钢渣辅助湿法风化花岗岩洗涤污泥资源化制备轻质陶粒：机理与可持续性评估

《Journal of Cleaner Production》：Steel slag-assisted valorization of wet weathered granite washing sludge for lightweight ceramsite production: Mechanism and sustainability assessment

　　

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  湿法WGWS可实现节能陶粒生产（<500 kg/m³）。
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  Fe的氧化还原循环（Fe²⁺/Fe³⁺）将气体生成与粘度控制耦合起来。
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  Ca-Fe协同效应驱动相演化和结构形成。
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  相重构过程中重金属被固化。
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  所制备的陶粒具有低碳排放和低成本的特点。

引言

为提高能效和可持续性，建筑行业正日益采用轻质多功能结构体系（Janczarek等，2022）。轻质陶粒是一种高孔隙率、低堆积密度的多孔材料，已成为推动这一转变的关键因素（Smoleń等，2024）。通过显著降低结构构件的自重，陶粒减少了材料消耗，降低了与运输相关的能源使用，并减轻了对基础和支撑结构的设计荷载（Piechaczek等，2025）。此外，其连续的孔隙网络提供了有效的隔热和吸声性能，使其非常适合用于一体化基础设施应用，包括节能建筑、对噪音敏感的桥梁、耐热公路和隧道（Yan等，2023）。

过去，大量的陶粒是通过高温烧结粘土和页岩等天然原料生产的。然而，快速的工业化进程给天然矿产资源带来了日益加剧的压力，同时工业固体废弃物也在不断累积。这些废弃物的规模化处置不仅占用了宝贵的土地资源，还带来了长期的环境隐患。为应对这些挑战，越来越多的关注被投向使用工业副产品作为陶粒生产的替代原料。这一转变反映了在减少自然资源依赖的同时，提高建筑材料中固体废弃物价值化利用的更广泛努力。

包括赤泥（Pan等，2025；Liu等，2023）、锂渣（Li等，2023）、污水污泥（Li等，2025a；Wu等，2022；Pei等，2024）和煤矸石（Ma等，2025）在内的多种工业固体废弃物已被用于轻质陶粒的制备研究，证实了它们作为替代原料的潜力。然而，一些问题仍阻碍着它们的更广泛应用。例如，常用的发泡剂或成孔剂如SiC和CaCO₃不可避免地同时增加了生产成本和相关的碳排放。此外，赤泥和污泥等高水分废弃物通常需要在使用前进行干燥和研磨，这进一步增加了能源消耗。另一个持续的挑战是在保持高固废掺量比的同时实现足够低的堆积密度（<500 kg/m³）。因此，解决这些问题对于轻质陶粒的实用化和可持续发展至关重要。

钢渣（SS）是在钢铁生产过程中大量产生的，约占粗钢产量的20%（Zhao等，2017；Roslan等，2019）。在中国，其年产量接近1亿吨，但利用率仍低于30%（Pang等，2022）。SS已被研究作为补充胶凝材料（Carvalho等，2023）、混凝土骨料（Guo等，2018）、CO₂矿化的原料（Steinwidder等，2026）以及土壤改良剂（Kong等，2023）。此外，近期的研究还证明了SS作为低碳基础设施材料中天然骨料的局部或完全替代品的潜力，特别是沥青类材料，同时保持工程性能并降低全生命周期环境影响（Sun等，2025；Zhang等，2026）。然而，目前的SS利用主要集中在将其用作骨料或胶凝组分，而其在高温烧结过程中的热化学作用仍然了解不足。其大规模、高值化利用还受限于其在传统条件下相对较低的反应活性（Wang等，2017）以及微量元素的潜在释放，包括As、Hg、Sr、Pb和V（Le等，2017）。尽管存在这些限制，SS由于其较高的Fe氧化物和CaO含量而表现出强助熔行为。SS的助熔效应，结合Fe氧化物与碳的氧化还原反应中可能产生的气体逸出，可能减少了对CaCO₃和SiC等额外成孔剂的需求，表明了一条潜在的资源效率更高、碳排更低的微孔陶粒生产途径。

风化花岗岩湿废泥浆（WGWS）是石材加工过程中产生的湿润副产品，近年来已被探索作为陶粒生产的前驱体。然而，其化学组成会随地质来源而变化，这使其一致利用变得复杂（Quan等，2023）。大多数现有研究都聚焦于干燥并研磨的花岗岩粉末（Wang等，2025；Sadek等，2021），而尽管湿WGWS的潜力在于无需预干燥和研磨即可减少原料预处理过程中的能耗，但其直接利用仍基本未被探索。更关键的是，湿WGWS与SS在烧结过程中的相互作用尚未得到完全阐明。特别是，Fe的氧化还原转化（Fe³⁺/Fe²⁺）在耦合气体生成与熔体粘度演化方面的作用仍了解不足。解决这一问题对于控制膨胀行为和优化轻质陶粒的性能至关重要。

本研究探索了一条使用湿WGWS和SS作为原料的低碳、低成本轻质陶粒生产路线。进行了单因素实验，通过改变WGWS组成、SS掺量和烧结条件来优化陶粒的膨胀性能。通过X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修定量测定了WGWS的矿物学组成，从而阐明其在膨胀行为中的作用。为阐明WGWS和SS在膨胀过程中之间的协同机制，系统分析了相演化、Fe价态转化和微观结构特征。同时，结合FactSage中的Equilib模块、热重-差示扫描量热法（TG-DSC）和高温粘度测量研究了烧结过程中的热反应和熔体粘度演化。最后，进行了重金属浸出试验、生态风险评估和生命周期评估，以评价所制陶粒的环境安全性和可持续性。

章节片段

原材料

WGWS采集自中国湖北省太湖市两个矿区，被指定为WGWS-A和WGWS-B。WGWS-A1和WGWS-B1是通过烘箱干燥并研磨洗涤泥浆获得的。相比之下，WGWS-B2经过自然沉降并去除上清液后，以泥浆-水混合物的形式使用，含水率约为52%。硅灰（SF）和SS购买自中国河南省巩义市龙泽净水材料有限公司。

WGWS的理化与矿物学特征

粒径

WGWS湿度状态和组成对陶粒性能的影响

在相同的烧结条件（1220 °C，20 min，SS掺量20%）下，评价了由三种WGWS样本制备的轻质陶粒的物理性能。如图3所示，源自WGWS-B的陶粒比源自WGWS-A的具有更高的膨胀程度。这一差异主要归因于其较低的SiO₂和Al₂O₃含量以及较高比例的助熔氧化物（Fe₂O₃、K₂O、MgO和CaO）（Wang等，2026）。这种成分降低了起始温度。

结论

直接由湿WGWS和SS生产了轻质陶粒。主要发现总结如下：

• (1)
  长石含量更丰富、粘土矿物更少的WGWS表现出改进的膨胀潜力。适当添加SS促进了陶粒的膨胀，而过量的SS则增加了结构脆性并降低了强度。在优化条件下，所制陶粒的表观密度为492.97 kg/m³，抗压强度为1.51 MPa，堆积密度为268.92 kg/m³。
• (2)

CRediT作者贡献声明

Yang Wang：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析、概念化。Tingting Xiao：撰写——审阅与编辑、监督、资源、调查。Xuelei Hu：撰写——审阅与编辑、资源、调查。Zhiquan Pan：撰写——审阅与编辑、资源、调查。Hong Zhou：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由湖北省科学技术厅资助（2018ACA158），中国湖北。

Yang Wang|Tingting Xiao|Xuelei Hu|Zhiquan Pan|Hong Zhou