《Journal of Environmental Management》：Functional contribution and optimization of mix proportion of coal gangue, slag, and fly ash in the preparation of alkali-activated backfill materials
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本研究利用煤矸石（CG）、矿渣粉（GGBS）和粉煤灰（FA）制备碱激发水泥基回填材料，通过优化原料配比及XRD、SEM等分析，揭示了各组分对力学性能、流变特性及水化反应的影响规律，确定最优配比（4:5:1）时28天抗压强度达13.7MPa，兼具优异流动性和抗渗性，并对比传统材料碳足迹，为固废资源化提供理论依据。
余子扬|潘壮壮|郭俊伟|刘鹏飞|李毅|王世兴|吴浩天|任长才|金家旭|张波
中国矿业大学教育部煤炭加工与高效利用重点实验室，江苏省徐州市，221116，中国
摘要
本研究旨在通过开发一种碱激活的水泥基材料来实现大宗固体废弃物的大规模利用。该材料由煤矸石（CG）、粒化高炉矿渣（GGBS）和粉煤灰（FA）制成，并通过由水玻璃和碳化钙残渣组成的复合碱激活剂进行激活。系统探讨了原料比例对回填材料力学性能、流动性、凝固时间和水分分离率的影响，明确了每种原料对材料回填性能的影响程度。此外，还分析了不同比例下水泥基材料的主要水化产物及其微观结构的变化。对优化后的水泥基材料与传统的基于水泥的回填材料进行了碳足迹计算和比较分析。结果表明，煤矸石和粉煤灰对力学性能的影响显著受到粒化高炉矿渣含量的影响，关键阈值约为50%。在阈值两侧，原料比例与强度之间的关系呈现相反的趋势。当煤矸石、粒化高炉矿渣和粉煤灰的比例为4:5:1时，C40S50F10水泥基材料表现出最佳的综合性能，其28天抗压强度达到13.7 MPa，同时具有优异的流变性能和保水能力，满足回填过程的所有要求。本研究为高性能固体废物基回填材料的发展提供了理论基础和比例参考。
引言
大规模煤炭开采导致中国西部矿区形成了广泛的地下空区。空区的形成破坏了原有岩石应力场的平衡，使其极易引发一系列地质灾害，如顶板坍塌、地表沉降甚至地面塌陷（Ruan等人，2023年；Wu等人，2023年）。这些现象不仅对矿山安全生产构成严重威胁，还会对矿区内的建筑物、农田和生态环境造成长期且不可逆的破坏（Xue等人，2021年）。空区回填是确保深部资源安全开采和控制地层移动的关键技术（Zhu等人，2023年）。传统的基于水泥的回填材料和化学灌浆材料存在成本高、稳定性差和环境影响大的问题。寻找成本更低的新绿色替代回填材料已成为矿山修复的紧迫任务（Mandal等人，2019年；Hu等人，2014年）。碱激活的水泥基材料是一种通过硅铝丰富固体废物的碱激活和聚合形成的三维网络无机聚合物，被认为是基于水泥的回填材料的理想替代品，具有成本可控、碳足迹低、早期强度高和大规模固体废物利用能力强的优势（Yang等人，2022年）。
随着绿色采矿概念的发展和推广，许多学者对碱激活回填水泥基材料进行了广泛研究。郭等人使用煤矸石（CG）、粉煤灰（FA）和膨润土按23:22:5的比例制备了一种用于修复含水层裂缝的灌浆材料，28天固化后的抗压强度达到10.11 MPa（Guo等人，2023年）。张等人研究了煤矸石含量和浆体浓度对回填材料力学性能和流变特性的影响，结果表明适当添加煤矸石可以提高碱度，有效改善水泥基材料的力学性能和流动性（Zhang等人，2025a）。张等人通过正交试验的敏感性分析确定了新型回填材料的最佳配比（Zhang等人，2025b）。程等人使用粉煤灰和煤底灰制备回填材料，研究了原料比例对材料填充性能的影响，当粉煤灰与煤底灰的比例在30%到50%之间时，回填材料的性能同时满足力学性能和管道运输的要求（Cheng等人，2022年）。
煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的主要工业固体废物，占总煤炭产量的15%-20%（Li等人，2025a）。目前，中国煤矸石的累计积累量已超过70亿吨，年产量超过8亿吨，使其成为产量最大的工业固体废物之一（Wen等人，2025年）。煤矸石目前的资源利用途径主要包括元素提取、建筑材料生产、燃烧发电和生态修复（Du等人，2020年，2025年；Ma等人，2023a）。虽然这些多样化的利用方法提供了多种回收选择，但由于煤炭生产区域与下游产业链之间的地理分离，运输成本高和综合利用率低等问题仍然存在。煤矸石具有类似天然骨料的物理化学性质（Lazorenko等人，2025年）。将其作为天然骨料用于制备回填水泥基材料不仅可以实现煤矸石的大规模消耗，从而减轻固体废物积累带来的环境问题，还能显著降低回填材料的原材料成本。然而，未激活的煤矸石的胶凝活性较低，需要与其他高反应性前驱材料结合使用。粒化高炉矿渣（GGBS）是铁和钢冶炼过程中产生的水淬副产品，具有富含钙、硅和铝等活性成分的非晶玻璃结构，在碱性环境中容易分解并发生快速聚合反应（Ting等人，2025年）。粉煤灰是热电厂煤粉燃烧过程中产生的细颗粒粉末，虽然其固有的胶凝性能较弱，但在常温下的碱性条件下，其丰富的活性二氧化硅和氧化铝会缓慢发生火山灰反应，从而提高长期强度（Rashad等人，2024年）。此外，GGBS和粉煤灰产量大、来源广泛且成本低，常被用作碱激活水泥基材料的前驱体。但目前的研究主要集中在宏观性能反馈领域，如原料的初步改性、三元系统的最佳配比以及新型外加剂的添加（Kang等人，2025年；Guo等人，2024年；Da Silva等人，2026年）。关于三元水泥基材料中各组分之间的详细相互作用机制和定量贡献仍缺乏深入和系统的研究，因此难以明确它们在碱激活系统中的具体功能作用和独立贡献。特别是在开发碱激活回填材料时，原料的添加比例需要全面考虑其对力学性能、流变特性和浆体稳定性等多种因素的影响。然而，固体废物原料对回填性能的影响程度在不同剂量范围内的系统分析尚不充分。而且煤矸石、GGBS和粉煤灰具有相似的物理化学性质，因此在碱激活过程中的协同效应和各自贡献仍然高度耦合，这使得难以精确确定固体废物材料在不同剂量范围内对水泥基材料力学性能和流变特性的独立影响模式。更难以区分不同原料在影响回填性能方面的优先级和贡献程度。
本研究利用煤矸石、GGBS和粉煤灰作为硅铝前驱体，以硅酸钠和碳化钙残渣（CCR）作为复合碱激活剂，制备了一种具有优异力学性能和流变特性的回填水泥基材料。通过设计三种固体废物的配比，研究了原料比例对回填材料力学性能、流动性、凝固时间和泌水率的影响。通过XRD、SEM、MIP和NMR等表征技术，分析了回填材料的物理化学性质、微观形态和硅酸盐网络结构的聚合程度。本研究探讨了原料混合比例对凝胶材料水化过程的影响以及不同原料之间的相互作用机制，明确了不同原料在力学性能和流变行为等关键回填特性中的主导作用和独立贡献。此外，还通过碳排放分析比较了CSF回填材料与传统基于水泥的回填材料的碳减排潜力。这项研究对于大宗固体废物的资源利用和水泥基材料的精确设计具有重要意义。
材料
本研究使用的原料包括煤矸石（CG）、粒化高炉矿渣（GGBS）和粉煤灰（FA），以及强碱性的碳化钙残渣（CCR）和液态硅酸钠作为碱激活剂。原料的化学成分和晶体结构通过X射线荧光光谱（XRF）和X射线衍射（XRD）进行分析，结果分别列于表1和图1中。原料的粒径分布通过激光粒度分析仪进行分析，结果如下
原料比例对抗压强度的影响
回填材料优异的抗压强度确保了地下采矿的安全性和矿区地表的稳定性。表2和图3a展示了不同原料比例对水泥基材料抗压强度的影响。原始煤矸石的铝硅酸盐活性较低，其用量增加通常会对水泥基材料的力学性能产生显著负面影响
结论
本文系统研究了煤矸石（CG）、粒化高炉矿渣（GGBS）和粉煤灰（FA）的含量对水泥基材料力学性能、流动性、凝固时间、泌水率和水化过程的影响机制，同时优化了原料比例。明确了每种原料在三元系统中对回填材料性能的优先级和贡献程度。当GGBS含量低于50%时，水泥基材料的力学性能
CRediT作者贡献声明
余子扬：撰写——初稿、软件、方法论、研究、数据整理。潘壮壮：软件、方法论、研究。郭俊伟：方法论、研究、形式分析。刘鹏飞：软件、方法论。李毅：形式分析、数据整理。王世兴：监督、研究。吴浩天：研究、形式分析。任长才：验证、资源、项目管理、资金获取。金家旭：监督、项目管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52322405）、国家重点研发计划（2022YFC2905900）、国家自然科学基金重点计划（52534004）、新疆省中央科技发展专项资金（ZYYD2024CG08）、中央高校基本科研业务费（2023ZDPY07）、江苏省碳资源清洁利用重点实验室（BM2024007）的研究支持
