利用红泥、粉煤灰、电石渣和磷石膏开发地质聚合物，作为迈向低碳建筑材料的途径

《Waste Management》：Development of geopolymer with red mud, fly ash, calcium carbide slag, and phosphogypsum as a step toward low-carbon building materials

地质聚合物开发利用粉煤灰、赤泥、石膏和碳化钙渣四元体系，无需商业碱激发剂。通过优化配比（石膏和碳化钙渣各15%）和水密封养护，获得175mm流体性及14.09MPa抗压强度，微结构分析显示孔隙率降低，重金属渗出符合标准，为低碳建材提供新方案。

　　

韩逊|谢晓伟|谢明星|普和福

太原理工大学土木工程学院，中国山西省太原市030024

摘要

开发基于地质聚合物的材料作为传统水泥基产品的可持续替代品，已成为绿色建筑材料领域的主要研究焦点。然而，传统的地质聚合物通常依赖于商业碱激活剂，这不仅增加了成本和碳排放，还阻碍了其大规模应用。为了解决这一限制，本研究使用粉煤灰、红泥、磷石膏和碳化钙渣制备了一种低碳、无熟料的四元地质聚合物，无需使用商业碱激活剂。在不同混合比例和固化条件下，研究了这种四元地质聚合物砂浆的力学性能，并进一步考察了选定样品的流动性、微观结构特征和浸出行为。当磷石膏和碳化钙渣的用量均为15%时，砂浆的流动性达到了175毫米。在水下固化条件下，28天的抗压强度达到了14.09兆帕。密封固化通过促进C-(A)-S-H凝胶和AFt的形成，增强了基体的致密性，使得28天的抗压强度提高了33%。高温密封固化不适合该体系。微观结构分析证实了水化产物的协同效应，这些产物填充了孔隙并降低了整体孔隙率。浸出测试显示重金属浓度远低于中国法规限值，确保了环境安全性。本研究建立了一种无需商业碱激活剂的新型四元地质聚合物体系，实现了多种工业废物的协同利用，并提供了一种可扩展的、低碳的替代传统水泥材料的选择。

引言

在全球气候变化的背景下，迫切需要减少碳排放（Andrew, 2018; Abbas et al., 2022; Chen et al., 2023）。水泥行业约占全球人为二氧化碳排放量的8-9%，已成为需要脱碳努力的关键行业（Gartner, 2004; Nie et al., 2022）。在全球碳中和框架下，该行业现在面临着前所未有的减排和环境可持续性挑战（Scrivener et al., 2018）。为了减少对水泥基材料的依赖，地质聚合物作为一种有前景的替代品应运而生（Singh et al., 2015; Novais et al., 2020; Singh and Middendorf, 2020; Assi et al., 2020; Wang et al., 2023; Chen et al., 2024）。与传统水泥相比，地质聚合物利用工业固体废物作为原料，且不需要二次煅烧，因此具有更优异的低碳特性和成本效益（Singh et al., 2015）。此外，地质聚合物可以实现固体废物的大规模回收，显著减轻固体废物堆积造成的环境影响（Ahmed et al., 2022; Zhonglin et al., 2024）。

然而，地质聚合物研究仍面临一些限制。一方面，当前的研究主要集中在高反应性的工业固体废物上（例如粒化高炉矿渣（GGBS）、煤气化矿渣），这些废物具有较高的非晶铝硅酸盐含量和优异的反应性，相应的应用技术也相对成熟（Jiang et al., 2023; Xiang et al., 2024b; Wu et al., 2024）。然而，对于许多反应性较低或潜力未得到充分利用的固体废物，其应用技术的发展仍面临重大障碍（Wu et al., 2022; Cui et al., 2025; Sun et al., 2025）。例如，目前仅有不到10%的红泥（RM）被利用，而中国 alone 就积累了超过10亿吨的红泥（Liu et al., 2014; Shi et al., 2025; Cui et al., 2024）。如此大量的红泥堆积对环境构成了严重威胁，因为它含有多种重金属（如Cr和As），这些重金属可能会渗入土壤和地下水，导致长期生态退化（Cui et al., 2024）。另一方面，传统的地质聚合物制备严重依赖商业碱激活剂（如NaOH、Na₂SiO₃）（Guo et al., 2023）。这些化学试剂不仅生产成本高，而且制造过程能耗大，伴随大量的CO₂排放（占地质聚合物生产总碳排放量的74%），严重削弱了地质聚合物技术的环境友好性和经济可行性（Fernando et al., 2021; Colangelo et al., 2021; Mohana and Bharathi, 2024; Sona and Sangeetha, 2025）。更重要的是，这些强碱性激活剂严格的操作安全要求和潜在的腐蚀风险进一步限制了它们在工程实践中的广泛应用（Li and Yi, 2020）。因此，基于低反应性固体废物和环保型碱激活系统开发新型地质聚合物材料已成为研究人员面临的紧迫技术挑战。

