通过煅烧诱导碳化渣和伊利石的结构重构来开发碱激活水泥基材料的可行性研究

《Environmental Research》：Feasibility Study on Developing Alkali-Activated Cementitious Materials via Calcination-Induced Structural Reconstruction of Carbide Slag and Illite

　　

高英丽|徐伟伦|李月琳|董凯|朱俊才|黄玉强|李成贤

长沙理工大学交通学院，中国长沙，410114

摘要

为了促进工业固体废弃物碳化渣（CS）和低活性伊利石的高价值利用，本研究采用CS辅助共烧技术重构伊利石结构，提高其作为胶凝材料的反应性。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）系统评估了改性过程。结果表明，烧结过程中加入CS会破坏伊利石的晶体结构，并促进含钙铝硅酸盐前驱体的形成。随后从改性样品制备了碱激活胶凝材料（AAC），并研究了CS用量、固化温度、烧结温度和研磨时间对材料力学性能和反应产物的影响。在研究范围内，含有10% CS的样品的抗压强度比不含CS的样品提高了约280%，而20% CS的样品在钙供应和残余含钙相之间达到了良好的平衡。延长研磨时间可以促进碱激活反应。20% CS的用量能够提供足够的Ca²⁺，从而优化Ca/Si比例，促进水化凝胶的形成。这项工作证明了将碳化渣和低级粘土转化为高价值胶凝材料的可行性，为工业固体废弃物的资源化利用提供了有前景的途径，并扩展了碱激活粘合剂的原材料来源。

引言

尽管传统波特兰水泥具有优异的力学性能和耐久性，但它已成为建筑、交通和水力工程领域不可或缺的材料（Han等人，2025；Nia等人，2025；Sim等人，2025；Zhang等人，2025）。然而，其生产过程不仅贡献了全球8%的二氧化碳排放，还通过过度开采石灰石加剧了生态退化（Gao等人，2025）。受碳中和目标的驱动，利用工业固体废弃物作为前驱体的碱激活胶凝材料（AAC）已成为有前景的低碳替代品。AAC通过碱激活剂分解铝硅酸盐前驱体中的活性成分，并将其重构为类似于C-S-H凝胶的C(N)-A-S-H三维网络结构（Luan等人，2025；Ma等人，2025）。然而，当前主流的前驱体（如矿渣和粉煤灰）面临严重的供应限制：矿渣的可用性受钢铁工业产能的限制，而粉煤灰的反应性随煤质变化而显著波动（Nikravan等人，2023），严重阻碍了AAC的大规模应用。最近的研究还强调，扩大前驱体范围（超出传统的矿渣和粉煤灰）对于未来的碱激活材料至关重要，因为前驱体的可用性、区域分布和矿物学差异极大地影响了大规模实施的可行性（Khalifa等人，2020）。因此，开发稳定且普遍适用的铝硅酸盐前驱体对于推进AAC工业化至关重要。

由于粘土矿物储量丰富且成本低廉，它们越来越多地被研究作为AAC的前驱体。然而，天然粘土矿物通常具有稳定的晶体结构和低反应性（Rakhimova，2020；Hazarika等人，2024）。以伊利石为例，其层状结构中的强K⁺键合显著抑制了Al³⁺和Si⁴⁺的溶解动力学（Zysset和Schindler，1996；K?hler等人，2003；Smith等人，2017）。与高岭石相比，热激活的伊利石通常表现出较低的火山灰活性和碱激活活性，因为其2:1的层状结构更难以有效脱羟基和非晶化，这限制了活性Si和Al物种的释放（Fernandez等人，2011；Werling等人，2022）。尽管如此，富含伊利石的粘土是广泛可用的低级铝硅酸盐资源，其成功激活将大大拓宽AAC的原材料池，并减少对高反应性但区域受限的前驱体（如偏高岭石、粒化高炉矿渣和粉煤灰）的依赖（Khalifa等人，2020；Zhao等人，2025）。尽管已经尝试了机械或热激活方法来提高伊利石的反应性，但单一激活方法无法从根本上改变其化学结构（Luzu等人，2024；Song等人，2025）。Belviso等人（Belviso等人，2017）证明，即使在850°C烧结后，NaOH激活的伊利石主要形成低强度的沸石相。先前的研究表明，通过加入钙源调整Ca/Si比例可以优化C-(N)-A-S-H凝胶的聚合程度，从而提高材料的致密性（Provis，2010；Fan等人，2023）。这一发现为激活低钙伊利石提供了新的见解：钙的改性可能会破坏伊利石的原始结构。

