源自工业固体废物的低碳三元前驱体碱活化道路基层材料：红泥、钼尾矿和铁尾矿的协同利用

《Environmental Research》：Low-carbon ternary precursor alkali-activated road subbase materials derived from industrial solid wastes: Synergistic utilization of red mud, molybdenum tailings and iron tailings

　　摘要
基于工业固体废弃物的碱激活材料为降低普通波特兰水泥制造的环境影响和促进循环资源利用提供了一条实用途径。在本研究中，红泥（RM）、磨细的高炉矿渣（GGBS）、钼尾矿（MoT）和铁尾矿（IT）被协同利用，开发出一种用于可持续基础设施应用的低碳碱激活材料。采用三因素正交试验方案优化了RM与GGBS的质量比、NaOH的用量以及MoT的含量。通过XRD、SEM、FT-IR和TG-DTG分析系统地阐明了反应机理和相变过程。基于优化后的胶凝剂组分（RM与GGBS的质量比为3:7，NaOH含量为5%，MoT含量为15%），制备出了碱激活路面施工材料（ARCM）。增加胶凝剂与砂的比例通常能够提高材料的力学性能、承载能力以及对环境作用的抵抗力，同时减少碳化深度。通过结合熵权重和灰色关联分析的多标准决策分析确定了ARCM-18为最佳混合比例组，并通过现场应用进一步验证了其性能。从摇篮到大门的生命周期评估表明，与传统水泥稳定材料和地质聚合物基路面基层材料相比，ARCM-18可以将二氧化碳排放量减少50%以上，同时保持经济优势。这些发现展示了协同利用多种废弃物开发低碳、资源高效道路基础设施的潜力。

