矿业研究与开发

工业固废	SiO₂	Al₂O₃	CaO	K₂O	Fe₂O₃	SO₃	MgO
高炉矿渣（GBFS）	28~40	10~20	30~45	0.3~1.0	0.35~0.70	1.8~2.5	5~12
粉煤灰（FA）	16~62	8~33	1~20	0~1.8	3~26	0.62~1.10	0.47~5
煤矸石（CG）	47~64	22~45	0.17~8	0.68~3	0.45~8	0.16~3.50	0.11~2.10
赤泥（RM）	5~30	10~35	1~15	0~3	30~60	0~12	0~0.32
电石渣（CCR）	3~7	1~3	68~90	0.02~8	0.49~4	0.41~0.70	0.17~0.70
电弧炉渣（EAFS）	12~17	4.2~11	33~46	0.03~1.60	19~50	0.28~1.64	1.3~7.6

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化学元素对碱激发胶凝材料性能及微观结构影响的研究进展

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陈越 , 唐诗洋 , 丁会敏 , 张玥

矿业研究与开发 | 选矿与资源综合利用 2025,45(12): 294-302

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矿业研究与开发 |选矿与资源综合利用 2025 , 45 (12) : 294 -302

化学元素对碱激发胶凝材料性能及微观结构影响的研究进展

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陈越, 唐诗洋, 丁会敏, 张玥

作者信息

黑龙江省能源环境研究院黑龙江省燃油燃煤清洁能源重点实验室，黑龙江哈尔滨　150090

通讯作者:

张玥（1984—），女，黑龙江哈尔滨人，硕士，副研究员，主要从事固体废弃物资源化综合利用方面的研究工作。E-mail：zy_nyy@163.com

作者简介:

陈越（1996—），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，研究实习员，主要从事固体废弃物资源化综合利用方面的研究工作。E-mail：cheny_0831@163.com

Research Progress on the Influence of Chemical Elements on Properties and Mcrostructure of Alkali-Activated Cementitious Materials

Yue CHEN, Shiyang TANG, Huimin DING, Yue ZHANG

Affiliations

Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Fuel Oil and Coal Clean Energy, Heilongjiang Institute of Energy and Environment, Harbin, Heilongjiang 150090, China

出版时间: 2025-12-25

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摘要

收起

为充分发挥工业固废原料的碱激发反应活性，确定反应程度和形成的凝胶类型，优化提升碱激发胶凝材料的力学性能和耐久性，概述了Ca、Fe、S、Cl、Mg等元素对工业固废基碱激发胶凝材料的力学性能、耐侵蚀性能及微观结构的影响。结果表明，Ca、S在AACMs体系中的协同作用使反应过程复杂化，无钙/低钙AACMs的抗酸性能良好，而富钙AACMs容易在酸攻击下发生脱钙反应使得结构强度变弱；与富含硅铝钙元素的材料相比，较高的铁含量对AACMs的抗压强度和耐侵蚀性具有不利影响；ACCMs的抗氯离子渗透能力与其骨架的氯离子结合能力、体系内是否含有氯以及孔隙结构有关，同时碱性阳离子对ACCMs的氯离子结合能力和抗氯离子渗透能力也有显著影响。最后，探讨了碱激发胶凝材料所面临的问题及未来发展方向，可为进一步开展工业固废基碱激发胶凝材料的相关研究提供借鉴和参考。

