《Journal of Cleaner Production》：Field-based assessment of carbon farming practices in Mediterranean olive groves: Emission reductions and sequestration outcomes
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钢渣作为潜在骨料因稳定性差影响应用，本研究通过微生物矿化技术提升其性能。实验表明，钢渣经微生物处理后抗压强度提高45.5%，裂缝自修复率达80%，游离氧化钙含量显著降低，有效解决稳定性问题，为钢渣资源化提供新途径。
胡荣健|张梅霞|段瑞怡|赵伟婷|刘侃志|刘伟|严一帆|张宇
太原理工大学土木工程学院，中国太原，030024
摘要
作为混凝土中天然骨料的潜在替代品，钢渣的稳定性较差，导致在使用过程中出现不可控制的开裂和机械性能下降，从而严重影响了其耐久性和使用寿命。本文重点研究了钢渣骨料的增强和稳定化方法。通过测量使用钢渣作为天然骨料替代品时混凝土的各种指标（包括物理和机械性能、稳定性以及自修复能力），并结合微观结构相变和元素统计分布，评估了微生物矿化策略对骨料和混凝土性能的影响。研究结果表明，微生物改性显著提高了骨料和混凝土的物理和机械性能。骨料的抗压强度降低了最多75.5%，而抗压强度提高了45.5%。此外，稳定性也显著改善，饱和沸腾条件下的混凝土开裂现象得到了显著抑制。抗压强度的降低幅度从15%–26.5%降至1.4%–17.7%。此外，钢渣骨料固有的微生物载体功能使其能够闭合宽度小于0.4毫米的微裂纹，闭合率达到约80%。在微观层面上，钢渣骨料表面的宏观裂缝通过立方体状和针状晶体的形成得到桥接和填充。能量分散光谱分析表明，钙含量显著减少，氧碳元素比显著增加。通过矿化/水合作用消耗自由钙，增强了骨料和混凝土的整体稳定性，为钢渣骨料的利用和资源回收提供了新的视角和理论依据。
引言
钢铁行业是一个能源密集型行业，也是国民经济的支柱。钢渣是炼钢过程中产生的碱性固体废弃物，每生产一吨粗钢会产生0.1–0.15吨钢渣，并排放1.85吨二氧化碳（Liu, X.等人，2024年）。作为主要的钢铁生产国，中国2024年的钢渣排放量超过了1.5亿吨，累计堆存量超过了20亿吨。近年来，受中国双碳目标及促进资源节约和回收政策的推动，由于钢渣稳定性较差，其综合利用率低于30%（Fu等人，2024年；Liu, X.等人，2024年）。目前大量钢渣被堆存或填埋。如果管理不当，将带来严重的环境和社会危害。此外，钢渣中的有害元素和物质会对生态环境和人类健康产生不利影响。因此，探索低碳、环保的资源利用方法迫在眉睫（Fu等人，2024年；Ghorbani等人，2023年）。
目前，在众多处置策略中，建筑业是主要的应用领域之一，其具有较大的吸收能力和较高的处置效率。钢渣在建筑业中的处置和应用主要体现在作为混凝土和道路建设材料中的骨料和胶凝材料使用，同时也在开展优化研究（Cristelo等人，2019年；Li, W.等人，2024年）。然而，无论应用水平如何，钢渣中相对较高的游离氧化物含量会与水或水蒸气发生显著反应，导致体积大幅膨胀（Chen等人，2021年；Rudi?等人，2025年）。这一特性使得钢渣及其处理后的尾矿不适合用于大规模建筑材料的生产，从而阻碍了钢渣的综合利用率。当前国内外的研究主要集中在钢渣的稳定性和碳封存效率上。传统的碳化方法（如老化处理（Gao等人，2025年）、高温水淬和高压蒸汽处理（Zhang, T.等人，2025年）都存在能耗高（由于高温和高压）以及反应周期长的缺点。通过添加硅酸盐和磷酸盐等化学稳定剂与钢渣中的游离氧化物反应，形成稳定的化合物以防止膨胀（Sun等人，2025年；Tang等人，2025年；Zhang, Z.等人，2024a年），但这种方法也面临反应难以控制和废弃物处理的问题。尽管如此，研究表明，经过深度矿化和稳定的钢渣表现出更好的稳定性和机械性能，显示出在基础建筑材料中应用的巨大潜力（Liu, J.等人，2025年；Srivastava等人，2023年）。矿化过程降低了钢渣中的f-CaO和f-MgO含量，有效解决了将钢渣作为建筑材料使用时遇到的稳定性问题。此外，矿化过程中生成的碳酸钙（CaCO3）颗粒可作为三钙硅酸盐（Ca3SiO5）水化反应的成核位点，从而促进钙硅酸盐水合物（C-S-H）的形成（Chang等人，2025年）。这一过程对于提高钢渣建筑材料的机械性能至关重要。
