DG活化混合水泥中LS/CS 比率与性能的关系

将工业废料转化为更坚固、更环保的水泥

来自金属冶炼厂的大量废料——如锂渣和铜渣——正堆积在全球各地，威胁土地、水体和空气质量。本研究探索了一种将这些问题多产的副产物转化为水泥有用组分的方法，在不牺牲强度的前提下减少废弃物并降低建筑的环境足迹。研究人员通过微调不同渣类的配比，并用温和的助剂“唤醒”这些材料，表明混凝土既可以更环保，又足以满足实际使用需求。

为何这些废料成为日益严峻的问题

用于电池的锂和用于电线的铜的生产，会为每吨有价值金属产出大量冗余渣料。锂渣富含二氧化硅和氧化铝，而铜渣含有大量铁和二氧化硅但几乎不含石灰。单独使用时，这些材料在水泥中反应缓慢，难以高效利用。与此同时，普通波特兰水泥作为现代建筑的基石，贡献了工业碳排放的很大一部分。若能将这些渣料掺入水泥并在不依赖强烈化学品的情况下使其充分硬化，便能减轻金属和水泥行业的环境压力。

温和推动而非强烈化学处理

团队设计了一种混合胶凝材料，其中30%的水泥被锂渣和铜渣的混合物替代，同时少量脱硫石膏——来自电厂烟气净化的副产物——作为温和的活化剂。研究者没有使用腐蚀性大且成本高的强碱，而是依靠这种低碱、富硫酸盐的环境来诱导废粉发生反应。锂渣经湿法球磨被研磨得非常细小，形成可作为新晶体生长种子的微小颗粒。铜渣则以更大且棱角分明的颗粒填充空间，并提供富铁组分，随后参与硬化网络。

寻找配比的最佳点

为了观察配方变化如何影响性能，研究者制备了多种不同锂渣与铜渣比的糊体与砂浆，且总体替代率相同。他们测量了新拌混合物的流动性、在3、7和28天时的强度，以及内部形成的晶体和凝胶类型。还采用了X射线衍射、红外光谱、电子显微镜和汞侵入试验等工具来探测内部结构和孔隙系统。其中一种配方——含20%铜渣和10%锂渣——表现突出。28天后，其抗压强度达到了普通水泥的95%以上，抗折强度也明显高于仅含某一种渣的配方。

渣料如何协同作用

数据表明，锂渣与铜渣的协同作用优于各自单独的效果。锂渣消耗了水泥水化产生的氢氧化钙，从而促成富含二氧化硅和氧化铝的额外结合凝胶的形成。这些凝胶同时促进铜渣内矿物的进一步反应，包括缓慢分解并加入硬化网络的含铁相。与此同时，水泥的颗粒、细小的锂渣与较粗的铜渣的不同粒径实现了更紧密的堆积，减少了空隙。孔隙测量显示，优化后的配方使材料朝向更小、危害性更低的孔隙结构转变，并形成更致密、更复杂的微观结构，这与强度和耐久性的提升密切相关。

这对未来建筑的意义

简而言之，研究表明经过精心平衡的锂渣与铜渣混合物，配合脱硫石膏的温和激活，可以在很大程度上替代传统水泥，同时仍能提供强劲、致密的建筑材料。最佳配方的强度几乎可与标准水泥相匹敌，改进了内部致密性，并将问题性工业废料转化为有用资源。尽管对于超长期行为和抵抗极端环境的能力仍有疑问，该研究为更可持续的混凝土提供了可行路径，使工业废料得到更智能的利用。

引用: Xiang, B., Zhang, Z., Yang, G. et al. The LS/CS ratio-performance relationship in DG-activated hybrid cements. Sci Rep 16, 8865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38577-6

关键词: 绿色水泥, 工业废料循环利用, 锂渣, 铜渣, 可持续混凝土