通过预湿润策略，直接将富含湿硫的尾矿用于碱活化渣中

《Journal of Building Engineering》：Direct utilization of wet sulfur-rich tailings in alkali-activated slag via a pre-wetting strategy

硫铁矿渣预湿处理可形成水化膜改善分散性，抑制硫化物活性，促进碱激发渣中均质胶凝相生成，使28天抗压强度达26.1MPa（较基准提高4.2%），自收缩减少44.3%，碳排放降低8.6%。

　　

作者：史虎 | 朱洪森 | 蔡海兵 | 赵增峰 | 冯守中

安徽科学技术大学土木与建筑工程学院，中国淮南 232001

摘要

本研究探讨了一种预湿润方法，以促进富含硫的尾矿（SRT）在碱激活矿渣粘合剂中的使用。传统的SRT掺入方法受到其低反应性、硫化物可能带来的耐久性问题以及耗能干燥过程的限制。所提出的预湿润处理通过直接使用湿润的SRT来消除干燥步骤，主要通过在颗粒表面形成水化膜来增强分散性、减缓硫化物的反应性并促进均匀的凝胶形成。结果表明，预湿润改善了颗粒分散性，加速了反应动力学，并促进了更均匀的粘合相的形成。微观结构分析显示，孔结构得到优化，平均孔径为43.2纳米，低密度C-(A)-S-H相的压痕模量增加了16.2%。含有15%预湿润SRT的混合物在28天后的抗压强度达到了26.1 MPa，比参考组提高了4.2%。此外，自收缩率降低了44.3%，相关碳排放也减少了8.6%。这些发现表明，简单的预湿润方法为将SRT重新用作碱激活材料中的可持续成分提供了一种实用且有效的方式。

引言

随着工业固体废物的持续产生和处置，相关挑战日益严峻，这引发了人们对土地占用和生态风险的严重担忧，尤其是来自渗滤液和颗粒物排放的问题[1]、[2]。这种情况凸显了建立高效且增值的回收途径的迫切需求[3]。碱激活材料（AAM）利用工业副产品作为关键成分，在相对较低的能耗条件下能够形成具有优异机械性能的硬化粘合剂，使其成为传统波特兰水泥的可行低碳替代品[4]、[5]。与传统水泥相比，AAM的生产显著减少了CO₂排放，某些配方还表现出更好的长期耐久性[6]。粉煤灰来源于煤炭燃烧过程，含有大量的非晶态铝硅酸盐相，具有很高的火山灰活性，使其成为碱激活系统中最广泛采用的前驱体之一[7]。研究表明，碱激活显著增强了粉煤灰在混凝土中的作用，优化了其颗粒排列，并提高了微观结构的致密性[8]。此外，富含粉煤灰的AAM配方即使在非热固化条件下也能实现更高的机械强度和更低的吸水性，这凸显了其在碱性介质中的有效反应性[9]、[10]。这些优势使得粉煤灰成为大规模工业废物高价值回收的有希望的成分。

由于全球向清洁能源的转变以及随之而来的基于煤炭的电力生产下降，粉煤灰的可用性受到越来越多的限制，导致某些市场出现供应短缺[11]。此外，作为燃烧副产品的粉煤灰所携带的残余碳足迹与长期脱碳目标不符，这促使人们寻求更可持续且易于获取的碱激活材料前驱体[12]。富含硫的尾矿（SRT）由于储量丰富和具有价值化潜力，成为一种潜在的补充资源[13]。这些残渣中含有大量的硫化物（主要是FeS₂）[14]，其积累不仅占用大量土地资源，还通过硫化物氧化过程带来环境风险，这一过程可能引发酸性矿井排水并释放铜、铅、锌和砷等重金属[15]、[16]、[17]。将SRT作为粉煤灰的替代品纳入碱激活基质中，不仅缓解了粉煤灰的短缺问题，还为通过化学稳定化在固化粘合剂中重新利用危险采矿废物提供了环保途径。