微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）是自然界中广泛存在的矿化现象之一，是将游离矿物转化为稳定沉淀矿物的有效途径之一。其核心机制是利用微生物代谢过程中产生的酶（如尿素酶、碳酸酐酶和有氧呼吸）分解环境中的矿化前体（如尿素、有机碳），生成CO32?。然后CO32?与自由阳离子结合形成稳定的碳酸盐矿物（Liu等人，2023年；Mondal和Ghosh，2019年）。在适宜条件下，大多数微生物都具有矿化能力。例如动物的牙齿和骨骼，以及软体动物形成的珍珠，都是自然界中生物矿化的产物。微生物表面的负电荷使其能够在饱和条件下自发与环境中的自由阳离子结合，形成碳酸盐矿物，从而发挥稳定/增强作用（Xiang等人，2022年；Zhang等人，2022年；Han等人，2022年；Wu等人，2026年）。研究人员使用有氧混合矿化微生物菌群改良了再生骨料，结果表明再生骨料的吸水率降低了44.6%，立方体抗压强度提高了19.0%。这证明了微生物矿化改性策略在骨料增强方面的显著效果。此外，在改性过程中，骨料作为微生物载体，即使在标准养护56天后也能自主修复宽度为0.47毫米的裂缝，突显了含有微生物活性的混凝土在自修复性能方面的独特优势（Qian等人，2022年）。还有研究通过结合微生物液体喷涂和碳化处理改良了钢渣微粉，结果表明生成的生物碳酸钙增强了钢渣的胶凝活性及其非晶相。在满足稳定性标准的同时，活性指数超过了85%，揭示了微生物改性如何同时促进钢渣的稳定性和活性的机制。总之，现有研究对再生骨料、砖石和钢渣微粉进行了相应的改性研究，证明了微生物处理技术在骨料增强、固体废物稳定化和建筑材料自修复性能方面的优势。微生物矿化所涉及的稳定和增强机制有助于解决钢渣资源利用中的问题。与传统的高温高压蒸汽处理方法相比，这种方法显著降低了能耗，并缩短了单次老化处理所需的时间，为解决钢渣大宗固体废物的稳定性问题和资源利用提供了潜在途径。
因此，本研究系统评估了基于利用产尿素酶细菌的微生物诱导碳酸盐沉淀系统，对钢渣骨料和钢渣混凝土在100%替代率下的物理和机械性能及稳定性进行了改性效果评估。此外，由于在钢渣改性过程中对微生物的吸附和固定作用，还确定了钢渣混凝土的自修复性能。通过扫描电子显微镜和能量分散光谱（SEM-EDS）在微观层面进行了研究，进一步阐明了生物矿化和钢渣反应的机制，通过观察微生物改性过程中的相变和晶体形态。这为在常温条件下高效处置钢渣提供了理论基础和新方法。
部分内容摘录
微生物菌株
如图1所示，本实验中使用的矿化细菌菌株为Sporosarcina Pasteurii（ATCC 11859，来自Biobw Culture Collection）。该菌株属于产尿素酶类型，其矿化过程如方程式（1）、（2）、（3）所示（Amer Algaifi等人，2020年）。这类微生物在土壤和活性污泥中广泛存在。由于它们具有较高的尿素酶活性、快速的反应速率和可控性，因此被用于本实验
微生物培养和钢渣改性过程
微生物培养和纯化程序以及钢渣稳定/强化过程如图4所示。制备好的培养基在121°C下高压蒸汽处理20分钟，然后在层流罩内自然冷却。所有实验菌株均为第二代培养物，如2.1节所述。活化的微生物悬浮液以1%的浓度接种到150毫升锥形瓶中
微生物改性钢渣骨料的物理和机械性能
如图7所示，这展示了微生物矿化喷涂和真空吸附改性过程对钢渣骨料宏观物理和机械性能的影响。研究结果表明，经过微生物诱导碳酸盐改性的钢渣骨料在吸水率、表观密度和抗压强度等方面表现出不同程度的改善
微生物改性钢渣的相变
图14展示了微生物诱导稳定/增强前后钢渣的扫描电子显微镜和能量分散光谱图像。图14(a)显示，原始钢渣具有不均匀表面的块状结构，众多块状结构之间分布着可见的孔隙和裂缝，形成松散的堆叠结构。这些结构特征与
结论
为了解决钢渣稳定性差和物理机械性能不足的问题，本文采用微生物诱导的碳酸盐沉淀技术，在骨料和混凝土层面对其性能进行稳定和提升。通过测量使用钢渣作为天然骨料替代品时混凝土的各种指标（包括物理和机械性能、稳定性以及自修复能力），评估了微生物的作用
作者贡献声明
胡荣健：撰写初稿、项目管理、方法论设计、数据分析。张梅霞：项目管理、方法论设计、实验研究。段瑞怡：软件开发、方法论设计、实验研究。赵伟婷：方法论设计、数据管理、概念化设计。刘侃志：软件开发、方法论设计、实验研究。刘伟：方法论设计、实验研究。严一帆：撰写与编辑、初稿撰写、实验研究、数据分析。张宇：
致谢
本研究得到了中央地方科技发展引导资金项目（项目编号：YDZJSX2024D029）、山西省科技成果转化引导专项资金（项目编号：202404021301036）和山西省自然科学基金一般项目（项目编号：202303021221011）的支持。
