基于赤泥、矿渣粉和电石渣的低碳全固废灌浆料的清洁生产设计与生命周期评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Cleaner-production design and life cycle assessment of low-carbon all-solid-waste grouts based on red mud, GGBFS and carbide slag

　　

# 摘要

通过工业固废的协同资源化利用来开发无水泥灌浆材料，为降低水泥消耗和提高地下工程可持续性提供了一条有前景的清洁生产途径。本研究利用红泥（RM）、矿渣粉（GGBFS）和电石渣（CS）制备RM-GGBFS-CS全固废浆液，采用单纯形重心设计法量化了三元组分比例对新鲜性能、凝结行为、无侧限抗压强度（UCS）、微观结构演化、全生命周期碳排放和经济性的影响。建立的回归模型具有较高拟合精度，所有关键性能指标的R2值均高于0.95。结果表明，CS可降低浆液密度，而在低CS含量下适当的RM-GGBFS组合可改善流动性。RM通过细颗粒填充和保水作用提高浆液密实度并减少泌水，从而增强体积稳定性。GGBFS主导了凝结和强度发展，在富含GGBFS的区域，28d UCS最高可达18.02 MPa。SEM-EDS、XRD、FTIR和TG-DTG分析表明，GGBFS促进了C-(A)-S-H凝胶和致密基体的形成，而过量的CS导致残留Ca(OH)?和凝胶形成不足。这些结果表明，浆液性能取决于碱/钙供给与活性铝硅酸盐可用量之间的组分匹配。虽然GGBFS增加了单位体积碳排放和材料成本，但其强度贡献显著改善了性能归一化CO?排放指数和综合成本指数。本研究为设计利用多种工业固废制备可持续无水泥灌浆材料提供了清洁生产策略。

# 引言

灌浆材料广泛应用于地下工程、隧道施工、地基加固、裂缝封堵和矿山回填。其主要功能是通过灌浆液在孔隙、裂缝或空洞中的扩散、填充和固化来提高地质材料或结构体的整体稳定性和防水性（Jinpeng等，2018；Liang等，2025a；Liu等，2023b；Sierra等，2024；Wang，2024）。在实际工程应用中，灌浆料通常要求同时具备良好的流动性、稳定性、适当的凝结时间和足够的硬化强度，以确保其在泵送、扩散、填充和固化过程中的适用性（Jiang等，2023；Liang等，2025b；Qin等，2023）。目前，普通硅酸盐水泥仍然是灌浆材料中最常用的胶凝材料。然而，水泥生产伴随着高能耗和大量CO?排放。此外，传统水泥基灌浆料在实现高流动性、低泌水、可控凝结和低碳性能方面仍存在一定局限性（da Rocha Gomes等，2023；Ibrahim等，2025；Zhao等，2026b）。因此，开发低碳排放、低成本和性能可控的新型灌浆材料对于地下工程绿色施工和减少水泥消耗具有重要意义。

随着氧化铝、钢铁和乙炔产业的快速发展，红泥（RM）、矿渣粉（GGBFS）和电石渣（CS）等大量工业固废不断产生（Cheng等，2026；Wang等，2026a；Yavuz Selim Aksüt等，2026；Zhao等，2026c）。这些废物的长期堆存不仅占用大量土地，还可能引起碱性浸出液、粉尘扩散和潜在污染物迁移等环境风险（Liu等，2021；Wang等，2021）。将具有潜在反应活性的工业固废用于水泥基材料是促进固废循环、减少普通硅酸盐水泥消耗和降低碳排放的重要策略（Kumar等，2021；Zhao等，2026a）。在这些固废中，RM富含Al、Si和某些碱性组分，可为碱激发或地聚物反应提供部分铝硅酸盐来源和碱性环境（Liu等，2023a；Song等，2021；Zakira等，2023）。近期研究进一步证明了GGBFS作为低碳和碱激发胶凝材料主要活性组分的适用性，包括水泥-矿渣地聚物砂浆和粉煤灰-矿渣地聚物体系，其中高矿渣掺量可提供良好的力学性能同时减少对传统水泥基胶凝材料的依赖（Kina等，2025；Nedunuri和Muhammad，2021；Zhai和Kurumisawa，2021；Zhu等，2023）。CS中的主要钙相通常以Ca(OH)?形式存在，可在体系中提供Ca2?和OH?，从而起到碱性激发剂和补充钙源的作用（Liang和Ji，2021；Shi等，2020；Wang等，2026b）。与RM-GGBFS胶凝材料相比，CS的预期作用是引入额外的源自固废的碱性钙源，使碱性激发功能在固废体系内部得以实现，同时保持全固废胶凝材料组成。然而，CS的有效性取决于其相对于活性铝硅酸盐前驱体的比例：适量可提供反应所需的碱性和钙条件，而过量CS可能导致在可用含Si和Al前驱体不足时出现残余Ca(OH)?。因此，RM、GGBFS和CS表现出组分依赖的功能互补性，三元体系的性能取决于碱/钙供给与活性铝硅酸盐可用量之间的平衡，而非三种固废的简单共存。

