《Developments in the Built Environment》：Utilization of Ultra-Fine Fraction of Gold Tailings in Autoclaved Aerated Concrete: Effects of Mix Design on Mechanical Properties and Microstructure
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为解决金尾矿超细颗粒因粒径过细、比表面积大和粘土含量高导致的资源化利用难题，研究人员创新性地将其作为硅质原料直接替代石英砂，用于制备蒸压加气混凝土(ACC)。研究系统探讨了石灰水泥比(L/C)、钙硅摩尔比(Ca/Si)、水固比(W/S)和铝粉掺量等关键参数的影响。结果表明，在最优配比下制备的UGT-AAC抗压强度达4.33 MPa，干密度为587 kg/m3，满足A3.5和B06等级要求。这为高附加值、大规模消纳超细金尾矿提供了技术可行且环境友好的新途径。
矿山和能源工业在全球范围内产生了大量的固体废弃物，其中很大一部分来自工业副产品及矿物加工残留物（即尾矿）。若管理不当，这些废弃物会带来严重的环境问题，例如占用土地、导致土壤退化以及污染地下水。在我国，仅金矿尾矿的堆存量截至2021年就已超过15亿吨，而每年新产生的尾矿资源化利用率不足36.9%。这些尾矿不仅占用了大量土地，还蕴含着土壤与地下水污染的风险。幸运的是，金矿尾矿通常含有超过80%的无机矿物，其主要成分是二氧化硅(SiO2)和三氧化二铝(Al2O3)，这使它们有望成为硅酸盐基建筑材料（例如蒸压加气混凝土）的优质二次原料。
蒸压加气混凝土(ACC)作为一种多孔硅酸盐基材料，因其优异的保温隔热、低密度和耐火性能，在建筑行业中的应用日益广泛。然而，传统的AAC生产严重依赖天然石英砂作为主要的硅质原料。为了满足水热条件下的反应活性要求，石英砂通常需要经过高能耗的球磨过程，这不仅消耗大量能源、增加碳排放，还加剧了对不可再生资源的消耗。因此，开发可持续、低碳的石英砂替代品已成为AAC领域的一个关键研究方向。近年来，虽然已有研究探索使用铜、铁、钼等尾矿作为硅质材料，但大多数仍需要对尾矿进行球磨以达到要求的细度（例如200目筛余≤15%），这导致了高能耗并限制了工业规模应用的可能性。尤其是超细尾矿（粒度为300-12,000目，约占总尾矿量的50%），由于其天然极细的粒度和高比表面积，理论上无需球磨即可满足反应活性要求，但在AAC中的应用研究却鲜有关注。
超细金尾矿富含高反应活性的SiO2和Al2O3，具备替代石英砂用于AAC的潜力，并能省去能耗最高的球磨环节。然而，其极细的粒径和高粘土矿物含量也给应用带来了挑战，例如会增加需水量、降低浆体工作性（流变性）和气泡稳定性，进而可能影响最终产品的孔结构和力学强度。因此，优化超细金尾矿在AAC体系中的配合比设计，并系统研究其水化机理和微观结构演变，对于实现该废弃物的高值化利用至关重要。
为了回答上述问题，一项题为“Utilization of Ultra-Fine Fraction of Gold Tailings in Autoclaved Aerated Concrete: Effects of Mix Design on Mechanical Properties and Microstructure”的研究在《Developments in the Built Environment》期刊上发表。这项研究提出了一种新颖且节能的方法，即直接利用超细金尾矿作为硅质原料替代AAC中的石英砂，旨在探索其技术可行性并优化制备工艺。