关键词

碱激发胶凝材料 / 化学元素 / 工业固废 / 材料性能 / 微观结构

Abstract

收起

In order to give full play to the alkali-activated reactivity of industrial solid waste raw materials, determine the degree of reaction and the type of gel formed, and optimize the mechanical properties and durability of alkali-activated cementitious materials, the effects of Ca, Fe, S, Cl, Mg and other elements on the mechanical properties, corrosion resistance and microstructure of industrial solid waste-based alkali-activated cementitious materials were summarized. The results show that the synergistic effect of Ca and S in the AACMs system complicates the reaction process. Calcium-free and low-calcium AACMs have good acid resistance, while calcium-rich AACMs are prone to decalcification under acid attack, which weakens the structural strength. Compared with the materials rich in silicon, chloride and calcium, the higher iron content has an adverse effect on the compressive strength and corrosion resistance of AACMs. The resistance to chloride ion penetration of ACCMs is related to the chloride ion binding capacity of its skeleton, the presence or absence of chlorine in the system and the pore structure. At the same time, alkaline cations also have a significant effect on the chloride ion binding capacity and resistance to chloride ion penetration of ACCMs. Finally, the problems and future development directions of alkali-activated cementitious materials were discussed, which can provide reference for further research on industrial solid waste-based alkali-activated cementitious materials.

Key words

Alkali-activated cementitious material / Chemical elements / Industrial solid waste / Material properties / Microstructure

引用本文

陈越, 唐诗洋, 丁会敏, 张玥. 化学元素对碱激发胶凝材料性能及微观结构影响的研究进展. 矿业研究与开发, 2025 , 45 (12) : 294 -302 .

Yue CHEN, Shiyang TANG, Huimin DING, Yue ZHANG. Research Progress on the Influence of Chemical Elements on Properties and Mcrostructure of Alkali-Activated Cementitious Materials[J]. Mining Research and Development, 2025 , 45 (12) : 294 -302 .

正文

收起

0　引言

收起

随着我国能源、钢铁、电解铝等行业的快速发展，资源开采利用过程中产生大量成分复杂、处理难度大的工业固废，包括煤基固废、尾矿、冶炼渣等。据统计，2023年全国一般工业固废产生量约为42.34亿t，其中粉煤灰产生量约为8.99亿t，煤矸石产生量约为8.29亿t，尾矿产生量约为13.57亿t，冶炼渣产生量约为1.28亿t。具有腐蚀性和污染性的工业固废对土壤、水体及人体健康造成严重威胁，现阶段，我国正大力推进大宗工业固废综合利用。

碱激发胶凝材料（Alkali-Activated Cementitious Materials，AACMs）是由富含活性硅、铝的工业固废作为前躯体，以NaOH、固体Na₂SiO₃或水玻璃等为碱性激发剂，于室温或较低温度下经过溶解、重排、凝结、再凝固等一系列反应固化合成的新型绿色胶凝材料^[1-2]。AACMs在性能方面具有早期强度高、凝固时间短等特点；在生产工艺方面，具有能耗低、产废量少的优点^[3-4]。与烧制水泥熟料相比，生产AACMs的CO₂排放量可减少50％~80％^[5]。在高性能建筑材料^[6]、基础设施建设^[7]、纳米复合材料^[8]、废水治理^[9]、矿山充填^[10]等领域具有广阔的应用前景。目前，研究和发展AACMs已成为工业固废综合利用的热点方向，是实现我国“双碳”目标的重要途径之一。

目前关于AACMs的综述文章大多讨论AACMs的制备方法、性能及应用领域。但围绕几类重要化学元素及其相互作用对工业固废基AACMs的反应过程、宏观性能和微观结构的影响机理（见图1）鲜有总结。

