综述：从胶凝体系到破碎建筑与拆除废弃物衍生地聚物：放射性核素固定化的新兴先进基体

《Ceramics》：From Cementitious Systems to Crushed Construction and Demolition Waste-Derived Geopolymers: Emerging Advanced Matrices for Radionuclide Immobilization

　　

建筑与拆除废弃物（C&DW）已被研究用于放射性核素吸附以及作为地聚物材料的前驱体。然而，关于C&DW衍生地聚物的研究主要聚焦于合成与表征，而其在放射性核素固定化中的作用仍未得到充分探索。本综述评估了C&DW衍生地聚物作为放射性核素固定化潜在基体的可行性，重点关注滞留能力及影响固定化性能的因素。现有研究表明，废弃物衍生的地聚物体系能够限制放射性核素的迁移和浸出，但其性能强烈依赖于前驱体组成、物相组合和基体结构。C&DW衍生基体的矿物复杂性可能提供多种滞留途径，支持将其视为固定化材料。将C&DW材料已记录的吸附能力与C&DW衍生地聚物基体的固定化潜力和有利特性相结合，代表了开发先进放射性核素固化体系的一种有前景的方法。由于直接涉及C&DW衍生地聚物体系中放射性核素固定化的研究数量有限，本文考虑了相关研究中的证据以支持对其固定化能力的评估。尽管如此，仍需进一步阐明现有研究结果的整合、前驱体异质性、多离子相互作用以及真实条件下的长期性能。通过系统性研究解决这些局限性，对于支持其在放射性废物（RW）管理中的应用至关重要。

本综述围绕C&DW衍生地聚物用于放射性核素固定化的主题，系统梳理了从传统胶凝体系向废弃物衍生地聚物体系过渡的研究进展。文章主体内容包括以下部分：

**1. 引言**
引言部分指出，全球能源需求增长导致化石燃料仍占主导地位，2024年化石燃料约占全球发电量的59.6%。核能作为低碳能源，其发电过程几乎不产生直接CO₂排放，但会产生放射性废物（RW）。单座核电站每年产生约20–50 m³高放废物和200–1000 m³低中放废物。液体RW占总RW体积的10–30%，需通过蒸发、离子交换等处理减容，再利用固定化基体防止放射性核素迁移。传统上使用普通硅酸盐水泥（OPC）基胶凝材料进行固化，但水泥生产能耗高、碳排放量大，约占人为CO₂排放的7–8%。因此，开发低碳替代胶凝材料成为研究热点。地聚物和碱激发材料（AAMs）因碳排放较低且具备废物资源化潜力，被视为OPC的替代方案。C&DW作为产量巨大的废物流，其矿物组成富含铝硅酸盐相，可作为地聚物前驱体。同时，C&DW组分对Co、Ni、Sr、Cs等放射性核素离子具有吸附能力。本综述旨在整合C&DW吸附性能与地聚物基体固定化优势，探讨C&DW衍生地聚物在放射性核素固定化中的应用前景。

**2. 建筑与拆除废弃物作为先进应用的二次资源**
**2.1 C&DW的产生与环境影响**
C&DW是全球最大废物流之一，约占固体废物总量的30–40%。欧盟地区C&DW占总废物量的33–35%，美国约40%，中国城市固体废物中占30–40%。回收率因地区而异，欧盟成员国间从低于10%到高于90%不等。C&DW常作为再生骨料用于道路基层、回填等非结构应用。建筑行业贡献了约50%的气候变化影响、40%的能源消耗和50%的填埋废物。因此，需开发超越传统建筑应用的高值化利用途径。

**2.2 C&DW的组成与理化性质**
破碎C&DW（石质废物）主要包括混凝土、砂浆、砖、陶瓷以及老化沥青。混凝土和砂浆中的水泥水化产物（C–S–H、C–A–H、C–A–S–H）在长期环境暴露下发生脱钙、硅酸盐聚合和碳酸化，形成以石英（SiO₂）和方解石（CaCO₃）为主的晶相。砖材由黏土烧制而成，含石英、莫来石、钙长石等。陶瓷和屋顶瓦片主要含石英、钠长石和方解石。沥青老化后发生氧化，有机相降解，同时富集石英、方解石、白云石等次生矿物。化学组成上，C&DW以SiO₂、Al₂O₃和CaO为主，含少量Fe₂O₃、MgO和碱金属氧化物。非晶态和弱结晶相（如脱钙C–S–H和热转变铝硅酸盐）在碱性条件下具有较高反应活性，其溶解释放硅酸盐和铝酸盐物种，可形成N–A–S–H凝胶或钙改性C–(A)–S–H结构。

**2.3 破碎C&DW的吸附与固定化性能**
C&DW作为多相体系，对阳离子（如Co²⁺、Ni²⁺、Sr²⁺、Cs⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、Mn²⁺）具有较高亲和力，吸附机理包括表面吸附、离子交换、沉淀、络合等。水泥基材料对Co²⁺和Ni²⁺表现出最高吸附容量，Sr²⁺吸附可达0.25 mmol/g，Co²⁺和Ni²⁺分别超过0.32和0.55 mmol/g。砖粉、陶瓷废料、再生混凝土细粉等均被证实可高效去除多种金属离子。钙硅酸盐相（C–S–H）对二价阳离子的亲和力是固定化的重要机制，细颗粒因比表面积增大而反应活性更高。