近年来，基于工业固废的地聚物和碱激发材料受到越来越多的关注，学者们对它们的力学性能、反应产物、孔隙结构和耐久性开展了广泛研究（Fu等，2023；Nawaz等，2020；Song等，2025b）。多组分固废体系也被用于制备砂浆、混凝土、砖材和固化材料，显示出良好的低碳潜力和工程适用性（Gomes Silveira等，2022）。例如，近期研究开发了由电石残液激发的矿渣-粉煤灰-红泥地聚物，并证明了反应性矿渣基前驱体与含碱钙工业残渣耦合的可行性（Pang等，2026）。然而，与普通水泥基或结构材料相比，灌浆料具有更具体的性能要求（Peng等，2024）。灌浆料不仅要求硬化后具有足够的强度，还要求在新鲜状态下表现出充足的流动性、低泌水、高密实度和适当的凝结时间（Duan等，2023；Feng等，2024；Li等，2023）。这些新鲜状态性能与灌浆料硬化前的运输性、泵送相关操作特性和稳定性密切相关，因此构成评价灌浆料配方的重要初步指标。适用于砂浆或混凝土的固废基水泥基体系可能无法直接满足灌浆工程在流变行为、稳定性和固化行为方面的综合要求。因此，仍需更系统的研究来阐明三元或多组分固废地聚物体系用作灌浆料时的性能响应、组分协同和微观反应机理。

此外，现有固废基灌浆材料研究主要关注宏观工程性能和微观反应机理，而对其全生命周期碳排放和经济成本的综合评价仍相对不足（Duan等，2023；Guo等，2023）。对于全固废灌浆料，各原料的来源、加工方式、运输距离、市场价格和强度贡献可能存在显著差异。仅基于单位体积碳排放或材料成本来评估其可持续性可能无法充分反映其环境和经济效益。因此，有必要将力学性能与全生命周期碳排放和成本评估相结合，从单位强度环境经济效率的角度综合评价全固废灌浆材料（Wang等，2024）。

基于上述背景，本研究以RM、GGBFS和CS为主要原料制备RM-GGBFS-CS三元全固废灌浆料，采用单纯形重心设计法设计了十组配合比，系统研究了三种固废组分对灌浆料新鲜性能、硬化性能和微观结构的影响。测试性能包括密度、流动性、密实度、泌水率、初凝时间、终凝时间和3d、7d和28d无侧限抗压强度。本研究主要侧重于在实验室尺度建立三元组成与灌浆料新鲜状态、凝结和早期硬化性能之间的关系。基于实验结果建立了回归模型和三元响应等高线图，以揭示组分比例对灌浆料性能的影响。此外，对代表性样品进行了SEM-EDS、XRD、FTIR和TG-DTG分析，以分析反应产物、元素分布和微观结构演化。此外，建立了全生命周期碳排放计算模型和成本评估方法，以评价不同配合比灌浆料的综合碳排放、综合成本、CO?排放指数和综合成本指数。与以往主要关注固废基水泥材料力学性能或反应机理的研究不同，本研究专门从灌浆工程角度评价RM-GGBFS-CS体系。本研究并非将创新性归因于三种固废的简单组合，而是特别关注碱/钙源与活性铝硅酸盐前驱体的互补作用如何随三元组分变化从而影响灌浆料性能。本工作的创新之处在于在统一的评估框架内建立了定量组成-性能关系，同时整合了新鲜和硬化性能、微观结构特征以及强度归一化环境经济性能。本研究结果可为RM、GGBFS和CS在低碳灌浆材料中的协同利用提供理论指导和数据支持。

# 原料

本研究以红泥（RM）、矿渣粉（GGBFS）和电石渣（CS）作为主要原料制备全固废灌浆料。这三种材料是典型工业生产过程中的固态副产物，分别对应氧化铝、钢铁和乙炔产业。原料的主要化学成分、粒度分布、XRD图谱和SEM图像见表1和图1。RM采自于……

# 结果与讨论

基于RM-GGBFS-CS三元全固废灌浆料的实验结果，建立了描述各性能指标与三元组分比例之间关系的回归方程，并绘制了相应的三元响应热图。响应指标包括密度、流动性、密实度、泌水率、初凝时间、终凝时间以及养护龄期为3d、7d和28d的无侧限抗压强度。拟合……

# 系统边界与功能单元

为评估RM-GGBFS-CS全固废灌浆料的全生命周期环境绩效和经济可行性，本研究建立了生命周期评价（LCA）框架和平行成本评估方法。LCA框架遵循ISO 14040和ISO 14044标准，采用摇篮到大门系统边界，如图10所示。选择摇篮到大门边界是因为本次LCA的主要目标是比较与……相关的环境负担

# 结论

本研究开发了RM-GGBFS-CS全固废灌浆料，系统研究了组分比例对新鲜性能、硬化性能、微观结构、全生命周期碳排放和成本绩效的影响。主要结论如下：

（1）RM-GGBFS-CS灌浆料的新鲜性能受颗粒特性、保水能力和早期反应活性的综合影响。CS对灌浆密度影响显著，而……

# CRediT作者贡献声明

Juncen Kuang：可视化。Xiaoqiang Dong：写作—审阅与编辑、监督。Jiaxin Liang：监督。Chenhao Zhao：写作—初稿、方法论、概念化。Jianghao Cui：数据整理。

# 利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

# 致谢

本研究获得多项资助：国家自然科学基金（项目编号52508399和52378360）、山西省研究生教育创新项目（编号2025TD06）、山西省基础研究计划（编号202403021212155）、山西省高校科技创新项目（编号2024L044）以及山西省研究生科研创新项目（编号2025XS084）。

# 利益声明

作者声明，Chenhao Zhao | Jiaxin Liang | Xiaoqiang Dong | Juncen Kuang | Jianghao Cui