工业固废化学组成较复杂，除富含Si、Al外，还有Ca、S、Fe、Mg等成分。几种常见工业固废的化学成分及含量见表1。

从表1可以看出，虽然几类工业固废的化学组分大致相同，但不同来源的工业固废在成分含量占比上具有显著差异，如高炉矿渣（GBFS）中CaO和SiO₂占比较高，煤矸石（CG）、粉煤灰（FA）中SiO₂和Al₂O₃占比较高，赤泥（RM）和电弧炉渣（EAFS）中Fe₂O₃占比较高，电石渣（CCR）和EAFS的化学成分则主要以CaO为主。在建筑与道路工程、矿山回填等领域的基础应用研究中，这些化学成分对AACMs的聚合过程及力学性能会产生显著影响。此外，AACMs作为一种新型建筑材料，在诸如海水、盐碱地、污水等富含硫酸盐、Cl^－、Mg²⁺的环境下应用时，其抗离子污染能力也是影响使用寿命的重要因素。该性能主要受到表面保护层结构、水化产物解聚以及基体渗透性的影响，而且与体系中钙含量及化学状态、矿物学性质、硫酸盐环境、氯化物侵蚀等因素密切相关。目前，针对工业固废基AACMs开展不同盐溶液条件下的耐侵蚀机理研究已逐渐成为热点。因此，归纳分析元素物相结构及化学状态对AACMs宏观性能和微观结构的影响规律，对于后续改进工业固废基AACMs的生产工艺、提升其综合性能、推进其在工程领域的应用具有重要意义。

1　钙对工业固废基AACMs的影响

收起

钙在AACMs体系中的掺入使反应过程复杂化，活性钙含量及钙硫协同作用对AACMs的力学性能具有显著影响，钙含量、Ca/Si及（Na+Ca）/（Si+Al）决定了其抗侵蚀性能和产物微观结构。

1.1　力学性能

邱继生等^[18]为了降低矿山充填材料的成本，以CG替代粉煤灰，研究了CG掺量对绿色胶结充填体性能的影响。研究结果表明，充填体的抗压强度与CG掺量及胶凝材料水泥中的CaO含量有很大关系。在CG掺量过高、水泥用量不变的情况下，CaO总量不足以与CG中的SiO₂和Al₂O₃充分反应，导致生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙胶凝体无法满足强度需要，此时充填体的抗压强度呈现迅速下降的趋势。HUANG等^[19]研究发现，虽然活性钙含量高的CG-GBFS-熟石灰复合AACMs抗压强度高于活性钙含量低的单组分CG-AACMs，但是GBFS及熟石灰添加量并不是越高越好。由于原料中活性钙的溶解量有限，当添加过量GBFS和熟石灰时，体系中存在过量脱离于网状结构的沉积钙，对复合AACMs抗压强度会产生不利影响。利用富钙CCR替代碱激活剂制备AACMs的研究表明，添加适量的CCR能显著提高AACMs抗压强度。一方面这是由于添加CCR后体系内形成碱性环境，为聚合反应提供了更多的Al³⁺和Si⁴⁺；另一方面，向体系内提供了活性钙和新的成核位点，有助于提高聚合反应程度。然而，当CCR过量时，碱性溶液的黏度增加，阻碍Al₂O₃和SiO₂向Al³⁺、Si⁴⁺转化，同时体系内CG占比降低，导致前驱体含量下降，会对AACMs抗压强度产生负面影响^[20-21]。上述研究表明，体系中活性钙溶解量及碱度协同会影响AACMs的力学性能。

同时，Ca、S协同作用也会对AACMs的力学性能产生显著影响。CHEN等^[22]研究了CaO和SO₃含量对FA-AACMs抗弯强度、抗压强度和干燥收缩率的影响，发现随着CaO和SO₃含量的增加，FA-AACMs力学性能呈先升高后降低的趋势，最佳CaO和SO₃含量分别为11％和4％。ZHANG等^[23]以硫铝低碳胶凝材料（LCM）作为硫酸盐源、RM作为碱源，与GBFS混合制备了一种新型的硫酸盐和碱共活化的三元胶凝材料。结果表明，硫酸盐活化GBFS形成的钙矾石以及碱活化GBFS生成的C（N）—A—S—H共同影响三元胶凝材料的早期和长期抗压强度，GBFS的最佳添加量为20％。WEI等^[24]利用半干法脱硫残渣（DR）和RM混合制备AACMs，前驱体中硫铝酸钙溶解释放的