**3. C&DW衍生地聚物作为可持续胶凝替代材料**
**3.1 文献检索与研究趋势概述**
通过Scopus数据库检索（2016–2026年），初始检索获得528篇关于C&DW基地聚物和AAMs的文献，经精炼后为233篇，排除综述后分别为486和215篇。定性分析表明，再生混凝土粉末/细粉是最常研究的前驱体，砖废料因其铝硅酸盐含量高而被广泛关注，陶瓷废料反应活性较低，混合C&DW体系因组成波动较大而研究较少。

**3.2 C&DW组分在地聚物体系中的作用**
C&DW可作惰性骨料或活性铝硅酸盐前驱体。粗颗粒主要影响堆积密度，细颗粒则参与地聚物反应。富含砖和陶瓷的细磨组分在碱性条件下可部分溶解，促进地聚物网络形成。反应产物取决于钙含量：低钙体系以N-A-S-H凝胶为主，高钙体系形成C-(A)-S-H或混合凝胶。混合C&DW常导致多凝胶体系共存，石英和方解石等晶相主要起微区填料作用。机械和热活化可提高反应活性，但C&DW的异质性仍是规模化应用的主要障碍。添加粉煤灰、矿渣、偏高岭土等高活性前驱体可形成混合体系，改善力学性能。OPC掺入也可提高早期强度，但需控制前驱体组成和激活参数。

**4. 用于放射性核素固定化的C&DW衍生地聚物基体**
**4.1 废弃物衍生地聚物用于放射性核素固定化**
多种工业副产物（粉煤灰、矿渣等）衍生地聚物已被研究用于固定化Ni(II)、Pb(II)、Cu(II)、Cd(II)、Cr(III/VI)、Mn(II)以及放射性核素⁶³Ni、¹³⁷Cs、⁹⁰Sr、⁶⁰Co等。Cs和Sr因高迁移性和长半衰期而受广泛关注。固定化机制包括离子交换（Na⁺、Ca²⁺参与）、与Si–O–和Al–O–官能团化学结合、物理封装等。

**4.2 基于Scopus的C&DW衍生地聚物固定化放射性核素及其稳定同位素类似物的定量概述**
专门针对C&DW衍生地聚物中放射性核素固定化的文献极少。扩大检索范围后，发现少量涉及Cs、Sr、Co、Ni稳定同位素类似物的研究，但这些研究主要关注类似滞留过程而非直接放射性核素固定化。更广泛的金属滞留研究提供了关于离子交换、铝硅酸盐网络掺入、物理封装和抗浸出能力的有用信息，但需进一步开展系统性放射性核素固定化研究。

**4.3 C&DW衍生地聚物用于放射性核素固定化**
使用C&DW作为主要前驱体时，可形成稳定地聚物网络，通过静电相互作用、物理捕获和掺入新生结合相实现金属离子固定化。C&DW与粉煤灰、矿渣等混合时形成N-A-S-H和C-A-S-H共存的多凝胶体系，有助于微结构致密化和降低金属浸出。C–S–H和钙矾石相可通过吸附、替代和掺入机制贡献固定化。已报道的实验研究证实了C&DW衍生碱激活体系对金属离子的滞留，涉及离子交换、掺入铝硅酸盐结构、次生相沉淀和物理封装等机制。但现有研究在前驱体组成、目标离子种类、废物负载量、浸出方法等方面差异较大，难以直接比较。作为RW固定化基体，还需评估长期耐久性、低渗透性、尺寸稳定性、废物包容量等指标，并建立标准化评估方法。

**5. 知识空白与未来展望**
当前主要知识空白包括：C&DW原料吸附行为与地聚物固定化性能之间缺乏定量关联；C&DW体系的矿物异质性导致预测放射性核素分配和长期稳定性困难；C&DW掺入量对地聚物化效率及核素滞留性能的影响不明确；混合凝胶体系中各机制贡献尚未量化；直接研究放射性核素固定化的文献稀缺。现有研究多采用稳定同位素类似物或非放射性金属离子，虽能提供滞留潜力的参考，但浸出结果受测试方法影响，需谨慎解释。IAEA建议的HESPE浸出法等可用于标准化比较。低中放液体RW中放射性核素摩尔浓度通常在10^-13至10^-6 M范围，实验室吸附研究常涵盖或超过该范围，可提供保守评估。然而，前驱体在地聚化过程中发生溶解和重构，其原始吸附性能对最终核素滞留的贡献仍需阐明。未来研究应建立前驱体特征与废物形态性能的定量关系，结合先进表征和预测模型，实现从经验配方到性能驱动设计的转变。

**6. 结论**
本综述表明，C&DW材料固有吸附能力与C&DW衍生地聚物基体的固定化潜力相结合，为放射性核素固化提供了新方向。然而，直接针对C&DW基地聚物中放射性核素固定化的研究仍然有限且分散。建立前驱体组成、吸附行为、地聚物结构与核素滞留之间的明确关系是关键研究重点。未来需采用标准化方法处理异质C&DW原料，开展多离子真实条件评估，并超越常规短期浸出测试进行长期性能验证，以推动该材料从实验室研究走向RW管理的实际应用。