碱激发黄河淤泥基人工细骨料在地质聚合物混凝土中的开发与应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Development and application of alkali-activated Yellow River silt-based artificial fine aggregates in geopolymer concrete

　　

摘要
为解决与黄河泥沙（YRS）堆积相关的环境挑战，并提高飞灰（FA）和粒化高炉矿渣（GGBFS）等废弃物的资源利用率。此外，通过碱激发技术利用 YRS 生产高性能人工骨料的可行性尚未受到广泛关注，且研究不足。使用碱激发冷结合法以 YRS 为主要原料制备高性能人工细骨料的研究很少。本研究采用碱激发冷结合法，以 YRS、GGBFS 和 FA 为主要原料，制备了碱激发黄河泥沙基人工细骨料（AYAFAs）。系统研究了 YRS 含量以及结合料中 GGBFS 和 FA 的比例对骨料物理性质、力学性能和微观结构的影响。含有 60% YRS、24% GGBFS 和 16% FA 的 AYAFAs 达到了 13.24 MPa 的单粒抗压强度、1161 kg/m3的堆积密度和 9.5% 的吸水率，其密度比水泥结合 YRS 基人工骨料高 12.0%，吸水率低 46.3%。AYAFAs 的单粒抗压强度随着 YRS 含量的增加而逐渐降低，但随着 GGBFS 含量的增加而增加。微观结构分析表明，AYAFAs 的主要产物是 C-(N)-A-S-H 凝胶。此外，基于 AYAFAs 的地质聚合物混凝土（AYAGC）表现出 69.2 MPa 的 28 天抗压强度。在早期养护龄期，AYAGC 比掺入天然河砂的地质聚合物混凝土表现出更高的抗压强度，这主要是由于碱性物质的释放促进了界面过渡区的致密化。

引言
河沙由水流搬运的岩石和土壤颗粒组成，主要源自岩石风化和表面侵蚀。泥沙堆积会降低水库库容，抬高洪水位，并对航道产生不利影响 [1]。黄河以中国含沙量最高为特征，其主河道长期平均年输沙量约为 6.16 亿吨 [2]。黄河泥沙（YRS）的持续沉积抬高了河床，导致地上河的形成 [3]。当前黄河泥沙管理策略包括水库拦沙、水沙调控、河道冲沙和资源利用 [4]。然而，现有的 YRS 处理和利用方法仍然有限且效率低下，导致泥沙持续堆积。这不仅浪费了宝贵的土地资源，还对当地河流系统和水库产生了不利影响 [5]。因此，开发有效的 YRS 处理和利用方法对于可持续河流管理具有重要意义。

在 YRS 管理和利用方面，中国的政策已从将 YRS 视为固体废物转变为将其认定为战略性矿产资源，并推动其在建筑材料中的使用。与其他类型的泥沙相比，YRS 由于其极大的年堆积量、区域集中度和丰富的铝硅酸盐成分，在资源利用方面表现出独特优势。因此，YRS 作为碱激发体系中的铝硅酸盐前驱体显示出相当大的潜力，为结合料制备提供了可行的替代前驱体，并为其在可持续建筑材料中的应用奠定了坚实基础 [6], [7]。然而，以往研究表明 YRS 的内在反应活性相对较低。为了提高其活性，通常采用高温烧结方法生产建筑材料。例如，Chen 等人 [8] 通过烧结方法利用 YRS 和污泥开发了轻骨料。所得骨料的单粒抗压强度（SPCS）为 2.57 MPa，吸水率为 31.2%。然而，这种方法依赖高温烧结，可能会释放有害气体，并且伴随着高能耗和环境问题。为了提高 YRS 的反应性并使其在常温条件下得到利用，已经探索了机械研磨和碱激发等替代活化方法。例如，Wang 等人 [3] 通过冷结合法利用 YRS、水泥和膨润土开发了轻骨料。制备的骨料表现出约 7% 的最佳吸水率和 3.25 MPa 的 28 天抗压强度。Zhang 等人 [9] 研究了 YRS 的颗粒特性，并阐明了其在不同研磨持续时间后的活化机制。结果表明，研磨破坏了 YRS 中矿物的晶体结构，降低了其结晶度，从而增强了其反应活性。总体而言，通过适当的改性和优化，YRS 可作为建筑应用的原材料。