100%基于固体废物的地质聚合物可以通过使用多种工业固体废物作为原料来生产，无需使用商业碱激活剂。探索它们的协同激活效应是应对上述挑战的有希望的方法，近年来引起了广泛的研究兴趣。碳化钙渣（CS）是一种富含钙铝酸盐的碱性工业固体废物。用CS替代商业碱激活剂可以显著降低地质聚合物的碳足迹和原材料成本，尽管可能会略微降低其强度。此外，CS提供了充足的钙源，其Ca²⁺显著改善了地质聚合物的性能（Hanjitsuwan et al., 2018）。观察发现，CS对地质聚合物早期强度的提高有显著作用（Guo et al., 2021; Jiang et al., 2024; Duan et al., 2022）。总之，CS作为地质聚合物的主要碱激活剂具有巨大潜力。石膏（PG）是一种典型的酸性工业固体废物，在中国的综合利用率低于20%（Jin et al., 2024）。在以CS为主要碱激活剂的体系中引入PG，不仅缓解了CS激活体系的强度不足问题，还提高了PG的利用率（Xiang et al., 2024; Sun et al., 2024; Liu et al., 2025）。在制备100%基于固体废物的地质聚合物时，由于红泥含有活性铝硅酸盐成分和氧化钠，它可以同时作为前驱体和辅助碱激活剂（Muraleedharan and Nadir, 2021; Wang et al., 2021）。通过优化材料比例和采用适当的预处理工艺，可以有效激发红泥的潜在活性，实现其资源化和高效利用（Cui et al., 2024; Liu et al., 2024; Wang et al., 2025）。

先前的研究表明，使用红泥（RM）和碳化钙渣（CS）协同激活粉煤灰（FA）可以生产出性能良好的三元地质聚合物（Shi et al., 2020; An et al., 2022）。在此基础上，引入PG以探索RM、CS和PG协同作用的体系，可能为实际应用提供更大的潜力（Xiang et al., 2024）。本研究全面研究了RM、CS和PG协同激活的地质聚合物的性能。开发了一种四元100%基于固体废物的地质聚合物体系，其中红泥既作为辅助碱激活剂又作为前驱体，碳化钙渣作为主要碱激活剂，石膏作为硫酸盐激活剂，粉煤灰作为主要前驱体。尽管这种基于FA的地质聚合物的力学强度、耐久性和耐腐蚀性可能低于传统碱激活体系，但它可能在经济和环境方面具有显著优势（Kuranl? et al., 2022; Ngui? et al., 2022; Tammam et al., 2022; Danish and Torres, 2025; Durga et al., 2025; ?zkul et al., 2025）。通过精心设计的混合比例，系统分析了样品的流变性能和力学强度。基于高强度配方，还进行了全面的固化方法研究。此外，还进行了一系列微观结构分析，以阐明四元地质聚合物体系的强度发展特性和水化机制。对具有代表性混合配方的样品进行了浸出测试，以评估所提出材料的环境影响。这些发现不仅为多源固体废物的高效资源利用提供了理论基础，还为减少建筑材料相关的碳排放提供了实用且可工业化的技术途径。

材料

本研究使用的四种工业固体废物包括来自中国烟台市的红泥（RM）和碳化钙渣（CS），以及来自中国郑州市的粉煤灰（FA）和石膏（PG）。在制备地质聚合物之前，所有原材料均通过X射线荧光光谱（XRF）、激光粒度分析、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）进行了全面表征，以评估其适用于地质聚合物合成的能力。

地质聚合物砂浆流动性分析

样品的流动性从F1到F6逐渐增加，测量值分别为156、171、173、175、180和185毫米。这种流动性的提高与磷石膏（PG）含量的增加有关。具体来说，当PG含量从0%增加到25%时，流动性从156毫米提高到了185毫米，增加了18.6%。这一现象可以从三个角度解释：首先，CS部分被弱酸性的PG替代

可持续性评估

尽管RFCP地质聚合物表现出有希望的功能特性，但在实际应用之前，仍需对其环境和经济性能进行彻底评估，因为这些因素是其大规模可行性和可持续性的重要决定因素。

总结与结论

本研究创新性地使用了四种工业固体废物——红泥（RM）、粉煤灰（FA）、碳化钙渣（CS）和石膏（PG）——来开发一种新型的低碳四元地质聚合物粘合剂。系统研究了CS和PG含量以及固化方法对砂浆流动性和力学性能的影响。应用了四种微观结构表征技术，定性和定量地研究了主要水化产物，并检查了微观结构形态。

出版同意

所有作者均同意将本手稿提交给本期刊。我们确认这项工作是原创的，尚未在其他地方发表，目前也没有被其他机构考虑。此外，已获得所有人类研究参与者的知情同意，允许在图中使用他们的图像。

CRediT作者贡献声明

韩逊：写作——审稿与编辑；谢晓伟：写作——审稿与编辑。谢明星：监督、项目管理、资金获取。普和福：研究工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52378359）和山西基础研究计划联合资助项目（Jiaokong）（项目编号202403011222003）的支持。