碱激活的镁渣和钢渣材料：对反应行为、微观结构演变及性能发展的研究

《Journal of Building Engineering》：Alkali-activated magnesium slag and steel slag materials: Insights into reaction behavior, microstructure evolution, and performance development

本研究系统探究了钢渣和镁渣碱激发反应动力学、相组成及微观结构演变规律，揭示其差异源于成分不同。钢渣活性高，生成C-A-S-H等致密相，28天抗压强度达21.8MPa；镁渣需更高碱度但易膨胀，强度仅8.0MPa。钢渣在低碱度下机械性能与环保性更优，镁渣因成本效益低需进一步优化。研究成果为设计基于冶金废渣的可持续胶凝材料提供理论依据。

　　

作者：Yumei Nong、MiaoMiao Zhu、Ruoxin Zhai、Mingming Zhu、Yutao Guo、Ruiquan Jia、Jianwei Sun、Zihan Zhou、Shiyu Zhuang

单位：清华大学土木工程系，北京，中国

摘要

本研究系统地探讨了碱激活的镁渣和钢渣的反应动力学、相组成及微观结构演变，以解决由于两者反应性差异而带来的资源化利用难题。研究结果表明，其内在成分差异决定了它们的反应路径。基于钢渣的系统表现出较高的反应性，形成了C-A-S-H、层状双氢氧化物（LDH）、斯特林石（str?tlingite）和氢石榴石（hydrogarnet）等复杂的网络结构。碱度在相选择中起着关键作用：较低的碱度有利于LDH和氢石榴石的形成，而较高的碱度则促进斯特林石的生成，并迅速形成致密、高强度的基质，28天抗压强度可达21.8 MPa。相比之下，由于镁渣中含有稳定的γ-C?S和钙铝石（periclase），因此需要较高的碱度才能形成C-A-S-H和M-S-H凝胶。然而，高碱度会引发钙铝石的膨胀水化反应，破坏基质结构并限制强度提升，最终28天抗压强度仅为8.0 MPa。尽管这两种粘结剂都能有效固定重金属，但钢渣系统在较低碱用量下实现了更好的机械性能和生态效率平衡。相比之下，镁渣所需的高活化剂量导致性能提升效果不佳，因此成本效益较低。本研究阐明了这两种冶金废料之间的机制差异，为根据具体渣料特性设计可持续的、基于废料的粘结剂提供了重要指导。

引言

建筑业是自然资源的主要消耗者，也是全球二氧化碳（CO?）排放的主要来源。仅波特兰水泥的生产就占人类活动产生的CO?排放量的约8%[1]、[2]、[3]。为实现可持续发展并减少碳排放，需要开发替代的低碳粘结剂[4]、[5]。碱激活材料（AAMs）是一个有前景的选择，因为它们对环境的影响较小，同时具有良好的机械性能和较高的耐久性[6]、[7]。AAMs可以由多种工业副产品制成，有助于减少废物和节约自然资源[8]、[9]。

钢渣是钢铁生产过程中的副产品，全球产量巨大[10]、[11]、[12]。它含有CaO、SiO?、Al?O?和Fe?O?等活性化合物，使其成为制备AAMs的理想原料[13]、[14]、[15]。与高非晶态的前体（如高炉渣）不同，钢渣的主要成分是结晶矿物相，主要是二钙硅酸盐（C?S）和三钙硅酸盐（C?S）[15]、[16]。因此，有效激活这些结晶相是释放其粘结潜力的关键。大量研究表明，使用合适的活化剂，钢渣可以制备出具有良好机械强度和耐久性的粘结剂，这证实了它作为低碳建筑材料的前体的潜力[17]、[18]、[19]、[20]。

镁渣是镁金属生产的主要副产品，尤其是在中国，该国的镁产量占全球总量的80%以上[21]、[22]、[23]、[24]。每生产一吨金属，镁渣的生成量为5至7吨[25]、[26]。中国的镁渣年产量超过700万吨[27]。然而，镁渣的综合利用率仍然较低，大部分被堆放或用作低价值填充材料，这带来了土地占用、粉尘污染和重金属渗漏等环境问题[28]。因此，开发镁渣的高价值应用（尤其是在水泥材料领域）对于提高镁产业的可持续性至关重要。近年来，镁渣作为AAMs的替代前体越来越受到关注[29]、[30]。

镁渣与钢渣具有相似之处，但它们与常见的非晶态前体（如粉煤灰和高炉渣）存在显著差异。两者都是基于钙硅酸盐的材料，其矿物组成主要由C?S等结晶相构成[26]、[31]，这使得它们在碱激活过程中面临类似的挑战。虽然钢渣的碱激活过程已得到广泛研究[32]、[33]、[34]，但关于镁渣作为粘结剂前体的研究仍较为有限。尽管镁渣在化学性质上与钢渣相似，具有潜在的应用价值，但这一知识空白限制了其资源化利用。因此，了解其与钢渣系统在反应行为上的差异是至关重要的。

尽管存在这些相似性，两者在矿物组成上存在根本性差异，这些差异预计会影响它们的反应路径。镁渣通常含有较高的CaO浓度，而其中镁和铁的含量的矿物相也有显著差异。具体而言，镁渣中的MgO主要以钙铝石的形式存在，这种矿物具有膨胀水化的特性[36]，而在钢渣中则融入了稳定的RO固溶体[37]。这种差异揭示了在不同碱条件下的反应行为差异，解决这一问题对于建立更完整的机理理解至关重要，但仅通过单独研究每种材料难以获得清晰的认识。

为填补这些知识空白，本研究系统地研究了镁渣和钢渣的碱激活过程，重点探讨了它们的化学和矿物学特性如何决定反应路径。通过跟踪反应化学、微观结构演变及性能发展，本研究为基于低反应性冶金渣料的粘结剂的合理设计和优化利用提供了机理依据。

材料与混合设计

本研究使用的主要固体前体是镁渣和钢渣。镁渣来自陕西建筑工程集团有限公司（中国陕西）。钢渣则来自首都钢铁集团有限公司（中国北京）。两种渣料的化学成分见表1。与钢渣相比，镁渣含有更多的氧化钙（CaO）和二氧化硅（SiO?），但氧化铁（Fe?O?）的含量较低。

反应热

通过等温量热法分析了早期反应动力学。所得的热流和累积放热曲线（图3）显示，镁渣和钢渣系统的反应路径存在根本性差异，这些差异受其成分和所用碱剂剂量的影响。

初始放热峰出现在反应的第一个小时内（图3(a)），主要反映了活性较强的相在碱溶液中的快速溶解过程。

结论

本研究系统地研究了碱激活的镁渣和钢渣的反应动力学、相组成及微观结构演变。主要结论如下：

• (1)
  在碱激活条件下，钢渣的反应性显著高于镁渣，导致不同的反应路径。激活后的钢渣形成了包括C-A-S-H、LDH、斯特林石和氢石榴石在内的复杂产物网络。

作者贡献声明

Ruiquan Jia：验证、方法论。 Yutao Guo：软件、方法论。 Mingming Zhu：资源、实验研究。 Ruoxin Zhai：资源、实验研究。 Shiyu Zhuang：写作、审稿与编辑、监督。 Zihan Zhou：写作、审稿与编辑、监督。 Jianwei Sun：方法论、数据管理。 MiaoMiao Zhu：资源、实验研究。 Yumei Nong：写作、初稿撰写、实验研究。

未引用参考文献

[35]、[53]。

利益冲突声明

作者不存在利益冲突。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52408276）的支持。本研究部分得到了中国香港特别行政区研究资助委员会（项目编号：CityU JRFS2526-1S10）的奖学金资助。