与Ca²⁺反应形成石膏颗粒，石膏与凝胶基质相互填充覆盖，使得AACMs具有致密的结构，其28 d抗压强度为30~59 MPa。

1.2　耐侵蚀性

工业固废基AACMs的耐侵蚀性与基体的渗透性和孔隙率密切相关。体系内钙的含量及活性决定了基体的微观孔隙结构和渗透性。研究表明，当富钙AACMs混凝土处于H₂SO₄环境中时，钙离子会从基体中迁移出来，与硫酸根阴离子相互作用，产生沉积在固液界面的酸性石膏，影响基体周围的pH，诱导硫氧化微生物的聚集，在温度为20~30 ℃时会产生更多的硫酸对基体内层产生破坏^[25]。ZENG等^[26]研究了无钙偏高岭土基AACMs（MK-AACM）、低钙FA-AACM和富钙GBFS-AACM在模拟污水环境下的微生物诱导酸腐蚀劣化行为。结果表明，MK-AACM和FA-AACM对微生物引起的酸腐蚀抗性更强。这是因为在MK-AACM基体中，N—A—S—H不与

发生反应，只是基体碱度下降导致结构稳定性有所降低。FA-AACM基体中存在少量C—（A）—S—H与

发生反应，导致结构轻微断裂。ARIYADASA等^[27]对低钙FA基地聚合物砂浆在硫酸腐蚀作用下的宏观和微观结构演变的研究结论也验证了这一观点。而对于GBFS-AACM，C—（A）—S—H中大量的钙离子与

反应，产生大量的石膏导致结构膨胀而受到严重破坏。ASAAD等^[28]研究了MK对GBFS-AACMs砂浆抗H₂SO₄侵蚀性能的影响，发现以25％ MK替代GBFS时，砂浆的耐酸性最强。这是由于掺入MK提高了SiO₂和Al₂O₃的含量，限制了石膏的形成，减少了基体内部的裂缝。上述研究表明，向FA、GBFS等原料中掺入MK可以增加体系中的N—A—S—H凝胶，有助于提高工业固废基AACMs的抗酸腐蚀能力。

综上所述，工业固废基AACMs的耐酸侵蚀性与前驱体的钙含量或Ca/Si密切相关。无钙/低钙前驱体的水化产物主要为N—A—S—H凝胶，其抗酸性能良好。富钙前驱体的水化产物C—S—H和C—A—S—H凝胶虽能提高材料的力学性能，但在酸攻击下容易发生脱钙反应生成可溶性钙盐（CaSO₄或CaCl₂），使得基体的结构变弱，抗酸侵蚀能力下降。上述3种凝胶的耐酸腐蚀能力排序为：C—S—H<C—A—S—H<N—A—S—H。

1.3　微观结构

有关ACCMs微观结构的研究主要聚焦于反应产物的凝胶结构和矿物结构。研究发现，利用不同化学组成的工业固废作为前驱体制备的AACMs，在不同的环境下，由于体系中钙含量、Ca/Si或碱激发剂中碱金属Na的作用，会形成不同微观结构的反应产物，如C—S—H、C—A—S—H、N—A—S—H、C（N）—A—S—H等凝胶相，以及铝硅酸盐沸石类晶体、钙矾石、石膏等矿物相^[29]。这些凝胶结构和矿物结构对工业固废基碱激发胶凝材料的力学性能具有重要的影响。