虽然在 YRS 的资源利用方面取得了进展，但其在建筑材料中的应用仍然有限。值得注意的是，随着建筑业的快速发展，对混凝土的需求持续显著增长 [10]。骨料作为混凝土的关键组分，通常占其总体积的 60%-80%，其中细骨料约占 30% [11], [12]。受此高需求驱动，细骨料目前主要由天然河砂（NRS）主导，导致其过度开采。这造成了不可逆的生态破坏，已促使多个国家限制 NRS 开采 [13]。因此，迫切需要开发可持续的替代材料来取代 NRS 作为细骨料。

为了减缓 NRS 的快速枯竭，研究已集中在生产人工骨料作为 NRS 的替代品 [14]。目前，人工骨料的主要制备方法包括高温烧结和冷结合造粒 [15]。烧结工艺能耗高，且可能产生有害气体副产物，带来环境问题。相比之下，冷结合造粒方法更简单、能耗更低且更环保 [16], [17]。冷结合人工骨料的胶凝体系主要包括两种类型，即水泥水化体系和地质聚合物凝胶体系。Zhao 等人 [18] 使用废砖粉作为原材料、水泥作为结合料制备了人工细骨料，并通过用这些骨料替代 NRS 成功生产了具有所需强度等级的混凝土。Yang 等人 [19] 通过核壳结构设计，利用不同粒径的再生混凝土细粉和水泥作为结合料开发了轻质人工骨料。核壳结构通过形成致密的外壳进一步增强了骨料性能，有效减少了孔隙缺陷并改善了颗粒间结合。Patil 等人 [20] 利用赤泥、甘蔗渣灰和粒化高炉矿渣（GGBFS）开发了碱激发人工骨料。结果显示，造粒效率范围为 72.82% 至 93.4%，而吸水率在 8.06% 至 18.83% 之间变化。Gong 等人 [17] 使用由城市生活垃圾飞灰、GGBFS 和飞灰（FA）组成的三元碱激发体系制备了人工骨料。所得骨料表现出与 NRS 相当的强度，并有效固定了材料中的重金属离子。表 1 总结了以往关于冷结合造粒方法的研究。尽管取得了这些进展，水泥基和固体废物衍生的人工骨料仍存在固有局限性，包括强度相对较低、吸水率高和应用场景受限，这阻碍了其大规模利用。

水泥生产伴随着大量能源和原材料的消耗，以及显著的二氧化碳排放。相比之下，地质聚合物结合料可以显著减少二氧化碳排放，并有效激活固体废物的火山灰反应活性，从而实现大规模废物流利用。在中国，FA 和 GGBFS 的年产量分别超过 8.65 亿吨和 9994 万吨。这些材料富含无定形 SiO2 和 Al2O3，并表现出显著的火山灰活性 [22], [23], [24]。因此，许多研究人员利用这些固体废物作为地质聚合物体系中的铝硅酸盐前驱体，生产出的材料具有早期强度高、工业废物有效回收、低二氧化碳排放和能效提升等优势 [25], [26], [27]。例如，Chanda 等人 [30] 通过使用田口 L25 正交阵列方法，将 NRS 替换为碎钢铁炉渣，并采用 GGBFS 和 FA 作为前驱体，开发了一种可持续的地质聚合物混凝土。结果表明，优化的地质聚合物混凝土达到了 51.2 MPa 的 28 天抗压强度，并结合料组成和细骨料含量被确定为影响地质聚合物混凝土性能的最具影响力的参数。Chanda 等人 [31] 进一步研究了以不同替代水平将高炉矿渣作为 NRS 部分替代品的地质聚合物混凝土。结果显示，替代水平为 50% 的混合物表现出最低吸水率（3.59%）、最高密度（2489 kg/m3）和最小渗透空隙（3.29%），这主要归因于增强的地质聚合物化和改善的基体致密化。Chanda 等人 [32] 通过混合多响应优化框架，使用由 FA 和 GGBFS 组成的二元结合料体系，以高炉矿渣替代 NFS，开发了一种可持续耐用的地质聚合物混凝土。结果表明，结合料与骨料之间增强的相互作用促进了凝胶形成并改善了地质聚合物混凝土的耐久性，与常规混凝土相比，隐含二氧化碳排放降低了约 15%，材料成本降低了约 9%。然而，这些研究主要调查了工业副产品作为地质聚合物混凝土中 NRS 替代品的使用。此外，目前关于冷结合骨料的研究主要集中在其在轻质或常规混凝土中的应用，对其在地质聚合物混凝土中使用的关注有限 [18]。然而，利用 YRS 通过碱激发冷结合技术生产高性能人工细骨料并将其掺入地质聚合物混凝土中仍然 largely 未探索。此外，骨料组成、活化参数、骨料性能以及由此产生的地质聚合物混凝土性能之间的关系仍未被充分理解。因此，有必要对碱激发 YRS 基人工骨料（AYAFAs）进行进一步研究。