引言
工业化进程的加快导致了工业固体废弃物的前所未有的积累，这对资源效率和环境可持续性构成了严峻挑战。中国每年产生的工业固体废物超过40亿吨，其中采矿和冶金尾矿占据了很大比例（Zhang等人，2025年）。红泥（RM）是氧化铝生产过程中产生的强碱性细颗粒副产品，每生产1吨氧化铝大约会产生2.0吨红泥，并可能含有潜在有毒元素（Qin等人，2021年）。如图1（a-c）所示[数据来源：USGS（2025年）]，2024年中国占全球氧化铝产量的超过一半，而红泥的产量持续增加，给长期管理带来了巨大压力。同时，由于钼矿品位通常较低（Wang等人，2024年；Zhang等人，2024年），钼尾矿（MoT）也成为另一种丰富的矿业废弃物。如图1（d-f）所示，2024年中国贡献了全球42.46%的钼产量，且2019-2024年间全球钼产量保持较高水平。红泥和钼尾矿可能含有铅（Pb）和铬（Cr）等潜在有毒元素，这些元素可能被雨水带入周围土壤和水环境中（Liu等人，2024年；Luo等人，2022年）。因此，开发安全、大规模和高价值的红泥和钼尾矿利用途径是可持续材料与技术的关键挑战。
以往的研究通过在水泥体系中部分替代普通波特兰水泥（OPC）来重新利用红泥和尾矿（Li Jun等人，2025b；Li等人，2026年；Lin S.C.等人，2024年）。先前的研究表明，添加红泥、钼尾矿或高炉矿渣作为补充性胶凝材料可以促进水泥水化、改善力学性能并优化微观结构（Meng等人，2024年；Ou等人，2024年；Qiu等人，2016年）。然而，在基于OPC的体系中，工业固体废弃物的替代程度仍然较低，限制了大规模废物利用和碳减排潜力（Jin H等人，2021b；Jin等人，2026年）。此外，OPC生产过程中每吨水泥会释放约0.8吨二氧化碳，占全球二氧化碳排放总量的5-8%（Sun等人，2024年）。这些限制凸显了需要开发能够大幅提高固体废物利用率并减少生命周期碳排放的替代材料体系。碱激活材料（AAMs）作为一种有前景的解决方案，使得富含铝硅酸盐的工业废物能够以50-100%的替代比例得到大规模利用（Uysal等人，2024年）。多项研究表明，AAMs具有优异的力学性能和耐久性（Li Jun等人，2025a；Li J等人，2025年；Zhang J等人，2025年）。Yang等人（Yang Y.Z.等人，2023年）证明了NaOH激活的钼尾矿可以形成无定形铝硅酸盐产物并促进后续聚合。然而，该研究仅限于单一前驱体系，未阐明钼尾矿相对较低的活性如何与富钙矿渣相互作用。Zhu等人（Zhu等人，2024年）发现高炉矿渣的活性和硅酸盐溶解度显著影响凝固行为，但快速形成富钙凝胶、激活剂需求、工作性能和工程性能之间的关系尚未得到充分研究。也有一些多组分体系的研究，例如Wang等人（Wang F.D.等人，2024年）发现添加20%的钼尾矿可以使高炉矿渣-粉煤灰（GGBS-FA）体系致密化，Yang等人（Yang等人，2024年）使用碱激活的红泥和高炉矿渣制备了轻质骨料。然而，这些研究未能系统地联系钼尾矿的填充作用、矿渣衍生的凝胶形成、红泥衍生的碱度、激活剂用量以及宏观工程性能。Song等人（Song等人，2025年）指出，复杂多前驱AAMs的兼容性和反应机理尚未得到充分理解。类似的，Luan等人（Luan等人，2023年）使用烟气脱硫石膏（FGD）改善了GGBS-FA体系的强度，Lin等人（Lin J.-X.等人，2024年）优化了钢渣（SS）-GGBS-FA三元混合物。然而，对多前驱物质的综合耐久性评估及其相互之间的溶解-聚合机制尚未完全阐明。与以往基于红泥-GGBS和钼尾矿的体系相比，本研究侧重于在三元废弃物基胶凝体系中平衡前驱物活性、化学贡献和颗粒效应，而不仅仅是引入额外的固体废弃物组分。高炉矿渣提供了主要的Ca-Si反应源，红泥提供了碱度和含Fe/Al相，而相对低活性的钼尾矿提供了含Si相和颗粒填充，但过量使用时可能会稀释活性部分。除了材料合成外，AAMs还具有强大的固化与稳定能力，使其适用于道路工程（Zhong W.L.等人，2024年）。作为路面结构的关键组成部分，路面基层材料直接影响其使用寿命和交通安全。与传统材料相比，基于AAM的材料在力学强度、耐久性和环境性能方面具有优势（Paruthi等人，2024年；Tekin等人，2020年）。全球研究人员对AAMs在道路工程中的应用进行了广泛研究。Mukiza等人（Mukiza E.等人，2019年）提出使用红泥开发环保型公路路面材料，并系统研究了其力学和水化特性。Mmyrin等人（Mymrin等人，2020年）结合红泥、黏土板岩废料和抛光污泥开发出具有优异力学性能的复合结构，适用于公路基层、机场跑道和建筑基础等场景。这些研究表明，AAMs在道路工程中表现出优异的力学性能，抗压强度和抗弯强度满足路面要求（Li Jiaze等人，2024年；Zhong W.L.等人，2024年）。此外，AAMs能够利用富含铝硅酸盐的工业废物（Hao等人，2023年），在常温条件下快速增强强度（Tome等人，2024年），并表现出低收缩率和强界面粘结性（Mermerda?等人，2020年）。尽管如此，仍存在一些关键知识空白：（i）虽然尾矿已被广泛用作补充性胶凝材料、填料或骨料，但其在单一道路材料体系中的增值利用尤其是作为碱激活胶凝剂的组分和骨料骨架的联合使用尚未充分探索；（ii）关于红泥和钼尾矿在路面基层AAMs中的联合利用及其反应机制的研究有限；（iii）由于各国和地区原材料性质、混合比例和路面基层标准的差异，普遍适用的多元前驱碱激活路面材料混合设计策略尚缺失；（iv）对于包括压实性、强度、承载能力、水稳定性和耐久性以及环境影响在内的全面评估仍然有限。为解决这些问题，本研究使用红泥、高炉矿渣和钼尾矿作为胶凝剂，铁尾矿作为骨料，开发出新型碱激活路面基层材料，旨在替代OPC以减少环境影响。通过正交实验设计优化了混合比例，并采用XRD、SEM、FTIR和TG-DTG分析阐明了微观结构演变。优化后的胶凝剂被用于制备碱激活路面施工材料（ARCM），并通过压实试验、强度测试、CBR测试、水稳定性测试、冻融循环测试和碳化测试系统评估了其工程性能。此外，以1立方米路面基层材料为功能单元进行了从摇篮到大门的生命周期评估（LCA），从而比较了ARCM-18与传统水泥或地质聚合物稳定基层材料的碳排放和成本。与以往研究相比，本研究的主要创新和贡献如下：（i）使用红泥、高炉矿渣和钼尾矿作为碱激活胶凝剂前驱体，铁尾矿作为骨料，实现了工业废物的差异化增值利用；（ii）系统优化了RM-MoT-GBS三元胶凝体系，明确了前驱体之间的协同作用及其对路面基层性能的影响；（iii）结合熵权重灰色关联分析和LCA评估了材料性能和环境经济效益；（iv）通过现场应用验证了优化后的混合比例。因此，本研究建立了连接多废物利用、混合优化、性能评估、现场验证和环境评估的综合框架，用于开发低碳路面基层材料。

