朝着将锌渣标准化为混凝土中可持续细集料替代品的方向

为何废料可能有助于拯救我们的河流

沙子看似取之不尽，但建筑热潮正以惊人的速度剥夺河床和海岸线。同时，全球金属冶炼厂产生难以重复利用的大量工业废料。本研究提出了一个看似简单却具有重大环境影响的问题：锌渣——锌精炼过程中的大量副产物——能否在不牺牲强度、耐久性或安全性的前提下，作为混凝土中天然砂的安全可靠替代品？

从河砂到工厂废料

混凝土由水泥、水、粗骨料和关键的细颗粒（如砂）组成。随着城市扩张，对砂的需求激增，破坏了河流、三角洲和沿海生态系统，并推高了价格。与此同时，现代锌冶炼厂，尤其是在韩国等国，产生大量锌渣。这种颗粒状材料由冶炼过程中冷却并破碎的液滴构成。其粒径、密度和矿物成分表明，锌渣在混凝土中的表现可能与砂相似。然而，主要地区的标准（包括韩国）迄今对锌渣多持忽视态度，主要是出于对重金属含量和质量不稳定的担忧。

仔细审视锌渣本身

研究人员首先把锌渣当作一种新原料来对待，必须在掺入混合料之前进行全面检验。他们测量了颗粒的密度、吸水率、粒径分布，并在电子显微镜下观察其形貌。他们还分析了元素组成和晶体结构，并检测了诸如粘土、游离粉尘、盐分和煤炭碎屑等不良杂质。最后，他们检测了铅、镉、砷等危险元素的总含量和浸出行为，以评估是否存在向环境中释放的风险。

结果显示，锌渣密实且级配良好，颗粒覆盖了能够高效紧密堆积的尺寸范围。其吸水率非常低——远低于天然砂——这意味着它不会在拌和时夺取混凝土中的有效用水。显微镜图像显示以角质颗粒为主，同时存在一些更光滑、圆润的珠状颗粒，有助于改善混合料的流动性。从化学成分看，锌渣类似于其他已被标准接受的工业渣体，而对有害元素及其浸出测试的结果均在监管限值之内。实际上，该材料表现得像一种洁净、稳定的制造砂。

含锌渣混凝土的性能表现

掌握上述信息后，研究团队配制了两类混凝土：普通强度配合比和高强度配合比，这两类在实际工程中均很常见。他们在每类配合比中按体积将天然砂替换为锌渣，替换率从10%到100%不等。随后他们检测了新拌混凝土的工作性——流动性、达到标准和易性所需的用水量以及混合料中被困气泡的量——并对硬化试件进行了抗压强度、干燥收缩和抗二氧化碳渗入（这是导致钢筋长期腐蚀的关键因素）等试验。

随着锌渣掺量的增加，混凝土为达到相同稠度实际上需要更少的水，这要归因于锌渣低吸水率及其圆润颗粒产生的“滚珠”效应。混合料保持稳定，没有出现可见的粗颗粒分离。抗压强度不仅达到了设计目标，且常有提升：在28天时，普通强度含锌渣混凝土比仅用砂的对照组强度最高可提高约8%，高强度混凝土则可提高约6%。60天的收缩量保持在与常规混凝土相同的窄幅范围内，经加速二氧化碳作用后的碳化深度在所有锌渣替代率下几乎无变化。

安全性、耐久性及其对标准的意义

对于标准制定机构和监管者而言，环境安全可能是决定性难题。本研究中锌渣表现良好。重金属仅以痕量出现，按标准条件进行的浸出测试几乎未在周围液体中检出有害物质，只有极少量的硼，且远低于规定限值。锌渣与水泥碱的反应性也可忽略，意味着它不太可能引发那种由活性骨料引起的慢性破坏性膨胀。综合这些结果，从结构性和环境角度看，锌渣的行为与已纳入建筑规范的其他冶金渣相近。

将工业废料转化为建筑资源

对非专业读者而言，核心信息很直接：本研究发现，锌渣这一通常被视为废弃物的材料，可以在不削弱建筑物强度或缩短使用寿命的前提下，安全地替代日常与高性能混凝土中的河砂。在许多情况下，含锌渣的配合比略强且需水量更低，同时收缩、被困气泡和抗二氧化碳能力仍在可接受范围内。鉴于锌渣通过了重金属含量和浸出方面的严格检测，它并不构成显著的污染风险。这些发现提供了制定或更新施工标准所需的硬数据，有望将这一棘手的工业副产物转变为世界上最广泛使用建筑材料中的主流、更可持续的成分。

引用: Yoon, J.C., Shivaprasad, K.N., Min, T.B. et al. Towards standardisation of zinc slag as a sustainable fine aggregate substitute in concrete. Sci Rep 16, 5961 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36155-4

关键词: 锌渣, 可持续混凝土, 砂替代, 工业副产物, 建筑材料