通过粉煤灰与矿渣协同利用开发的F-渣砂的微/中观尺度研究

将废弃物变为建筑用砂

现代城市在字面上是建立在砂之上的。我们需要大量的细砂来配制混凝土、砂浆和抹灰，但世界各地的河流正被开采得比自然补给的速度还快，这一过程破坏了生态系统。与此同时，燃煤电厂和钢铁厂产生了成堆的粉状废弃物，常常被堆入填埋场。本文将这两类问题合二为一，提出一种解决方案：展示如何将工业废粉转化为一种新型的人造砂——称为F-渣砂——在许多建筑和采矿用途上可替代天然河砂。

为什么需要新型砂

全球范围内，建筑热潮推动了对细骨料（主要是河砂）的需求达到前所未有的水平。河床被大量挖掘以获取建筑材料，导致河岸侵蚀、生境破坏以及对这一看似普通资源的争夺。同时，工业生产产生了大量的粉煤灰（煤燃烧副产物）和高炉矿渣粉（炼钢副产物）。如果长期堆存，这些粉末可能带来环境风险，但它们本身化学成分丰富。论文作者提出了一个简单但意义深远的问题：与其开采河流，不如将这些工业残余物工程化为一种清洁、可靠的天然砂替代品吗？

工程师如何制成人造砂粒

研究团队按不同比例混合粉煤灰与矿渣粉，并将混合物送入定制的旋转盘（称为盘造粒机）。在这个旋转盘内，按精确计量喷入碱性液体（由水玻璃和氢氧化钠配制），作为化学活化剂和胶结剂。被润湿的颗粒在碰撞和滚动过程中粘结在一起，逐步生长为粒径约5毫米至75微米的颗粒，覆盖了河砂的粒级范围。关键在于这一过程在常温下即可进行；与早期仅用粉煤灰的方法不同，不需要耗能的烘箱养护。效果最好的配方为60%粉煤灰与40%矿渣，产生几乎完全为砂级的颗粒，且细、中、粗粒级分布均衡，满足混凝土与砂浆的标准。

查看微小颗粒的内部结构

为了解这些人造颗粒的性能，研究者并不仅做简单的强度测试。他们使用电子显微镜和三维X射线扫描来观察颗粒内部并绘制其结构图像。图像显示，球形的粉煤灰颗粒与棱角状的矿渣颗粒被化学反应形成的玻璃质网络紧密粘结，形成致密且堆积良好的颗粒，同时仍保留小而连通的孔隙。进一步的矿物成分与耐热性探测表明，颗粒以稳定的硅酸盐结构为主，并形成新的胶结相，能够在加热至800°C时仍保持结合，且质量损失很小。这种坚固骨架与可控孔隙的结合解释了颗粒既具有机械稳定性又相对轻质的原因。

新砂与河砂的比较

按普通建筑砂的测试，F-渣砂的比重略低于河砂且堆积密度明显更低，这意味着它可以用于制造更轻的构件以减小静载荷。其透水性与天然砂相近，这对排水性能很重要；其抗压碎性能也轻松满足建筑骨料的标准要求。由于内部孔隙，颗粒吸水率高于河砂，但其摩擦行为——在荷载下颗粒间锁结的方式——几乎相同。化学浸出测试表明，潜在有毒金属被困于颗粒内部，远低于国际安全限值，正式的生态风险评估也得出该材料对环境危害可忽略的结论。

这对建筑与采矿意味着什么

综合试验结果，研究认为F-渣砂不仅是实验室的趣味性产物，而是具有实际应用前景的候选材料。其级配与强度使其适合用于混凝土、砌筑砂浆与抹灰；低密度与良好流动性则在轻质结构和填充地下采空区时具有优势。将需求从河床转向工业副产物，有助于推进更为循环的经济：电力与钢铁厂的废料成为新基础设施的原料。作者强调仍需进一步研究长期耐久性与大规模生产，但其研究结果指向一个未来：我们脚下的砂可以由工程化、可持续的材料提供，对河流与景观更为友好。

引用: Sekhar, K., Rao, B.H. & Zalar Serjun, V. Micro/meso scale investigations on F-slag sand developed with synergistic use of fly ash and slag. Sci Rep 16, 12951 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43476-x

关键词: 人工砂, 粉煤灰, 矿渣, 可持续建筑, 地质聚合物材料