利用工业废料设计与表征可持续砂浆

用废料而非新采岩石建设

混凝土和砂浆静静地构成我们的城市，而制造将其粘结在一起的水泥却是导致气候变暖的二氧化碳的重要来源。本研究探索了一条不同的道路：主要由工业废料制成的砂浆，例如电厂的粉煤灰和钢铁生产的矿渣。通过用碱性溶液对这些粉末进行精细激活，作者表明有可能在制造强度和耐久性良好的建筑材料的同时，降低气候足迹并减少对新原料的需求。

重新思考水泥的重要性

传统的波特兰水泥在巨大的窑炉中将石灰石和粘土加热至约1450°C，这一过程消耗大量能量，并且既来自燃料也来自石灰石本身的化学反应会释放CO₂。随着全球对建筑和基础设施的需求增长，水泥约占全球CO₂排放的7%。因此，许多国家正在寻找更清洁的建筑材料，这些材料既能提供工程师所依赖的强度与耐久性，又能降低排放并更好地利用否则将被填埋的工业副产品。

将灰渣转化为新砂浆

研究人员设计了三种砂浆配方，用粉煤灰（燃煤产生的细粉）、钢铁冶炼产生的高炉矿渣和硅灰的混合物替代波特兰水泥，并与砂子混合。这些粉末不是通过高温烧结“激活”，而是用氢氧化钾溶液和液体硅酸钠混合，然后在常温和中等湿度下固化。一种配方使用来自罗马尼亚电厂的粉煤灰，另一种使用加拿大的粉煤灰，第三种则将加拿大粉煤灰与矿渣结合。为便于比较，团队还配制了以标准水泥为基础的对照砂浆。

这些基于废料的砂浆有多强？

在28天内，研究对砂浆的抗压强度（在压碎前能承受的载荷）和抗折强度（抗弯曲能力）进行了测试。粉煤灰的类型和液体激活剂的精确配比被证明极为关键。采用罗马尼亚粉煤灰的砂浆抗压仅约8 MPa，而加拿大粉煤灰则将性能几乎提高到约26 MPa。调整液体与粉末的比例表明，过多的激活剂会使材料多孔且脆弱，而适中的用量能形成更致密、更强的基体。当氢氧化钾溶液浓度从3.8摩尔提高到5.1摩尔时，强度进一步提升，可能是因为它更有效地溶解并重组了灰渣颗粒。

以钢铁矿渣提升性能

最突出的一项结果来自将加拿大粉煤灰与高炉矿渣和少量硅灰混合的配方。该配方在28天时达到约44 MPa的抗压强度和7.4 MPa的抗折强度——这些数值与或优于以波特兰水泥为基础的对照砂浆相当。显微成像显示，性能最好的配方形成了一个致密、连续的凝胶网络，包裹住残存颗粒和砂子，裂缝与空隙更少。热稳定性测试表明，这些砂浆在高温下失重很少，暗示其在火灾或高温暴露下具有良好的稳定性。

气候影响与实际前景

除了力学性能外，团队估算了这些基于废料砂浆的碳足迹。由于粉煤灰、矿渣和硅灰是其他行业的副产品，使用它们不需要新增的高温加工。若计入激活剂生产但不计运输，所得到的砂浆每立方米排放约220千克CO₂。这比仅用波特兰水泥制成的典型混凝土低约30%，比文献中报告的一些水泥-矿渣砂浆低约45%。换言之，这些配方在提供高强度的同时能显著降低排放。

对未来建筑的意义

简言之，研究表明，经合理设计、在室温下以适度碱性溶液激活的工业废料粉末制成的砂浆，能够在强度上与或超过传统水泥砂浆，同时大幅减少CO₂排放。如果放大生产，这类材料可以使建筑者把灰渣和矿渣变成有价值的原料而非昂贵的废弃物，从而减轻采石场和窑炉的压力。尽管长期耐久性和大规模生产仍需验证，这项工作指向了一个建筑可以实质性建立在循环利用基础之上的未来。

引用: Caftanachi, M., Vrabie, M., Harja, M. et al. Design and characterization of sustainable mortars incorporating industrial waste–derived materials. Sci Rep 16, 12145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41743-5

关键词: 可持续砂浆, 碱激活材料, 粉煤灰, 高炉矿渣, 低碳建筑