《Waste Management》：Resource utilization of municipal solid waste incineration bottom ash: Engineering performance and life cycle sustainability assessment of low-carbon ecological mortar
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顾岩鹏|楚红燕|王丹倩•研制出了含有细粒城市生活垃圾焚烧底灰的生态海水海砂水泥砂浆。•明确了材料力学性能与环境效益之间的权衡关系。•生命周期评估表明EM20的环境影响最低。•EM20使能源消耗、碳排放和成本均降低19%以上。•为建筑领域中的废物资源化利用提供了可行的低碳方案。引言
顾岩鹏|楚红燕|王丹倩
• 研制出了含有细粒城市生活垃圾焚烧底灰的生态海水海砂水泥砂浆。
• 明确了材料力学性能与环境效益之间的权衡关系。
• 生命周期评估表明EM20的环境影响最低。
• EM20使能源消耗、碳排放和成本均降低19%以上。
• 为建筑领域中的废物资源化利用提供了可行的低碳方案。
引言 21世纪的快速城市化导致了废物管理和资源短缺的双重危机，这一矛盾在沿海城市尤为突出（Cremiato等人，2018）。这些地区容纳了全球40%以上的人口，却产生了不成比例的大量城市固体废物。以中国为例，到2030年，其每年的城市固体废物产量预计将达到惊人的48亿吨（Gra?ulyt?等人，2021）。这种指数级增长不仅让现有的处理系统不堪重负，也凸显出一个核心的科学挑战：如何在实现废物资源回收的同时确保生态保护与碳减排（Mian等人，2017；Wang等人，2024a；Song等人，2025）。
焚烧作为城市固体废物管理的关键策略，可将废物的质量和体积减少70–80%（Silva等人，2019）。然而，这一过程会产生大量的固体残留物，其中约80%为城市固体废物焚烧底灰（MSWI-BA）（Chen等人，2024），其余部分主要为需要严格处理的危险飞灰（Lin等人，2008）。目前，MSWI-BA主要通过填埋方式处理（Linh等人，2020；Xue等人，2024；He和Qu，2025）。在人口密集的沿海地区，这种处理方式尤其不可持续，它不仅消耗宝贵的土地资源，还会带来渗滤液污染土壤和地下水以及温室气体排放的长期风险。随着MSWI-BA产量的持续增加，开发安全且高效利用它的创新途径已变得十分紧迫（Chen等人，2023）。
与此同时，建筑行业为了降低碳足迹，广泛使用了粉煤灰、PVC废粉、稻壳灰和矿渣等辅助胶凝材料（Lv等人，2022；Ng等人，2022；Qu等人，2023；Abdellatief等人，2023；Manjunatha和Seth，2021；Muthukrishnan等人，2019）。然而，全球能源转型以及不断上升的市场需求导致这些传统辅助胶凝材料的供应日益紧张（Papachristoforou等人，2019；Alderete等人，2021）。这种供应危机迫切需要开发新型、可持续且易于获取的替代材料（Guo等人，2025a；Li等人，2025）。值得注意的是，由于化学成分与常用辅助胶凝材料相似——富含无定形的SiO2 、Al2 O3 和CaO（Zhang等人，2021；Keulen等人，2016；Eusden等人，1999；Chimenos等人，1999；Sun和Yi，2021；Ferreira等人，2003），MSWI-BA具有很大的应用潜力。
以往的研究主要集中于将粗粒MSWI-BA作为骨料替代品（Wang等人，2025；Lu等人，2024a；Lu等人，2024b）。但目前细粒部分的MSWI-BA大多被填埋处理，其潜在价值尚未得到充分挖掘。在高温焚烧过程中，MSWI-BA中会形成高度结晶的相，从而抑制其火山灰活性（Alderete等人，2021）。虽然热处理可以将部分结晶相转化为无定形相，但有效的相变需要超过900℃的温度，这显然与开发低碳环保材料的初衷相悖。与粗粒MSWI-BA相比，细粒MSWI-BA由于本身具有较高的比表面积，无需研磨即可实现更高的火山灰活性，同时还能避免能源消耗和成本的增加，因此更适合作为辅助胶凝材料。目前处理细粒MSWI-BA的主要方法包括：（1）利用热等离子体分解MSWI-BA（Wong等人，2025）；（2）通过洗涤和加热提高其活性（Alderete等人，2021）；（3）通过冷固结造粒法将细粒底灰转化为人工骨料（Tang和Brouwers，2017）；（4）通过碱性处理去除MSWI-BA中的重金属（Xuan和Poon，2018）。然而，上述方法较为复杂，环境负担重且成本高昂，难以在大规模工业中应用。因此，目前还缺乏关于将细粒底灰作为辅助胶凝材料用于制备工程材料的系统性评估，尤其是其对力学性能、环境影响和经济可行性的综合影响尚未得到充分研究。值得注意的是，由于城市人口和焚烧设施的集中，MSWI-BA往往产生于沿海地区。这一特点对于那些海洋基础设施快速发展、既迫切需要低碳建筑材料又拥有本地MSWI-BA来源的沿海地区而言尤为重要。