为开展此项研究，作者们采用了一套系统化的实验与表征方法。研究首先对来自中国山东省新城金矿的UGT原料进行了表征，包括X射线荧光光谱(XRF)分析其化学成分、激光粒度分析仪测定粒度分布、扫描电子显微镜(SEM)观察颗粒形貌以及X射线衍射(XRD)确定矿物相组成。研究核心是基于一系列混合设计参数（石灰与水泥质量比(L/C)、钙硅摩尔比(Ca/Si)、水固比(W/S)和铝粉掺量）制备了多组UGT-AAC试件。制备过程遵循标准流程：将预热的固体原料与水混合搅拌，然后加入铝粉悬浮液，经浇注、预养、脱模，最后在高压釜中进行水热养护。对浆体性能的评估包括初始流动性测试、气体发泡体积测定以及表观粘度测量。对硬化后试件的评价则依据中国国家标准GB/T 11969-2020，测试其干密度和抗压强度。微观结构和物相表征是研究的关键部分，采用了XRD分析晶体物相，傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析官能团，热重-差热分析(TG-DTG)评估热稳定性，以及SEM观察孔壁微观形貌。此外，研究还运用了双因素方差分析(ANOVA)来量化关键混合参数对材料性能影响的显著性。
结果部分的分析如下：
3.1. 混合设计参数对UGT-AAC性能的影响
3.1.1. 石灰与水泥质量比(L/C)的影响
研究发现，随着L/C比值的增大，浆体的流动性显著下降，这归因于石灰的高反应性更快地消耗了水。同时，较高的石灰含量通过提高浆体温度和碱性环境，加速了铝粉分解产氢，从而提高了发泡速率和最终发泡高度。在力学性能方面，当L/C比为3:2时，试样表现出最高的抗压强度（4.33 MPa）和比强度。这表明水泥和石灰的水化协同作用在此比例下达到了最佳平衡，促进了更致密、均匀的微观结构以及优化的托贝莫来石结晶。
3.1.2. 钙硅摩尔比(Ca/Si)的影响
浆体流动性随Ca/Si摩尔比增加呈先升后降的趋势。当Ca/Si低于0.65时，增加CaO含量优化了颗粒级配，增加了自由水量，从而改善了流动性；超过0.65后，快速的水化反应消耗过多自由水，导致流动性下降。发泡行为方面，Ca/Si的增加提高了浆体碱度和温度，从而加速了铝粉反应，使得发泡高度增加。力学性能上，抗压强度和干密度随Ca/Si增加呈波动上升趋势，在Ca/Si为0.65时达到峰值（抗压强度4.30 MPa，干密度587 kg/m3），此时孔隙结构与结晶相发展达到最佳协同。研究表明，Ca/Si摩尔比在0.55-0.70范围内是形成机械性能稳健且尺寸稳定的UGT-AAC的最佳区间。
3.1.3. 水固比(W/S)的影响
提高W/S比显著改善了浆体流动性，因为水膜增厚润滑了颗粒。然而，这同时稀释了碱性环境，降低了铝粉反应速率，导致发泡速率和最终发泡高度下降，发泡过程延长。表观粘度及其增长速率则与W/S比呈负相关。在干密度和强度方面，干密度随W/S增加而稳步下降，而抗压强度和比强度则先增后减，在W/S比为0.60时达到峰值。W/S比为0.56时，浆体稠化过快限制了孔隙结构良好发展；W/S超过0.60时，浆体稠化过慢导致孔隙迁移、合并和结构弱化。因此，W/S比为0.60时，气体膨胀与浆体稠化达到最佳平衡，有利于形成均匀稳定的孔结构。
3.1.4. 铝粉掺量的影响
增加铝粉掺量显著提高了发泡速率和最终发泡高度，从而降低了材料的干密度。然而，过高的铝粉掺量（如超过0.10%）会导致过度膨胀，形成大而不均匀且相互连通的孔隙，从而损害材料的结构完整性，导致抗压强度显著下降。研究指出，铝粉掺量在0.08%至0.10%范围内的UGT-AAC样品性能均衡，既能满足B06干密度等级，又能达到A3.5抗压强度等级的要求。
3.1.5. 方差分析(ANOVA)
双因素方差分析结果表明，组分类型对AAC样品的抗压强度有显著影响，而对干密度的影响，组分类型和掺量均表现出显著性。对于流变行为，W/S比和时间都具有显著的主效应，且两者之间存在显著的交互作用，表明W/S比对触变行为的影响随时间演变，这凸显了混合料组成和剪切过程中结构重建的耦合效应。
