水泥基复合材料中镍铁矿渣与高炉矿渣的可持续回收利用：性能与可持续性评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Sustainable recycling of ferronickel slag and blast furnace slag in cementitious composite systems: Performance and sustainability assessment

　　

摘要

工业固体废物为减少熟料消耗、提升水泥基复合材料的资源利用效率提供了重要途径，但其实际应用价值取决于能否在不牺牲性能的前提下实现环境效益。本研究开发了一种由超细高炉矿渣和超细电镍铁矿渣构成的复合超细粉体，并研究了其对新鲜态性能、水化动力学、微观结构演变、力学性能以及抗硫酸盐性能的影响。研究结果表明，该复合超细粉体通过填充效应、成核效应及二次反应共同作用，调控水泥体系的水化过程。在较低替代比例下，颗粒表面积的增加会提升用水量；而较高替代比例则因更好的颗粒堆积和降低的颗粒间摩擦力而提高流动性。尽管由于熟料被稀释，60小时内的累计放热量会随复合超细粉体替代比例的增加而下降，但动力学分析表明，适度替代比例仍能对后期水化过程提供持续贡献。CUP30在粉末堆积、活性相供应以及水化产物形成之间达到了最佳平衡，从而实现了最高的7天和28天强度。此外，该复合超细粉体还能提升抗硫酸盐能力，使C100在经过150次干湿循环后的抗压强度损失从51.4%降至CUP60的16.2%。CUP60在降低能耗、二氧化碳排放量以及材料成本方面效果最为显著，分别降低了45.5%、52.5%和32.1%。经过强度归一化处理后，CUP30的弹性模量、抗压强度和抗弯强度分别下降了31.6%、33.6%和24.2%。这些研究结果表明，该复合超细粉体可作为生产性能更优、环境负担更轻的水泥基复合材料的有效原料。

引言

作为现代建筑中最常用的粘结材料，水泥在其生产过程中会消耗大量能源并产生大量二氧化碳排放，因此成为建筑行业实现绿色低碳转型的重要障碍之一（Fan等人，2024；Dahanni等人，2024；Li等人，2026）。统计数据显示，水泥行业约占全球温室气体排放总量的7%至8%，在推动气候变化方面起着重要作用（He等人，2025；Chaudhury等人，2023；Dinga和Wen，2022）。因此，开发环保型、可持续的替代粘结材料为各种固体废物的资源化利用带来了新的机遇。

高炉矿渣因其较高的潜在水化活性、稳定的化学成分以及优异的水泥性能，已成为生产绿色混凝土的首选矿物掺合料（Wang等人，2026；Li等人，2024b）。然而，随着钢铁行业的结构调整以及下游需求的增加，高质量的高炉矿渣资源日益稀缺（Huang等人，2024）。电镍铁矿渣则是镍铁合金冶炼过程中的副产品（Han等人，2023）。在中国，电镍铁矿渣的年产量超过3000万吨，但其综合利用率却不足10%（Wang等人，2024；Luo等人，2021；Song等人，2024）。目前，大部分电镍铁矿渣都通过露天堆放或填埋的方式处理，这给土地使用和地下水质量带来了严重的环境风险。近期研究显示，电镍铁矿渣可在一定程度上替代混凝土中的天然细骨料用于生产混凝土（Wang等人，2025；Kurniati等人，2023）。但由于其粒径分布较差，当电镍铁矿渣替代比例较高时，会导致混凝土的抗压强度下降（Sun等人，2019）。虽然也有尝试将电镍铁矿渣作为辅助水泥材料使用，但效果并不理想。Rahman等人（2017）指出，砂浆的抗压强度会随着电镍铁矿渣含量的增加而降低。同样，Zhai等人（2020）也发现，当电镍铁矿渣含量超过30%时，强度会出现显著下降。限制电镍铁矿渣在水泥和混凝土中高效利用的关键因素在于其成分中硅氧和氧化镁含量较高，而氧化钙和氧化铝含量较低，从而导致其反应性较低。

机械研磨可通过在矿物晶体晶格中引入位错和缺陷，增加颗粒的比表面积，从而提升粉末的细度，进而提高其反应性（He等人，2018；Zong等人，2023）。超细粉体提升性能的机制主要包括填充效应、成核效应以及火山灰反应。用超细粉体替代部分水泥，可以优化颗粒级配，填充砂浆或混凝土中大颗粒之间的空隙，使基质更加致密，改善孔结构，从而弥补仅使用普通粉体时材料早期力学性能较差的问题（Yang等人，2023）。此外，超细颗粒还可作为成核点，加速水化产物的形成（Li等人，2025）。而且，超细粉体中的硅氧和氧化铝可在水化初期与氢氧化钙发生化学反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，进而提升混凝土的强度（Zhao等人，2021）。Zhou等人（2022）发现，含有超细高炉矿渣的粘结材料，其总水化放热量明显高于以普通水泥或传统高炉矿渣混合制成的粘结材料，且这种较高的放热强度能够持续较长时间。Liu等人（2021）证明，超细高炉矿渣在水化早期和后期都具有较高的反应性，从而显著提升了水泥基砂浆的强度。Li等人（2023）在泡沫混凝土的生产中用超细高炉矿渣部分替代普通水泥，观察到了明显的填充效应和级配效应。他们还发现，超细高炉矿渣加速了C(-A)-S-H凝胶的形成，使得基体的微观结构更加致密细腻。