在强碱性环境下，富钙原料（如GBFS）溶解产生的活性Ca²⁺与活性Si、Al反应，生成结构致密、孔隙率低、Ca/Si比高的C—S—H和C—A—S—H凝胶层^[30]，可防止OH^－和碱离子的渗透、攻击。而在低Ca含量的体系内，形成Ca/Si比或聚合度较低的多孔性凝胶产物，导致基体的抗压强度较低。一些学者的研究表明，低Ca前驱体在钠系碱性溶液中的产物主要为N—A—S—H凝胶^[31]。随着CaO含量的提高以及Ca²⁺的溶解和释放，Ca²⁺通过离子交换取代Na⁺形成C（N）—A—S—H凝胶。随着反应的继续推进，[Al（OH）₄]^－四面体取代C—S—H凝胶中的Si（OH）₄四面体，C（N）—A—S—H凝胶中的Si—O—Al键在Ca²⁺的作用下断裂，促进了C—A—S—H凝胶的产生。此时，N—A—S—H、C—S—H、C—A—S—H3种凝胶共存并相互缠绕，形成致密的微观结构。然而，当体系中Ca²⁺过量时，Ca²⁺与OH^－结合形成Ca（OH）₂沉淀并覆盖在原料表面，阻止了原料的溶解和聚合，故Ca²⁺过量时产物抗压强度降低^[32]。LUO等^[33]指出，C—A—S—H凝胶具有致密结构，而N—A—S—H凝胶具有类似沸石的多孔结构，其密度低于C—A—S—H凝胶。因此，水化产物中N—A—S—H比例越高，基体力学强度越低，C—A—S—H凝胶则更有利于增强基体的力学强度。

ZHANG等^[34]揭示了（Na+Ca）/（Si+Al）与产物微观结构的联系。当（Na+Ca）/（Si+Al）≤0.6时，Na⁺和Ca²⁺协同平衡了Al³⁺和Si⁴⁺四面体配位时产生的多余负电荷，此时水化产物主要为N—A—S—H和针状C—S—H凝胶，抗压强度较低。而当0.6<（Na+Ca）/（Si+Al）≤0.95时，随着Ca²⁺含量的增加，Si—O—Si键和O—Si—O键的聚合程度增加，Ca²⁺取代花瓣状C（N）—A—S—H凝胶中的Na⁺形成片状C—A—S—H，此时水化产物变为C—S—H和C—A—S—H凝胶，AACMs的力学性能提高。CHEN等^[22]认为，增加CaO和SO₃含量均有利于形成针状钙矾石（AFt），FA-AACMs产物中AFt和C—S—H凝胶的微观形貌如图2所示。AFt相互重叠且与周围的C—S—H凝胶紧密连接，填充了毛细孔，增加了结构密度，提高了产物的早期强度。此外，适量的CaO使得体系内产生少量能够填充基体孔隙的C—S—H凝胶，干燥收缩率降低。但是当CaO和SO₃含量过高时，针状AFt晶体在基体中形成空腔，内部膨胀应力加剧，导致AACMs强度降低。

2　铁对工业固废基AACMs的影响

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2.1　力学性能

铁（Fe）原子可以取代部分铝（Al）原子形成硅铁酸盐结构。RM、EAFS、冶炼渣（FS）等工业固废中存在较高含量的铁元素，对AACMs的聚合过程及力学性能产生影响。NIKOLIĆ等^[35]利用电弧炉粉尘（EAFD，Ca含量2.3％）替代部分EAFS（Ca含量45.9％）制备AACMs。结果表明，纯EAFS-AACMs的抗压强度为21.04 MPa，掺入7％EAFD后抗压强度下降到8.4 MPa，这主要是因为EAFD取代了部分EAFS后样品的孔隙率增加。CRISTELO等^[36]将EAFS（Fe₂O₃含量32.33％，CaO含量27％）作为前驱体，在NaOH溶液活化作用下制备AACMs。研究发现，EAFS与FA（CaO含量较低，为1.84％）以50∶50比例混合时，试样抗压强度达到最大值27 MPa，而单独使用EAFS或单独使用FA时，试样抗压强度均较低，分别为15 MPa和19 MPa。这是因为EAFS颗粒与FA混合，弥补了EAFS原料硅铝含量低及FA原料钙含量低的不足，两种原料在碱激发剂作用下发生反应，形成了聚合程度良好的C—A—S—H或C（N）—A—S—H凝胶。KENNE等^[37]研究发现，适量的Fe₂O₃有助于产生额外的成核位点，从而促进缩聚反应，提高材料的抗压强度。然而，过量的Fe₂O₃可能会导致聚合物基体内由于分布不均匀和潜在的微结构缺陷而形成较弱的区域。