SRT直接掺入碱激活系统存在诸多挑战。主要限制在于SRT中的铝硅酸盐相反应性较低，这些相主要由石英等结晶矿物组成[18]、[19]。与粉煤灰中的非晶态玻璃相不同，这些结晶成分在碱性条件下溶解性较差，限制了形成凝胶和增强强度所需活性二氧化硅和氧化铝的释放[20]。更严重的问题是硫化物的存在，特别是FeS₂，它带来了潜在的耐久性问题，如体积不稳定、开裂或由于膨胀性硫酸盐相导致的结构破坏。这些硫酸盐在与系统中的钙或铝源反应时容易形成膨胀性产物（如钙矾石和石膏）[21]。这些产物通常在硬化后期形成，可能引起内部应力，导致体积不稳定、开裂甚至结构破坏——这些问题在传统的基于粉煤灰的系统中不太明显[22]。此外，SRT中的重金属在高pH值和富硫条件下表现出复杂的行为。这些金属可能通过表面吸附或络合等机制干扰铝硅酸盐的溶解和聚缩，同时也引发了关于材料长期浸出和环境安全性的担忧[23]。综上所述，铝硅酸盐的低反应性、硫化物引起的膨胀潜力以及重金属的固定难度构成了用SRT替代粉煤灰的主要障碍。

传统的SRT碱激活方法通常依赖于高温氧化焙烧或基于试剂的生物钝化来减轻硫化物的反应性和膨胀风险。例如，在Hapid等人的研究中[24]，使用NaClO₃辅助微波焙烧实现了超过90%的硫氧化效率并提高了金属回收率，但这种氧化技术能耗较高且会排放SO₂，对环境造成影响。类似地，Pan等人的研究[13]中使用的酸硫杆菌铁氧化酶结合粉煤灰或红泥稳定剂在常温条件下进行生物钝化，但需要昂贵的试剂和较长的处理时间。Zhang等人[25]发现，通过还原焙烧进行机械活化可以释放高达92.3%的活性矿物相，但涉及复杂的多步骤处理。虽然这些方法可以减少与硫化物相关的危害，但往往引入新的环境负担或经济限制。相比之下，预湿润提供了一种简单、无需试剂的替代方法，仅使用中性水且不产生二次污染物。通过在颗粒表面形成水化膜，预湿润部分氧化了表面硫化物，从而在高pH条件下减缓了它们的反应性[26]。同时，这种处理激活了铝硅酸盐相，增强了它们的溶解性并促进了AAM中C–(A)–S–H凝胶网络的形成。

基于这一概念优势，本研究系统地探讨了预湿润如何改变碱激活SRT中的反应路径。通过全面的实验研究，系统地探索了预湿润对水化动力学、微观结构演变和环境性能的影响，旨在明确其调控机制并验证其在提高基于SRT的AAM性能方面的有效性。这些发现为将含水SRT直接掺入AAM配方提供了可行的方法，为提高资源效率和发展更可持续的建筑材料提供了可行的解决方案。

原材料

磨细的高炉矿渣（GGBFS）由阜阳新源建筑材料有限公司提供，同时使用了最大粒径为75 μm的低钙粉煤灰。从中国徐州的一家铜矿尾矿池收集的SRT在24小时后的吸水率为20%。根据表1中总结的X射线荧光（XRF）结果，SRT中的SO₃含量达到了13.37%，远超过建筑骨料的指定限值（0.5%）

表面能

为了直接证明SRT表面形成了水化膜，我们在SSD条件下对干燥和预湿润后的SRT颗粒进行了接触角测量，浸泡时间为2小时。如表5所示，预湿润显著增强了颗粒的表面亲水性。具体来说，干燥SRT的接触角从82.9°降至预湿润后的63.3°，而二碘甲烷接触角的变化较为温和

结论

根据实验结果和分析，主要结论如下：

• (1)
  预湿润处理有效地激活了SRT颗粒的表面，并促进了硫化物向活性硫酸盐相的控制氧化。这些硫酸盐促进了C-(A)-S-H的早期成核，有助于形成连续的凝胶网络，从而克服了SRT的低反应性和硫化物氧化问题。
• (2)
  受控的反应路径抑制了

作者贡献声明

冯守中：撰写 – 审稿与编辑，监督。 赵增峰：监督，资源协调。 史虎：撰写 – 初稿撰写，软件使用，方法论设计，实验研究，数据分析，概念化。 蔡海兵：监督，资源协调。 朱洪森：撰写 – 审稿与编辑，验证

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了安徽科学技术大学“高层次人才科学研究基金”（2023yjrc76）、教育部“工程”研究中心的地下采矿工程开放基金（JYBGCZX2024104）以及中国博士后科学基金（2025M781731）的财政支持。