尽管超细高炉矿渣具有诸多优势，但将其引入水泥体系中往往会导致过高的放热量和过快的凝结速度（Zhuang等人，2023；Sinha和Talukdar，2021）。这些现象会带来一系列实际问题，包括混凝土结构出现热裂的风险增加、施工时的和易性下降，以及搅拌和浇筑的时间不足。尤其是早期温度上升过快可能导致内部应力产生和收缩开裂（Moula等人，2023），而快速凝结导致的流动性下降则会妨碍混凝土的运输和现场浇筑作业（Luo等人，2019）。为解决这些问题，一种有前景的策略是开发能够整合不同材料优点的复合粉体，无需额外加工即可实现（Cao等人，2023；Li等人，2025）。将电镍铁矿渣磨制为超细粉体，可提升其作为水泥基粉体的适用性，而将其与反应性较高的超细高炉矿渣混合，则为在水泥基复合材料中加入更多电镍铁矿渣提供了可行途径。不过，针对这类特定复合超细粉体作为水泥基材料组分的系统性研究仍然较少。尤其是，高反应性高炉矿渣与低反应性电镍铁矿渣各自对复合材料整体性能的贡献机制、它们对水化动力学的影响，以及它们对可持续性指标的作用，都尚未得到充分探讨或定量评估。

本研究旨在阐明由超细高炉矿渣和超细电镍铁矿渣构成的复合超细粉体与水泥基基体之间的相互作用机制，并评估在不同替代比例下，该复合超细粉体在调控水泥基复合材料的水化过程、微观结构演变以及性能方面的作用。首先研究了该复合超细粉体对新鲜浆体流动性、用水量、凝结行为以及放热特性的影响。随后系统分析了硬化浆体及砂浆的力学强度、水化产物、孔结构以及微观形态的变化情况，同时研究了它们的抗硫酸盐性能。此外，还进行了可持续性分析，从能耗、二氧化碳排放量以及材料成本等方面量化了该复合超细粉体的环境与经济优势。这些研究结果不仅为该复合超细粉体的高值化利用提供了新途径，也为工业固体废物的可持续利用以及环保型水泥基材料的开发做出了贡献。

章节节选

原材料

本研究中所使用的普通水泥（P.I 42.5）由安徽海螺水泥股份有限公司提供，高炉矿渣和电镍铁矿渣则由福建远兴投资集团有限责任公司提供。普通水泥、高炉矿渣以及电镍铁矿渣的化学成分见表1。高炉矿渣主要由氧化钙、硅氧和氧化铝组成，这三种成分的总含量超过85%。而电镍铁矿渣则主要以硅氧、氧化镁和氧化铁为主，氧化铝和氧化钙的含量相对较低。图1展示了这些原材料的矿物组成情况。

新鲜浆体的和易性

新鲜浆体的流动性如图5(a)所示。随着复合超细粉体替代比例的增加，浆体的流动性先下降后上升。与C100相比，CUP15和CUP30的流动性分别下降了约4%和6%，而CUP45和CUP60的流动性则分别提升了约8%和13%。这种现象可以从以下角度解释：在较低替代比例下，复合超细粉体中更为细小的颗粒会增加体系的用水量，从而导致

可持续性评估

根据表4中列出的各类粘结材料的详细MSI数据，以及每种混合物中各粘结材料的占比，计算出了每立方米的能耗、二氧化碳排放量以及材料成本，具体数值见表7。对于C100而言，其能耗、二氧化碳排放量以及成本分别达到3.3 GJ/m3、558公斤/立方米和50.4美元/立方米，是所有混合物中最高的。随着复合超细粉体的加入，这三项指标均逐渐降低。

采用多准则

结论

本研究探讨了含有由超细高炉矿渣和超细电镍铁矿渣构成的复合超细粉体的水泥基复合材料的水化过程及其性能表现。基于水化特性、微观结构发展、力学性能、耐久性以及可持续性评估等方面的研究结果，主要结论如下：

• (1)
  复合超细粉体通过改善颗粒堆积和稀释熟料这两种作用，影响新鲜浆体的性能。较低替代比例时，其效果较为轻微

CRediT作者贡献说明

郑杰：验证工作、方法学研究。Demetris Nicolaides：文章撰写与修改、研究指导、项目管理。林颖：文章初稿撰写、方法学研究、实验分析、数据整理。任涛渊：验证工作、方法学研究。李康：文章初稿撰写、方法学研究、实验分析、数据整理。杨正贤：文章撰写与修改、研究指导、项目管理、资金申请、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结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52478241）以及福建省科技计划国际合作项目（2024I0006）的资助。

Kang Li|Zhengxian Yang|Ying Lin|Taoyuan Ren|Jie Zheng|Demetris Nicolaides