上述研究表明，与富含硅铝钙元素的材料相比，较高的铁含量对AACMs的抗压强度具有不利影响。这与聚合过程中活性硅铝成分、铁的化学状态、相转变以及凝胶结构类型有关。后续章节将围绕微观结构变化进行深入分析。

2.2　耐侵蚀性

YOU等^[38]验证了利用高氧化铁含量（48.84％）和FA合成AACMs的技术可行性，发现由于氧化铁易溶于酸性环境，尽管高氧化铁含量的AACMs耐热性优于普通硅酸盐水泥（OPC），但耐酸性能不如OPC。HU等^[39]、KE等^[40]以碱热预处理后的富铁RM和FA为原料制备AACMs。研究发现，部分配位Fe³⁺转化为赤铁矿，且赤铁矿不参与聚合反应。同时，在聚合反应中，部分Fe³⁺取代了铝硅酸盐中的Al³⁺，Fe—O的键能小于Al—O，因此Fe—O键取代Al—O键的反应对RM-AACMs的长期耐侵蚀性产生负面影响。由此可知，高铁元素含量会对AACMs的耐侵蚀性产生不利影响，在对建筑材料耐酸侵蚀性要求较高的应用场景下，不建议使用富铁工业固废原料或大比例掺混无钙/低钙原料改善AACMs的耐酸侵蚀性能。

2.3　微观结构

溶解在孔隙溶液中的Fe离子会在水化反应过程中进入C—（A）—S—H凝胶，改变初始水化产物的层结构^[41]。随着铁硅比（Fe/Si）的增加，层状结构的形成受到抑制。例如，在钛铁尾矿和偏高岭土形成的AACM体系中，当铁硅比在0.05~0.31范围时，尾矿的掺入可能促进C—A—S—H层状结构向Mg—F—A—S—H三维网状结构转变^[42]。SIRAMANONT等^[43]分析了铁在C—S—H产物中的分布情况，认为体系内主要存在两种形态的铁，即顺磁Fe³⁺和聚集态的铁。当存在Fe³⁺时，Fe³⁺取代了C—S—H链或层间的Ca²⁺，导致合成C—S—H的钙硅比略有下降，进而影响C—S—H结构的密实度。ADEDIRAN等^[44]的研究也印证了这一观点，指出单一炉渣基AACMs体系中，主要形成的是硅酸铁钠（N—F—S）凝胶，这种凝胶的密度小于钢仓渣高炉渣（LS-BFS）复合材料中的C—A—S—H和C（N）—A—S—H凝胶，因此，单一炉渣基AACMs的微观孔隙更大。

此外，体系内还可能产生含铁二次相（如含铁硅质水榴石，Ca₃Fe（SiO₄）_0.84（OH）_4.32），其产生主要取决于Fe³⁺的浓度和溶液的pH。这一研究结论为进一步探讨工业固废中铁对C—S—H凝胶结构及产物早期性能的影响提供了理论依据。YU等^[45]向MK-AACMs体系中加入氯化铁溶液作为铁源，发现2.0％铁含量是孔隙变化的一个阈值，铁含量低于2.0％时，碱度变化对缩合反应和孔隙大小的影响不明显。而当铁含量大于2.0％时，在高碱性环境中，体系内产生水合氧化铁等含铁氢氧化物，该反应消耗了大量OH^－，导致体系的碱度及聚合反应物的浓度降低，缩合反应时间延长，聚合反应程度下降，从而导致基体孔隙增大。