随着全球海洋基础设施如港口和防护结构的快速发展，对传统建筑材料的需求也随之上升，而这些材料的生产往往会导致较高的碳排放和资源消耗（Dou等人，2024；Wei等人，2021；Gu等人，2025a；Zhang等人，2025a）。在沿海和偏远岛屿地区，淡水及河沙的匮乏进一步推高了材料运输成本，严重制约了当地的发展（Gokulanathan等人，2021；Sun等人，2024a；Yang等人，2024）。使用当地的海水和海砂来制备生态海水海砂砂浆，为解决这一问题提供了理想的途径（Lam等人，2022；Sun等人，2024b）。在这种背景下，将本地固体废物转化为建筑资源是实现循环经济的重要步骤。尽管已有研究探讨了在海洋非结构部件中使用疏浚沉积物和再生骨料（Rachid等人，2008；Jia等人，2025），但MSWI-BA——尤其是其细粒部分——作为辅助胶凝材料的潜力仍有待充分开发。
基于此，本研究提出了一种协同解决方案：将细粒MSWI-BA与海水和海砂结合，制备出能够同时应对上述双重挑战的生态海水海砂砂浆。我们推测，用细粒MSWI-BA替代20%的水泥，可使该砂浆的碳足迹降低15%以上，同时保持28天抗压强度在25兆帕以上，满足海洋非结构应用的环境安全要求。为验证这一假设，本研究将开展以下工作：（1）研究不同比例的MSWI-BA对生态海水海砂砂浆力学性能和耐久性的影响；（2）运用X射线衍射、扫描电子显微镜和汞压入孔隙率分析等微观结构表征技术，阐明该砂浆的结构演变机制；（3）采用生命周期评估方法，系统分析该砂浆从生产、运输到拆除各阶段的环境影响；（4）基于生命循环评价体系，对该技术的碳减排效益和经济优势进行量化评估。本研究旨在为推动海洋工程领域的低碳发展以及实现城市固体废物的高值化利用提供创新的技术路径和理论依据。
章节要点 材料 如图1所示，本研究采用了从中国胶州湾采集的最大粒径为2.36毫米的海砂作为细骨料。实验中所用的海水是根据ASTM
D1141 -98(2021)标准（ASTM D1141-98，2021）配制的人工海水。水泥为诸城扬春水泥有限公司生产的PO52.5型波特兰水泥。MSWI-BA则来自广达能源环保有限公司，其表观密度为2130千克/立方米，粒径范围为0–0.3毫米，其主要成分
生态海水海砂砂浆的力学性能 图4(a)和(b)展示了在不同龄期下，含有不同比例MSWI-BA的生态海水海砂砂浆试件的抗压强度变化情况。经过28天养护后，各试件的抗压强度分别为67.14兆帕（EM0）、65.33兆帕（EM5）、58.18兆帕（EM10）、54.82兆帕（EM15）和51.49兆帕（EM20）。与EM0相比，EM5、EM10、EM15和EM20的强度分别降低了2.70%、13.35%、18.35%和23.31%。这些结果表明，加入MSWI-BA会对砂浆的力学性能产生不利影响
结论 本研究探讨了将细粒城市生活垃圾焚烧底灰作为辅助胶凝材料用于制备生态砂浆的可行性。这一方案不仅能节约建筑资源、减少碳排放，还能通过减少填埋量实现废物的可持续利用，由此得出以下主要结论：
(1) 在加入MSWI-BA后，环境的改善与工程的性能之间存在一定的权衡关系。生态海水海砂砂浆的力学强度
作者贡献说明 顾岩鹏： 撰写原文初稿、数据可视化、结果验证、资源协调、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理。楚红燕： 参与文章审阅与编辑、撰写原文初稿、数据可视化、结果验证、研究监督、资源协调、方法设计、实验研究、资金申请、正式分析、数据整理以及概念构思。王丹倩： 参与文章审阅与编辑、数据可视化、结果验证、方法设计以及概念构思。
利益冲突声明 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。
致谢 本研究得到了中国国家自然科学基金 （项目编号52278262）以及中国江苏省 的研究生科研实践创新计划（项目编号SJCX25_0435）的资助，特此表示衷心感谢。
