综述：关于全固体废弃物基水泥材料的综合性综述：活化方法、制备工艺、可持续性能及应用领域

《Journal of Environmental Management》：A comprehensive review on all-solid-waste cementitious materials: activation, preparation, sustainable performance and applications

　　胡玉良|王贺|段玉轩|陈凯伦|李静琳|林莉|胡恩迪安|常静文|刘凯|姜建国
清华大学环境学院，北京，100084，中国

**摘要**
固体废物是一种未被充分利用的资源，其综合利用仍然是实现建筑领域碳中和的全球性优先事项。全固体废物基胶凝材料（ASWs）的发展有助于缓解大量废物积累带来的环境挑战，同时有效减少建筑行业的二氧化碳排放。本文系统地回顾了基于工业固体废物的胶凝材料（ISWCs）作为波特兰水泥（PC）的可持续替代品的研究进展。文章阐明了粉煤灰（FA）、矿渣（SS）和煤矸石（CG）等典型前体的物理化学特性及多尺度活化策略，并重点关注了多源废物的协同设计，分析了凝胶基质演变与宏观性能之间的关联。此外，还评估了机器学习与三元相图在智能混合优化和性能预测中的应用。最后，从碳足迹、耐久性、生命周期经济效益和浸出安全性等方面对ISWCs的可持续性进行了批判性评估。本文还探讨了这些材料在建筑材料、道路基础设施、矿山回填、土壤稳定、涂层材料及3D混凝土打印中的工程潜力，并分析了大规模应用的技术、经济和政策障碍及相应的促进措施。这项工作为绿色、功能化胶凝材料在复杂环境中的标准化和大规模部署提供了严谨的参考。

**引言**
建筑材料的生产每年产生约35亿至110亿吨二氧化碳排放，占全球温室气体排放量的10%–23%（Van Roijen等人，2025年）。作为普遍使用的粘合剂，水泥通过水化作用形成混凝土和砂浆中的关键胶凝基质（Shah等人，2022年）。然而，其制造过程能耗高且碳足迹重，每吨水泥大约需要3.3吉焦的能量（Sharma等人，2022年）。2022年，全球水泥生产排放了26亿吨二氧化碳，占全球人为排放总量的约7%（Salaripoor等人，2025年）。图1展示了2023年水泥行业的全球碳排放情况以及各国不同年份各类工业固体废物（SS、BFS、FA、DG和CG）的产量。因此，在水泥行业实施有效的碳排放和能耗减排策略对于应对这些环境挑战至关重要。

**ISWCs的应用与挑战**
受《巴黎协定》的推动，许多水泥协会和行业领导者制定了碳中和路线图。其中，全球水泥和混凝土协会发布了“2050净零路线图”，承诺到2030年将二氧化碳排放量比2020年水平减少25%，并在2050年实现净零排放（Ben Haha等人，2023年）。在此背景下，开发替代性胶凝材料成为取代传统水泥在混凝土和砂浆应用中的最具前景的策略之一（Pamenter和Myers，2021年）。

胶凝材料通过水化和固化作用提供结构完整性，而基于工业固体废物（ISW）的胶凝材料则利用工业副产品作为主要反应前体（Yang等人，2022年）。ISWCs的利用不仅减轻了大规模废物积累带来的环境负担，还在成本效益、节能和减排方面具有显著优势（Wang等人，2024a,b,c）。例如，Ma等人（2026年）表明，ISWCs的生产相比传统PC可减少每吨558.2–701.6公斤的二氧化碳排放。Feng等人（2024年）使用高炉矿渣、石膏和碳化物矿渣合成了胶凝材料，不仅改善了材料微观结构，还降低了55.8%的成本（每吨6.66美元）。然而，不同固体废物性质的固有差异往往导致初始反应性较低，尤其是那些火山灰活性有限的废物，这限制了它们的大规模应用（Simonsen等人，2020年）。因此，对这些前体的表征和活化至关重要。活化方法通常根据其机制分为机械活化、化学活化和热活化三种类型：机械活化利用机械能破坏晶体结构，增加表面能和晶格缺陷以提高反应性（Han等人，2022年）；化学活化使用特定试剂蚀刻或与特定成分反应，形成多孔结构（Chen等人，2024a,b）；热活化通过高温分解去除挥发物，促进稳定、发达的孔隙网络的形成（Fan等人，2025a, 2025b）。通过这些策略，固体废物的反应性得到了显著提升。例如，Jiang等人（2025年）使用碱渣和石膏协同活化磨细的矿渣，获得了28天抗压强度为46.15兆帕的结果，比未活化的样品提高了43.5%。这一性能符合相关国家和国际标准（如FA的ASTM C618、BFS的ASTM C989），以及建筑和道路应用的要求（如PC的EN 206、水硬性混合物的EN 14227、道路基层材料的ASTM D2940），凸显了活化废物在推进可持续建筑材料方面的潜力。

