回收焊接熔渣作为生态高效胶凝掺合料

《Results in Engineering》：Recycling Welding Flux Slag as an Eco-Efficient Cementitious Addition

　　

焊接熔渣（Welding Flux Slag, WFS）是埋弧焊行业产生的一种废料，通常被填埋处置。WFS的再利用符合循环经济策略，并有助于减少填埋量。本研究评估了以6%和35%的掺量将WFS部分替代波特兰水泥（Portland cement）的可行性。研究人员依照欧洲标准（European standards）评估了掺入WFS的水泥的力学性能、抗酸性侵蚀和碳化耐久性、生态效率及成本影响。结果表明，较高的WFS掺量导致孔隙率增加和抗压强度降低，这主要归因于C-S-H生成量减少以及基体致密化程度改变。即便如此，掺6% WFS的砂浆仍满足CEM II/A-S 42.5N的要求，而掺35% WFS的砂浆仍达到CEM II/B-S 32.5N的最低强度等级。此外，含WFS的水泥表现出改善的耐硫酸侵蚀性能，并具有有前景的长期生态效率表现。热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）和等温量热分析（Isothermal Calorimetry）为水化动力学和物相组成变化提供了见解。尽管WFS的掺入降低了早期力学效率，但所有混合料在91天时的水泥强度指数（Cement Intensity, CI）值实际上趋于一致。值得注意的是，掺35% WFS的混合料每单位强度对应的熟料消耗量几乎与参考砂浆相同，尽管其替代了超过三分之一的熟料含量。研究结果证明了将WFS作为部分水泥替代材料的技术可行性，突显了其在减少熟料、工业废料资源化以及减少填埋方面的巨大潜力，且长期力学性能损失有限。建议开展进一步研究，以更好地区分可能的物理化学贡献与填充效应（filler effect）。

# 论文解读：焊接熔渣作为生态高效胶凝掺合料的可行性研究

## 研究背景与目的

水泥工业约占全球温室气体排放的5%–10%，其中大部分排放与熟料生产相关，因为石灰石高温煅烧过程中碳酸钙（CaCO?）分解为氧化钙（CaO）并释放大量二氧化碳（CO?）。利用工业废渣部分替代水泥，既能减少污染物排放、实现废料回收，又能降低能源消耗和非可再生资源开采。粒化高炉矿渣（GGBFS）作为炼铁副产品已被水泥工业广泛应用，而焊接熔渣（WFS）同样是冶金废料，却长期未被充分利用。WFS产生于埋弧焊过程，该工艺广泛用于管道、压力容器、桥梁和平台等对强度和耐久性要求较高的金属连接。WFS的成分随焊剂化学组成变化，主要含有氧化铝（Al?O?）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）和氧化硅（SiO?）。巴西WFS产量估计约为750吨/月，其填埋处置给企业带来显著经济负担。以往研究将WFS用于陶瓷材料、细骨料和化学外加剂，但作为水泥替代材料的研究较少，尤其缺乏耐久性及是否符合标准水泥强度等级的综合评估。因此，本研究旨在全面评估WFS以6%和35%掺量（分别对应欧洲标准CEM II/A-S和CEM II/B-S的组分限值）部分替代波特兰水泥的技术可行性，涵盖力学性能、孔隙率、水化行为、抗酸侵蚀、碳化、生态效率和成本分析。

## 主要研究方法

研究人员采用商用高早强水泥（CP-V，约95%熟料，类似欧洲标准CEM I）作为参考，使用巴西标准砂，按1:3灰砂比、0.48水灰比制备了参考、WFS 6%和WFS 35%三种砂浆。力学性能依据欧洲标准测定28天和91天抗压强度；通过阿基米德原理计算吸水率、体积密度、表观密度和孔隙率。耐硫酸侵蚀试验将试件浸泡在5%硫酸溶液中28天，测量质量损失。等温量热试验采用Calmetrix I-CAL 2000 HPC在23°C下记录72小时水化热。热重分析（TGA）在N?气氛下以10°C/min升温至1000°C。碳化试验在含5% CO?、30°C、湿度65%的环境中暴露28天，用酚酞指示剂测量碳化深度。生态效率采用水泥强度指数（CI）评估，并根据WFS与水泥的相对价格进行成本分析。

## 研究结果

### 3.1 物理参数

通过吸水率和密度测试发现，随着WFS掺量增加，吸水率从参考砂浆的7.57%升至WFS 35%的9.32%，孔隙率由16.3%增至19.5%，干体积密度降低约4%，而表观密度基本不变。这说明WFS的掺入主要改变了孔结构，而非固相密度。孔隙率增加可能源于熟料稀释、颗粒堆积变化和水化产物减少。