3.2. 水热条件下的结构与物相发展
3.2.1. XRD分析
XRD图谱显示，UGT-AAC中的主要晶相包括石英、托贝莫来石、水化硅酸钙(C-S-H)、方解石和硬石膏。与水化前的原料相比，钠长石和微斜长石的衍射峰显著减弱或消失，表明它们在强碱和水热条件下发生了分解。增加L/C比和Ca/Si摩尔比均导致石英峰减弱和托贝莫来石峰增强，证实了更多的石英参与了水热反应，并生成了更多结晶良好的托贝莫来石，这是材料获得强度的关键。
3.2.2. FT-IR分析
FT-IR光谱进一步证实了水化产物的形成。谱图中出现了对应于O-Si-O弯曲振动、Si-O-Si弯曲以及Si-O键不对称伸缩的特征吸收峰，这些是水化硅酸钙化合物特别是托贝莫来石的特征。随着L/C比和Ca/Si摩尔比的增加，与托贝莫来石相关的特征峰（如约456 cm-1和983 cm-1）强度增加，表明托贝莫来石的结晶度和生成量提高。
3.2.3. 热特性分析
TG-DTG分析揭示了UGT-AAC的热分解行为，主要分为三个阶段：100-300°C区间对应C-S-H凝胶和托贝莫来石的脱水；300-450°C区间对应氢氧化钙(portlandite)的分解；630-760°C区间对应碳酸钙的分解。分析发现，随着Ca/Si摩尔比增加，第一阶段的质量损失增大，表明水化硅酸钙基水化产物的生成量增加。适中的L/C比和优化的Ca/Si摩尔比有利于形成热稳定性好、对强度有贡献的物相（如托贝莫来石）。
3.2.4. 微观结构分析
SEM观察直观展示了孔壁微观结构的演变。托贝莫来石的形貌受Ca/Si摩尔比影响显著：当Ca/Si为0.4时，托贝莫来石呈松散叶片状，结构疏松；当Ca/Si升至0.5时，出现叶片状和窄条状混合形貌；在Ca/Si为0.6和0.7时，窄条状托贝莫来石占主导，形成致密、相互交织的骨架结构，这与观察到的峰值抗压强度相符；当Ca/Si进一步增至0.8时，托贝莫来石转变为粗大的板条状，伴随孔隙增大和均匀性降低，导致力学性能下降。
结论与讨论部分归纳如下：
本研究成功验证了直接利用超细金尾矿(UGT, 300-12,000目)替代天然石英砂生产蒸压加气混凝土(AAC)的技术可行性，并省去了传统生产中高能耗的球磨工序。通过系统研究混合设计参数（L/C比、Ca/Si摩尔比、W/S比和铝粉掺量）对浆体流变性、孔结构稳定性和宏观性能的影响，确定了最优配合比。在此配比下（UGT 63.04%，水泥13.18%，石灰19.78%，磷石膏4%，铝粉0.10%），制备的UGT-AAC抗压强度达4.33 MPa，干密度为587 kg/m3，完全满足中国国家标准GB/T 11968-2020中对A3.5强度等级和B06密度等级的要求。
微观结构和物相表征（XRD、FT-IR、TG-DTG、SEM）证实，UGT-AAC的力学性能主要由托贝莫来石和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶形成的致密孔壁骨架所主导。其中，Ca/Si摩尔比被确定为调控托贝莫来石形貌的关键因素，在Ca/Si为0.6-0.7时形成的窄条状托贝莫来石对致密微观结构和高强度的贡献最为显著。统计学的方差分析则定量地证实了混合参数对材料性能影响的显著性，为配比优化提供了定量依据。
这项工作通过为UGT的回收利用建立了一条环保且经济有效的途径，推动了超细矿业尾矿高值化利用的进展。所提出的方法不仅减少了对不可再生石英砂的依赖，也缓解了UGT堆积带来的环境风险，符合绿色建筑和循环经济的发展趋势。未来的研究应侧重于验证该优化配比对不同金矿类型UGT的适用性，并评估UGT-AAC的长期耐久性（如抗冻性、抗碳化性）。目前，相关的工业化生产实验正在进行中。
