钢渣含量对碱激发煤矸石—矿渣砂浆性能的影响

把废料变成更坚固、更环保的建筑材料

现代城市依赖混凝土和砂浆，但传统水泥的生产会排放大量二氧化碳，且这些材料随时间可能出现开裂和收缩。本研究探索了一种同时应对这两类问题的方法：将煤炭和钢铁生产的工业废弃物回收利用，制成一种新型砂浆，不仅降低了排放，还能提高强度并减少收缩与开裂的倾向。

为何开裂是一个潜在的危险

许多被称为碱激发材料的环保水泥替代品具有显著的强度和耐久性，但它们往往有个严重缺点：在干燥过程中比普通波特兰水泥收缩更大。这种收缩会产生密集的微细裂缝。随着时间推移，水和腐蚀性化学物质会通过这些裂缝进入墙体和地基，削弱建筑物的安全性和使用寿命。解决这一问题通常需要使用专用添加剂或严格的养护条件，这会增加成本并限制其广泛应用。

让钢铁与煤炭废料获得第二次生命

研究人员关注了三种来自重工业的粉状副产物：钢铁冶炼产生的钢渣、煤矿开采产生的煤矸石，以及炼铁过程中的高炉粒化矿渣（磨细矿渣）。这些材料常被堆放成大堆，占用土地并带来环境风险。在本研究中，为保证基础强度，矿渣占了总胶凝材料的一半，而煤矸石则按不同掺量逐步被钢渣替代。用一个碱性液体来触发硬化，这些粉料被混合成砂浆，浇筑成小试块，测试其流动性、强度和干缩情况，并通过多种显微和化学方法进行表征。

找到钢渣的最佳掺量

实验表明，掺入一定量的钢渣可改善新拌砂浆的流动性，使其更易于浇筑，并显著提升随时间增长的强度。当将40%的煤矸石以钢渣替代时，28天抗压强度约提高了42%，达到70兆帕以上，同时干缩较未掺钢渣的配合比下降了近29%。低于该掺量时，性能提升较小；超过该掺量后，性能开始恶化。50%钢渣时，砂浆强度下降且不再表现出更小的收缩。作者将这种性能回落归因于活性硅和铝的不足，而它们是形成粘结凝胶的关键构件。

硬化砂浆内部发生了什么

为了解为何40%钢渣效果最佳，团队在显微尺度上观测了硬化后的砂浆。他们发现钢渣改变了内部结构随时间的发展趋势。早期，钢渣略微减缓了反应，有助于保持水分并减少快速干燥；后期，它又参与更强的反应，为体系提供钙离子。这导致了额外的凝胶状粘结相和大量针状的矿物（如针状石膏铝铁酸盐——乙矾）的生成。这些产物交织贯穿材料，填充孔隙、结合颗粒并抵抗变形。孔径测量证实，最佳配合比中减少了那些最易导致收缩的中等孔径，因而形成了更致密、更稳定的结构网络。

从实验室砂浆走向实际应用

简言之，研究表明在这种基于废料的砂浆中合理配比钢渣，可以把一种易开裂的环保材料转变为更坚韧、更可靠的材料。约40%的钢渣替代率在高强度、降低开裂风险和改善施工性能之间取得了平衡，同时大量消耗工业废弃物并避免了传统水泥的高碳足迹。尽管研究聚焦于28天的观测期，但它为更好利用工业废弃物、开发更环保的建筑材料配方提供了可行的途径。

引用: Huang, T., Xie, Q., Deng, J. et al. Effects of steel slag content on the performance of alkali-activated coal gangue-slag mortar. Sci Rep 16, 7993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38962-1

关键词: 钢渣, 绿色混凝土, 工业废弃物回收, 干缩, 碱激发砂浆