜渣作为胶凝材料通常机械强度较低，除非采用增强激活策略，如高温养护。穆斯堡尔谱与X射线衍射分析揭示，在碱激发过程中，无定形橄榄石中的二价铁被氧化为三价铁，随后作为网络形成离子嵌入地聚物网络，生成含铁硅酸盐N-(C,F)-A-S-H胶凝相。然而，晶态橄榄石与磁铁矿相基本未参与反应，仅作为惰性微填料。例如，100%铜渣胶凝材料研究通常需要热养护才能达到有意义的强度，因为常温养护因矿渣低反应性而结果不佳。即便采用热养护，纯碱等激发剂可能仅产生中等强度，除非与反应性更强的材料复配。更常见的是，铜渣作为部分替代组分加入与粒化高炉矿渣或粉煤灰的复配前驱体体系中，从而影响反应动力学，并在传统C-A-S-H与N-A-S-H相之外贡献富铁铝硅酸盐胶凝相。在此类复配体系中，铜渣作用复杂：在粒化高炉矿渣体系中它可能作为稀释剂，延缓凝结并改善工作性；但在粉煤灰体系中则可作为有限的钙与活性铁来源，主动参与胶凝基体形成。这些复配体系的优化——包括掺入偏高岭土或红土等材料的复杂三元体系——通常需要精心调控激发剂与养护条件以平衡这些相互竞争的作用。

作为细骨料使用时，铜渣已展现出可观潜力。在最优替代率下，其物理特性可改善颗粒堆积、增强工作性并强化界面过渡区，从而提升抗压强度与耐久性。这不仅在传统地聚物混凝土中得到验证，也在高性能透水混凝土、轻质泡沫地聚物与耐久铺路砖等特种应用中得到体现。然而，铜渣的高密度在高替代率下可能导致离析，这是配合比设计中的关键挑战。此外，基于铜渣的碱激发材料的环境性能已通过标准化浸出测试得到验证，重金属浓度始终远低于非危险废物的监管限值，这归功于碱性基体中的物理包裹与化学固化作用。

本文对铜渣在碱激发材料中的资源化利用进行了全面且批判性的综述。虽然已有若干综述考察了水泥基材料中的铜渣，但本文为首篇专门且全面聚焦铜渣对碱激发材料性能与表现影响的综述。与以往主要关注波特兰水泥体系中铜渣或泛泛概述铜渣基胶凝材料的综述不同，本文明确评估铜渣在碱激发材料中作为前驱体与细骨料的双重功能，特别强调机制解释、耐久性与工程性能。本文通过批判性综合胶凝相化学、孔隙结构演化与体系相关性能表现来解决文献中的矛盾报告，从而弥合实证观察与机制理解之间的鸿沟。具体而言，本文综合了富铁胶凝相形成及铁在混合N-(C,F)-A-S-H胶凝相发育中作用的最新进展，定量比较了铜渣与粉煤灰、粒化高炉矿渣等传统前驱体的差异，批判性评估了包含收缩悖论在内的矛盾发现，考察了标准化浸出与碳化情景下的重金属固化与环境稳定性，并提出以标准化与长期耐久性为重点的未来研究结构化路线图。

本文首先深入考察铜渣生产工艺及其物理、化学与矿物学特性。随后评估掺入铜渣的碱激发材料性能，区分其作为前驱体（单独使用及复配体系中）与作为细骨料的不同角色。讨论的关键方面包括新拌性能、反应机制、力学行为、微观结构演化与耐久性。特别强调环境性能，尤其是碱激发材料基体中重金属的固化。除传统混凝土应用外，本综述还考察了铜渣基碱激发材料在岩土工程土壤稳定中的应用，以及其在环境修复中崭露头角的角色，凸显其多功能潜力。通过综合大量文献的发现，本综述旨在阐明铜渣在碱激发材料中行为的控制机制，指出现存挑战与机遇，并前瞻性展望其在下一代可持续建筑材料中的贡献潜力。

本综述采用结构化文献检索方法开展。文章主要从Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar检索，使用"铜渣"、"碱激发材料"、"地聚物"、"碱激发混凝土"、"前驱体"与"细骨料"等关键词组合。检索主要聚焦2000至2026年间发表的出版物，必要时纳入更早的奠基性研究以提供背景。仅纳入经同行评审的期刊论文以及报告铜渣在碱激发材料或相关体系中实验或分析数据的完整会议论文。仅在提供可迁移见解（如骨料行为或耐久性趋势）的情况下纳入专门探讨波特兰水泥体系中铜渣的研究。所选文献依据以下标准筛选：材料描述与配合比清晰、报告养护条件、提供定量力学与/或耐久性结果、方法学细节充分以支持批判性解读。在可能的情况下，将配合比设计与养护制度相近的研究结果进行交叉比较，以提供批判性综合而非简单描述性总结。

**分节摘要**

**生产、特性与反应活性影响**

铜渣是在铜的火法冶金生产过程中产生的异质工业副产物。其理化与矿物学特性受矿石成分、炉型、熔剂加入及冷却制度的强烈影响。对这些参数的全面理解对于评估铜渣——无论作为骨料还是碱激发材料中的反应性前驱体——均至关重要。

**铜渣在碱激发材料中作为前驱体**

铜渣的化学组成与显著的无定形含量，特别是其高浓度的硅、铝与氧化铁，使其成为碱激发材料中前驱体的潜在候选。

与将渣作为惰性骨料的常规应用不同，这种利用途径明确利用了渣玻璃相的化学活性，使其能够参与溶解和多缩反应，从而形成地质聚合物网络。然而，内源性的CS作为碱激发砂浆和混凝土中的细骨料。将CS作为AAMs的前驱体使用存在一些挑战，这主要源于其相对较低的反应活性和较高的结晶度。然而，将其用作替代NS（天然砂）的细骨料已显示出相当大的潜力。在这一角色中，CS的性能主要取决于其物理特性，包括颗粒形状、粒径分布、密度和表面纹理，尽管其化学和矿物学组成也会影响复合材料的性能。讨论：综合CS在AAMs中的作用文献综合表明，CS在AAMs中的价值化利用受到物理、化学和微观结构机制之间复杂相互作用的控制。CS并不表现为一种均质材料；相反，其性能强烈取决于它是作为反应性前驱体使用还是作为细骨料使用。本节综合了关键的机制性见解，阐明了CS的双重角色，并突出了影响其实际应用的权衡因素。结论与未来展望本综述批判性地评估了CS作为一种高产量的冶金副产品在AAMs中的价值化利用。通过系统地考察其作为反应性前驱体和细骨料的双重功能，本综述表明，CS不应被视为惰性残渣，而应被视为一种多功能组分，在恰当引入时可增强流变行为、力学性能、耐久性和环境可持续性。主要结论和剩余……利益冲突声明作者声明，他没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。Alaa M. Rashad