### 3.2 抗压强度

28天和91天抗压强度测试显示，抗压强度随WFS含量增加而降低，与孔隙率变化趋势相反。方差分析和Tukey事后检验表明，WFS 6%与参考砂浆在28天和91天均无显著差异，而WFS 35%显著低于其他两组。尽管如此，WFS 6%在28天满足CEM II/A-S 42.5N的最低强度要求（≥42.5 MPa），WFS 35%满足CEM II/B-S 32.5N要求（≥32.5 MPa）。91天强度持续发展表明WFS主要延迟而非阻止水化。

### 3.3 硫酸侵蚀

在5%硫酸溶液中浸泡28天后，参考和WFS 6%砂浆的平均质量损失分别为9.87%和9.69%，而WFS 35%仅损失0.63%。尽管WFS 35%孔隙率最高，其化学组成中钙相含量较低，减少了酸溶蚀和膨胀性腐蚀产物形成，从而显著提高了抗硫酸侵蚀能力。

### 3.4 等温量热

72小时等温量热曲线显示，WFS 6%的铝酸三钙（C?A）反应强度降低，加速期起始延迟约2小时。WFS 35%的休眠期延长约8小时，主水化峰出现在加水后约9小时，并在约16小时出现明显放热事件。累积放热量随WFS掺量增加而降低，这归因于熟料稀释、WFS较大平均粒径（24.07 μm对14.19 μm）以及高MnO含量（17.25%）对早期水化的延迟作用。

### 3.5 热重分析

28天样品的TG/DTG曲线显示，主要质量损失发生在40–200°C（结合水、钙矾石、C-S-H）和400–450°C（Ca(OH)?分解）以及700°C附近（CaCO?分解）。WFS 35%在前两个温度区间的质量损失明显低于参考和WFS 6%，表明水化产物总量较低，与较低的熟料含量和延迟水化一致，但无法定量区分具体物相变化。

### 3.6 碳化

酚酞试验结果显示，碳化深度随WFS含量增加而增大，WFS 35%的碳化深度约13.5 mm，明显高于参考；WFS 6%仅略高于参考。这归因于WFS 35%较高的孔隙率促进了CO?渗透，同时熟料替代降低了碱性钙相储备，加速了pH下降。高替代水平在配筋混凝土碳化暴露条件下需谨慎使用，而低替代水平（6%）影响有限。

### 3.7 生态效率与成本分析

生态效率计算表明，28天时WFS混合料的CI值比参考高4.2%（WFS 6%）和24.2%（WFS 35%），但在91天时三者基本收敛至约7.0 kg·m?3·MPa?1。WFS 35%的每单位强度熟料消耗量为7.02 kg/MPa，与参考的6.92 kg/MPa几乎相同。成本分析显示，若WFS成本为零，6%和35%掺量分别可降低成本22.0%和20.4%；若WFS价格与水泥相同，则6%掺量仍带来17.0%的成本降低。实际成本取决于WFS运输和加工要求。

## 讨论与结论

研究人员指出，WFS掺入导致早期力学性能下降和孔隙率增加，主要机制包括熟料稀释、WFS粗粒径限制其填充和成核作用，以及高MnO含量对早期水化的延迟。但仅凭量热和热重结果无法区分物理填充效应与化学贡献，也未能直接证实C-S-H的减少。生态效率分析虽未直接核算CO?排放，但熟料替代本身具有减排潜力，需要结合生命周期评价进一步量化。碳化与耐酸性能呈现出权衡关系，高WFS掺量更适用于酸性环境，但需注意碳化风险。

研究结论指出，WFS以6%和35%掺量部分替代波特兰水泥在技术上是可行的。WFS掺入降低了早期强度、增加了孔隙率并延迟了水化，尤其在高掺量下明显。然而，6%和35%掺量分别在28天实现了与CEM II/A-S 42.5N和CEM II/B-S 32.5N等级相符的强度。较高掺量还导致力学性能显著降低和碳化深度增加，因此WFS掺量应根据所需性能和暴露条件确定。WFS掺入提高了耐硫酸侵蚀能力，主要归因于钙相含量较低。生态效率分析显示，尽管早期效率较低，但所有混合料91天时的水泥强度指数几乎相同；尤其35% WFS混合料的单位强度熟料消耗与参考几乎一致，尽管替代了超三分之一的熟料。总体而言，WFS作为部分熟料替代材料具有明显的资源化潜力，但需要在熟料减少、力学性能、耐酸性和抗碳化性之间进行权衡，具体掺量应依据工程应用的要求和暴露环境确定。