**ISWCs的可持续性评估**
除了机械强度外，ISWCs在碳足迹减少、耐久性、经济可行性和环境安全性方面也具有明显优势，符合相关国家标准和国际标准（如中国国家标准GB/T 28,294-2024关于钢渣复合胶凝材料；ASTM C618-25a关于煤粉煤灰和天然火山灰；EN 197-1关于普通水泥；ISO 14064-1:2018关于温室气体量化与报告）。迄今为止，ISWCs已在结构混凝土、道路基础设施、矿山回填、土壤稳定和3D打印等多个工程领域得到成功应用，表现出优异的可行性和适应性。在政策支持和技术标准不断发展的推动下，ISWCs的部署正在加速，为其大规模融入绿色建筑材料市场建立了完善的技术和监管框架。

**结论**
本文系统阐述了ISWCs的制备技术、可持续性优势及工程应用。研究表明，通过靶向活化和协同设计，ISWCs不仅实现了固体废物的有效胶凝，还表现出优异的机械性能、低碳特性和环保性能，凸显了其替代PC的潜力。目前，这些胶凝材料已在建筑、道路基础设施、采矿、土壤稳定和3D打印等领域得到广泛应用。在政策支持和技术创新的推动下，ISWCs正朝着功能化、智能化和大规模应用的方向发展。这一发展路径为固体废物的价值化、绿色建筑材料产业的高质量发展以及碳中和目标的实现提供了可行的技术途径，包括中国的碳中和目标以及《巴黎协定》、联合国2030年可持续发展议程（特别是可持续发展目标9、12、13）和全球水泥和混凝土协会的净零路线图。

**部分内容摘要**
**ISWCs的物理化学特性和活化策略**
根据物理状态对ISWCs进行分类对其资源化利用至关重要，因为不同的形态决定了不同的处理要求（Prasann，2025年）。通常，ISWCs分为三种主要形式（Yao等人，2020年）：颗粒状（如FA、BFS）、块状（如SS、CG、废石）和浆状（如工业污泥、泥浆），这些废物主要来源于冶金、发电和化工行业。

**低碳效益分析**
传统水泥生产过程包括两次研磨和一次燃烧（生料研磨、熟料煅烧和终磨），这一高能耗过程是全球人为二氧化碳排放的主要来源之一，2024年占比达到5%–8%（Dang等人，2026年；Siskos等人，2026年）。在中国，水泥产量占全球总量的60%以上，其碳强度约为每吨水泥0.78吨二氧化碳（Singh等人，2023年）。因此，开发...

**ISWCs的应用与挑战**
ISWCs因其环境可持续性、成本效益和强大的政策支持而受到广泛关注，具有显著潜力来减轻传统水泥行业对环境的影响。其应用范围不断扩展，包括结构混凝土和砂浆、道路基础设施、矿山回填、土壤稳定和3D混凝土打印（见图12，Wang等人，2025a,b,c,d）。

**总结**
水泥行业面临高碳排放和大量固体废物积累带来的严峻挑战。本文系统分析了固体废物前体的物理化学性质、活化技术和制备方法，证明了完全由固体废物制成的碱活化胶凝材料的技术可行性。对碳封存、耐久性、经济可行性和环境影响的全面评估表明...

**作者贡献声明**
胡玉良：概念构思、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。
王贺：可视化、撰写、审稿与编辑。
段玉轩：撰写、初稿撰写、审稿与编辑。
陈凯伦：撰写、初稿撰写、审稿与编辑。
李静琳：可视化、撰写、审稿与编辑。
林莉：可视化、撰写、初稿撰写。
胡恩迪安：可视化。
常静文：撰写、初稿撰写、审稿与编辑。
刘凯：...

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
我们感谢“京津冀区域环境综合治理-国家科技重大项目”（项目编号2025ZD1203000）的财政支持。