原材料
钼尾矿来源于辽宁省锦州市，红泥和高炉矿渣来自山东省聊城市。铁尾矿来自辽宁省阜新市久庙场矿区，分析级NaOH颗粒由辽宁的全瑞试剂公司提供。图3（a）显示了高炉矿渣、红泥和钼尾矿的氧化物含量和比表面积。高炉矿渣、钼尾矿和铁尾矿主要由CaO、SiO2和Al2O3组成，而红泥主要由...

工作性能分析
不同混合比例的AAMs的新鲜性能如图5所示。如图5所示，所有测试混合物均符合相关标准要求（中国，2011年；中国西南建筑设计研究院，2022年），流动性值超过100 mm，初始凝固时间大于45分钟，最终凝固时间小于600分钟，表明其具有足够的实用工作性能。

指标选择
第3.4节系统评估了 binder 与砂的比例在10%至18%范围内的ARCM的路面性能。优化过程分为两个阶段，具有不同的目标。第一阶段使用正交实验优化RM-GGBS-MoT三元胶凝体系，并研究前驱体组成对其反应和性能的内在影响。此阶段未引入铁尾矿，因为其在ARCM中主要作为骨料使用。

通过生命周期评估的生态和经济效益
尽管ARCM-18通过基于机械强度、承载能力、耐久性和相关路面基层规格的系统性能优化被确定为最佳混合物，但这些工程导向的指标不足以全面评估其可持续性。本研究中使用的灰色关联分析主要关注工程性能，未能涵盖与原材料相关的环境影响。

工程应用与验证
由工业固体废物（包括红泥、高炉矿渣和矿业尾矿）合成的AAMs在道路工程应用中引起了越来越多的关注（图24）。它们的使用实现了大规模固体废物回收，同时减少了水泥和天然骨料的消耗，从而降低了碳排放和提高了资源效率。除了这些环境优势外，AAMs通常还具有足够的力学性能和耐久性，适用于路面基层...

结论与展望
本研究系统地研究了通过开发含有红泥（RM）、磨细高炉矿渣（GGBS）、钼尾矿（MoT）和铁尾矿（IT）的碱激活路面基层材料来实现多种工业废物的可持续增值。通过整合材料化学、微观结构表征、工程性能评估和生命周期评估，提出了一种低碳且资源高效的替代方案...

作者贡献声明
Hesong Jin：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、资源准备、方法论、形式分析、概念化；
Jinheng Li：撰写 – 原稿、方法论、调查、数据整理、概念化；
Xueyu Wei：撰写 – 原稿、形式分析、数据整理、概念化。李军：写作（包括审稿与编辑）、项目监督、项目管理、资金筹措以及概念构思。
未引用的参考文献：
中国，C.i.s.o.t.P.s.R.o.，2024年；中国M.o.H.a.U.R.d.o.t.P.s.R.o.，2009年；中国M.o.T.o.t.P.s.R.o.，2015a年；中国M.o.T.o.t.P.s.R.o.，2015b年；中国N.S.o.t.P.s.R.o.，2011年；中国西南建筑设计研究院有限公司，2022年；L.G.，2021年；李等人，2024年；李等人，2025a年；李等人，2025b年；李等人，2024年；李等人，2024年；林等人，2024年；刘等人，2024年；刘等人，2024年；Mukiza等人，2019年；齐等人，2024年；石等人，2024年；王等人，2024年。

利益冲突：
无。

利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢：
本文的研究工作得到了辽宁省教育厅科学研究基金（项目编号22-1159）的支持。同时，通讯作者还想感谢西南交通大学李富海博士及其研究团队在研究期间给予的全面支持、技术指导以及实验资源的提供，并对墨尔本大学在研究过程中提供的巨大支持和各种研究资源表示衷心的感谢。

作者列表：
李军 | 韦雪宇 | 李金亨 | 金赫松
辽宁工程技术大学土木工程学院
中国辽宁省阜新市西河区中华路47号，123008