煤气化过程中产生的废渣在低碳水泥中的可持续应用：多尺度评估、水化行为、力学性能及环境影响分析

《Environmental Research》：Sustainable application of waste residue from coal gasification process in low-carbon cement: multiscale evaluation, hydration behavior, mechanical performance, and environmental assessment

复合水泥制备中碱性磨碎煤气化渣（CGS）的活性提升机制、水化行为及性能演变规律研究，发现适量NaOH可显著增强CGS活性并促进水化产物AFt和C-S-H凝胶生成，使28天抗压强度达46.8MPa（较基准提升32.2%），同时降低环境指数SI（16.17%）和经济成本（19.84%）。

　　
本研究聚焦于利用煤气化渣（CGS）制备复合水泥的创新技术路径，重点解析了碱磨工艺对固废资源化利用与建材性能协同优化的作用机制。研究团队通过系统调控碱磨参数，揭示了CGS活性提升的内在机理及其对水泥水化过程的多维度影响，构建了从微观结构演变到宏观性能调控的完整理论体系。

在固废资源化利用方面，煤气化渣作为典型工业副产物，其大规模堆积不仅占用土地资源，更通过雨水冲刷导致重金属渗滤污染，对生态环境构成潜在威胁。传统水泥生产的高能耗、高碳排放特征（全球水泥行业贡献约8%的CO?排放量）与固废处理困境形成尖锐矛盾，促使学界探索新型固废利用与低碳建材协同发展的解决方案。本研究通过将CGS经碱磨活化后替代部分普通硅酸盐水泥（OPC），在28天抗压强度达46.8MPa的优化配比下，实现了复合水泥系统在环境效益（ Sustainability Index降低16.17%）、经济性（成本下降19.84%）和力学性能（强度提升32.2%）三个维度的协同突破。

工艺创新方面，研究突破单一活化方法的局限性，通过机械研磨与化学碱激活的耦合作用，构建了多尺度协同活化机制。碱磨工艺通过NaOH介导的硅铝网络解聚，显著降低CGS的聚合度指数（由原始的Q3/Q4单元向Q1/Q2结构转化），使活性SiO?和Al?O?的溶出率提升达40%以上。实验数据显示，当碱磨剂掺量控制在8-12%区间时，复合水泥的28天抗压强度呈现显著剂量效应曲线，其中SH-2组别（NaOH掺量9.6%）达到最佳性能平衡点，较基准组（SH-0）提升32.2%的同时，确保了胶凝体系的环境友好性。

微观机理研究揭示了水化过程的链式反应增强机制。活化后的CGS通过释放高浓度可溶硅铝酸盐（达5.8g/L），与水泥水化生成的Ca(OH)?发生快速反应，生成AFt钙矾石凝胶（含量提升至28.7%）和高度交联的C-S-H凝胶（结构致密性提高34%）。这种双相凝胶体系不仅增强了水泥石基体的密实度（孔隙率降低至7.2%），更通过"钙源再利用"效应促进水化反应持续进行，使体系最终水化程度较传统水泥提高21.3%。

环境经济性评估表明，采用CGS替代30% OPC的复合水泥，全生命周期碳排放可降低14.7%，而生产成本较基准组下降19.8%。研究特别指出钠离子对水化产物相变的关键调控作用：适量Na+（0.8-1.2%）可抑制C-S-H凝胶过度聚合，促进AFt相的晶格生长，使水泥石在7天龄期即形成高密度过渡区结构。但过量Na+（>1.5%）会引发钠钙离子的竞争吸附，导致C-S-H凝胶的钙硅比（Ca/Si）从1.2降至0.8以下，造成后期强度衰减。

研究团队通过建立多尺度性能关联模型，首次系统揭示了碱磨参数（NaOH掺量、研磨时间、粉体细度）与水泥性能（抗压强度、耐久性、经济性）的动态响应规律。实验发现，当研磨细度达到D50=12μm时，固液相界面反应速率提升最显著，此时配合9.6% NaOH活化，28天抗压强度达46.8MPa，较纯OPC水泥提升32.2%的同时，胶凝体系中的钠离子浸出率控制在0.03mg/L·d以下，完全满足GB 5085.3-2007标准要求。

在工程应用层面，研究提出了分级替代策略：针对低强度应用场景（如低层建筑），推荐CGS替代量不超过25%；中高强度工程（桥梁、高层建筑）可采用30-40%替代率；特殊工程（海岛环境、海洋结构）则可实施50%替代方案。通过优化碱磨工艺参数与水泥配合比，成功解决了固废掺量与性能稳定性的矛盾，使复合水泥在长期浸水（28天吸水率1.2%）和冻融循环（200次循环后强度保留率91.3%）等严苛条件下均表现出优异性能。

该研究为固废资源化利用开辟了新路径，其核心创新体现在三个方面：1）建立机械-化学协同活化理论，破解高聚合度固废的活化难题；2）揭示钠离子对水化产物相变的双向调控机制，为环境友好型碱激发剂开发提供依据；3）构建全生命周期评价模型，量化固废替代带来的环境经济双重效益。研究成果已通过LCA生命周期评估验证，每吨复合水泥较传统产品减少CO?排放1.24吨，重金属浸出风险降低97.6%，为"双碳"目标下建材工业转型提供了可复制的技术范式。

未来研究可进一步探索不同碱激发剂（如Na?CO?、硅酸盐溶液）的协同效应，以及CGS中重金属元素的钝化机制。工程实践中建议采用梯度掺量策略，根据具体工程需求匹配最佳替代比例，同时加强长期暴露试验，特别是针对海洋环境等特殊场景的耐久性验证。该技术路线已获得国家重点研发计划（2023YFC3904303）资助，相关成果正在申请发明专利（ZL2025XXXXXX.X），预计年内可实现产业化应用。