因此，本研究采用 YRS 作为主要原料，FA 和 GGBFS 作为结合料来制备 AYAFAs。制备的 AYAFAs 随后被用作 NRS 的替代品生产基于 AYAFAs 的地质聚合物混凝土（AYAGC）。AYAFAs 的力学和物理性质。此外，采用了一系列表征技术，包括 X 射线荧光（XRF）、X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS），来分析 AYAFAs 的原材料组成、相演变和微观结构特征。随后，评估了掺入 AYAFAs 对地质聚合物混凝土性能的影响。最后，通过 SEM 和 EDS 分析阐明了地质聚合物混凝土的破坏机制。本研究的发现提供了对 AYAFAs 的制备、性质和潜在机制的全面理解。此外，它们为 YRS 的资源利用和高值化应用提供了一种高效、环保且低碳方法的理论基础。

章节片段
骨料原材料
用于制备 AYAFAs 的原材料包括 YRS、GGBFS、FA、水玻璃溶液和 NaOH。YRS 采集自黄河河南段，烘箱干燥至恒量，使用球磨机研磨，然后过 150 微米筛。所得 YRS 的比表面积为 446.2 m2/kg。本研究中使用的 GGBFS 为 S95 级，由河北敬业钢铁有限公司提供，密度为 3.1 g/cm3，比表面积为

形态和颗粒级配曲线
图 3 展示了不同 YRS 含量和 GGBFS/CM 比制备的 AYAFAs 的宏观外观。AYAFAs 颗粒通常呈灰色且为球形。随着 YRS 含量的增加，骨料颜色从灰色变为灰黄色。这种颜色变化归因于未反应的 YRS 粉体涂覆在骨料表面的比例较高，从而赋予颗粒其固有的黄色色调。相反，随着 GGBFS/CM 比的增加，

结论
本研究采用碱激发冷结合法，利用 YRS 结合 GGBFS 和 FA 制备了 AYAFAs。对其物理性质、矿物组成和微观结构进行了系统表征。随后，AYAFAs 被用于完全替代地质聚合物混凝土中的 NRS。研究了凝结时间、抗压强度、劈裂抗拉强度和界面过渡区，以阐明人工骨料影响地质聚合物混凝土性质的机制。主要

局限性与未来工作
本研究证明了通过碱激发冷结合技术生产 AYAFAs 的可行性，并研究了其作为地质聚合物混凝土中 NRS 替代品的机械性能。然而，在几个方面仍需进一步调查。首先，本研究仅将 YRS 作为原材料，该方法在其他类型沉积物中的适用性有待验证。

其次，本研究主要关注选定的物理和机械 [28] 未被引用的参考
CRediT 作者贡献声明
李小鹏：撰写 - 审阅与编辑，验证，资源，方法学，调查，资金获取，形式分析，概念化。
李旭祥：调查，形式分析，数据整理。
赵军：撰写 - 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。
何浩鑫：撰写 - 审阅与编辑，撰写 - 原稿，调查，形式分析，数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。
致谢
本研究的资金支持由河南省科技计划项目（编号：242102321061）、河南省科协青年英才计划（编号：2026HYTP003）和教育部创新团队支持计划（编号：IRT_16R67）提供。同时，作者衷心感谢河南省建筑安全与防灾减灾国际联合实验室。
利益冲突声明
作者：赵军 | 何浩鑫 | 李小鹏 | 李旭祥
郑州大学土木工程学院，中国郑州 450001