通过物理化学协同活化解锁城市生活垃圾焚烧底灰的反应性以改善胶凝性能

把垃圾变成更坚固的建筑材料

现代城市燃烧大量生活垃圾以回收能源，但这一过程会留下称为底灰的颗粒残渣。大量底灰被填埋，既浪费空间也浪费资源。本文所述的研究探讨了如何将这些底灰升级为混凝土的有用成分，从而同时减少废物并降低建筑的碳足迹。

被焚烧废物中隐藏的潜力

当生活垃圾被焚烧时，较重的残留物会在炉底聚集成底灰。这种材料是由不同颗粒和碎片组成的混合物，含有许多与水泥相同的基本元素，如钙、硅和铝。从成分上看，它有望替代部分混凝土中的水泥。然而在实践中，未经处理的底灰体积大、化学不稳定，并含有金属铝和盐类等有害成分。这些成分可能产生气泡、引入多余孔隙，甚至导致混凝土开裂，削弱结构并引发长期安全和污染问题。

为何简单处理不足以解决问题

研究人员曾尝试两类主要处理方法。一类是纯物理的：将底灰研磨成更细的粉末，使其更易密实并增加反应表面积；另一类是纯化学的：用碱性溶液浸洗或处理，以洗去有害物质并调整表面化学。这两种方法都带来一定改进，但单独使用时均无法可靠地使底灰在掺入水泥时表现出稳定且高效的反应性。粗大、玻璃相颗粒往往仍然惰性，而残余的金属和盐类仍可能产生气体并留下多孔、脆弱的结构。

对灰分颗粒的两步改造

本研究团队提出了一种称为物理化学协同活化的组合途径。首先，在旋转鼓中对底灰进行研磨，打散团聚体、缩小颗粒并产生微裂纹网络，暴露出此前被遮蔽的富反应性新表面。接着，将研磨后的底灰浸泡一天，采用温和浓度的氢氧化钙溶液（一种常见且廉价的碱性化学品）。在浸泡过程中，部分表层溶解，滞留的硅铝物种被释放到溶液中，额外的钙离子则吸附到新开露的表面。冲洗并干燥后，该预处理底灰在标准砂浆配比中替代30%的水泥。

观测放热、强度与孔隙的变化

为验证两步处理的效果，研究人员监测了试样硬化时的放热量、随时间变化的强度以及其内部结构。放热测试显示，单纯研磨能加速早期反应，而单独化学浸泡则会改变反应时序但不能完全恢复活性。当将两步结合并将浸泡溶液调至中等强度时，混合物出现了强烈且时机良好的反应峰。经过28天，协同活化的底灰制备的砂浆抗压强度超过了仅研磨底灰的砂浆，且在显著减少水泥用量的情况下接近普通水泥砂浆的性能。

混凝土内部：从空隙到致密骨架

显微镜和X射线扫描揭示了性能改善的原因。在仅研磨或仅浸泡的配比中，硬化体仍存在散在的空洞、微裂缝以及灰粒与水泥浆界面结合差的区域。相比之下，协同活化的底灰形成了一个紧密的、蜂窝状的框架，细小的反应产物填充了缝隙并将灰粒包裹在连续的凝胶中。跨多尺度的孔隙测量显示，该处理降低了总体孔隙率，并将孔隙体系转向更细、更均匀分布的孔隙。研究还发现，如果浸泡溶液浓度过高，会在颗粒表面形成过量晶体，阻塞进一步反应并留下更大的孔隙，从而削弱强度。

对更绿色建筑的意义

通俗地说，研究表明对底灰进行精心调控的“双重处理”可以将其从难处理的废料转变为混凝土中的可靠助剂。通过短时机械研磨与温和碱性浸泡相结合，并避免过强的溶液，底灰可转化为细质、反应性良好的粉料，帮助构建致密耐久的水泥基体。该方法可利用现有的工业设备和廉价化学品，表明有望在垃圾发电厂和混凝土厂实现规模化。如果广泛采用，此类处理可减少对新鲜水泥的需求，降低温室气体排放，并将大量焚烧底灰从填埋场转入用于持久的建筑与基础设施。

引用: Zhu, Z., Zhang, Y., Yang, J. et al. Unlocking the reactivity of municipal solid waste incineration bottom ash through physicochemical co-activation toward improved cementitious performance. Sci Rep 16, 9692 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43059-w

关键词: 废物变资源, 底灰混凝土, 掺合胶凝材料, 低碳建设, 水泥微观结构