碳化渣（CS）是乙炔生产过程中的副产品，主要由Ca(OH)₂组成（J. Yang等人，2022；Zeng等人，2024；Lin等人，2025），由于其强碱性，会导致土地占用和重金属渗漏，从而引发土壤盐碱化和水生生态系统破坏（Mohanty等人，2012；Fan等人，2021；Nie等人，2025；Peng等人，2025）。从资源可用性的角度来看，CS不是实验室规模的有限添加剂，而是大量的工业副产品。据报道，中国每年产生约4000万吨干碳化渣，而其中只有少量用于水泥生产和脱硫（Gong等人，2022）。这种大量且持续的供应为潜在的工业规模应用提供了现实的材料基础。

将碳化渣作为钙源引入伊利石烧结系统可以实现固体废弃物的协同利用。Ca(OH)₂在高温下热分解产生的CaO可以插入伊利石的层间，削弱K⁺的稳定作用，同时提供碱性条件，减少外部激活剂的需求。最近的研究表明，CS可以在低碳胶凝复合材料和基于粉煤灰的地质聚合物系统中作为富钙激活剂或辅助激活剂，显示出其在碱激活粘合剂中的潜力（Yang等人，2022；Zeng等人，2024）。然而，这些研究主要集中在富含粉煤灰或矿渣的系统中，而CS在烧结过程中改性低活性伊利石以及随后的碱激活中的作用尚不完全清楚。与在500-800°C下激活的高岭石和蒙脱石（Hollanders等人，2016；Hanein等人，2021）相比，本研究采用830-970°C的烧结温度来诱导伊利石-碳化渣系统中的强烈固态反应。热力学计算表明，CaO-SiO₂-Al₂O₃系统的吉布斯自由能在900°C以上显著降低，有利于形成高活性前驱体（Ptá?ek等人，2013）。然而，在这种条件下的结构重构机制和碱激活调节原理仍不清楚。

为了促进工业固体废弃物碳化渣和低活性伊利石的高价值利用，本研究采用碳化渣对伊利石进行共烧改性。为了阐明这一改性过程中的内在机制和特征演变，使用XRD、FTIR和TG分析等表征技术系统研究了烧结过程中的相演变、化学键断裂和结构重组。共烧后，使用氢氧化钠（NaOH）和硅酸钠（Na₂SiO₃）的混合水溶液对烧结样品进行了碱激活。全面研究了CS用量、固化温度和研磨时间对AAC性能的影响。同时，通过XRD、FTIR和TGA分析详细表征了AAC的反应机制和微观结构。

章节片段

原材料

本研究中使用的伊利石来自湖南省湘西土家族苗族自治州古丈县的山林石玉矿物制品有限公司，样品呈浅绿色。CS来自河南省巩义市的元恒净水材料厂，样品呈灰色。作为激活剂，选择了颗粒状氢氧化钠（AR，由上海新华化工试剂有限公司生产）

烧结前驱体的XRD表征

图3显示了未烧结CS、未烧结伊利石以及含有20% CS的共烧样品的XRD图谱。可以看出，原始CS主要显示Ca(OH)₂的衍射峰，而原始伊利石主要含有伊利石和石英，含有少量高岭石。在970°C下与20% CS共烧后，Ca(OH)₂的特征衍射峰消失，表明Ca(OH)₂在烧结过程中发生了热分解。同时，相关的衍射峰

结论

为了促进工业废弃物CS和低活性伊利石的资源利用，本研究采用烧结诱导CS和伊利石的结构重构来制备前驱体，并全面表征了这一改性过程。同时对碱激活反应后的样品进行了力学强度测试和微观结构表征。研究结论总结如下：

1.

CS的加入可以有效减少

CRediT作者贡献声明

朱俊才：撰写 – 审稿与编辑。黄玉强：验证。李成贤：验证。高英丽：监督。徐伟伦：撰写 – 初稿，正式分析。李月琳：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。董凯：验证，研究

未引用参考文献

Chen等人，2024；Chen等人，2024；Li等人，2021；Tu等人，2023；Yang等人，2022。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（项目编号：52308234和52278239）、湖南省教育厅科学研究基金（25B0212）、大学生创新创业培训计划（S202510536054）、湖南省研究生科学研究创新项目（LXBZZ2024201）以及湖南省自然科学基金青年项目的财政支持