3　氯对工业固废基AACMs的影响

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3.1　耐侵蚀性

抗氯离子侵蚀性是将ACCMs应用于建筑、桥梁领域时必须要考虑的一项性能，特别是在沿海区域和重度盐碱地带。工业固废基AACMs在Cl^－环境中的抗侵蚀性能因Cl^－加入体系的过程不同而有所差异。一些学者选择将试样浸泡于NaCl溶液中。例如，SUKONTASUKKUL等^[46]利用高钙FA制备AACMs，将样品浸泡在5％ NaCl溶液中120 d，结果发现样品的质量和抗压强度均无影响。JIAO等^[47]研究了C级和F级FA-AACMs的抗氯离子腐蚀性能，发现低强度的C级FA-AACMs试样的抗氯离子性能最好，另外一种氯离子侵入途径是通过被污染的水、骨料和含氯外加剂进入AACMs混凝土结构。PRUSTY等^[48]研究了NaCl添加量及浓度对100％FA和FA/GBFS（85％/15％）共混的AACM混凝土短期和长期抗压强度的影响。结果表明，当混合料中含有NaCl时，FA/GBFS-AACM混凝土抗氯离子的侵蚀性能优于FA-AACM。

此外，FU等^[49]研究了不同碱性阳离子（Na⁺和K⁺）对FA-AACM与MK-AACM氯离子结合能力和抗氯离子渗透性能的影响，结果表明，Na基激发剂的强度发展更高、氯离子结合能力更强、抗氯离子渗透能力更好。这可能是因为（N）—A—S—H结构中有高比例的羟基可与氯离子交换。

ACCMs的抗氯离子渗透能力受其骨架的氯离子结合能力和孔隙结构的影响，此外，碱性阳离子的类型对ACCMs的氯离子结合能力和抗氯离子渗透能力也有显著影响。

3.2　微观结构

JIAO等^[47]发现FA-ACCMs砂浆浸泡于NaCl溶液后，体系内形成了方解石，方解石的形成有利于改善孔隙结构，使得孔隙结构被水化产物填充，无害孔隙率增加，有害孔隙率减少，从而有效阻挡了Cl^－的侵入。MAYHOUB等^[50]发现FA-AACMs内同时存在C—S—H和N—A—S—H凝胶，在持续凝胶化的过程中，基体结构逐渐致密化，减少了孔隙空间，降低了Cl^－的扩散率，进而有效防止了Cl^－侵入。而体系内添加了NaCl的AACMs的耐侵蚀性能不佳，这是因为AACMs中的地聚合反应受到了Cl^－结晶的抑制作用，抗压强度随着NaCl浓度的增加而降低。REN等^[51]使用海水制备矿渣基AACMs，通过SEM观测到微观结构中存在结晶类沉淀物和未水化的矿渣颗粒，推测是由于海水中含有Mg²⁺、Na⁺、Cl^－和

离子，使体系内新产生了水镁石、岩盐、石膏等结晶相以及Cl^－水铝钙石和Cl^－水滑石的结合相，这些物质会阻碍矿渣颗粒的水化过程，延长固化时间，导致产物凝胶结构的致密程度较低，进而对基体的长期抗侵蚀性产生不利影响。

4　镁对工业固废基AACMs的影响

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硫酸镁（MgSO₄）是海水中的一种重要成分，来源于陆地岩石风化和河流夹带，在一些特殊海洋环境中，硫酸镁的浓度较高。硫酸钠（Na₂SO₄）也是海水中的重要成分之一，主要来源于盐湖、地下岩层、火山喷发等。研究表明，AACMs在含有

离子的溶液中发生降解反应的机理与阳离子种类有关。YANG等^[52]研究发现，与Na₂SO₄相比，AACMs更容易受到MgSO₄的侵蚀。在Na₂SO₄溶液中，AACMs基体仅受到

离子的侵蚀而产生钙矾石（AFt）产物，但是在MgSO₄溶液中，Mg²⁺和

都能引起AACMs的结构损伤，一方面Ca²⁺与

反应形成膨胀石膏，引起结构退化，另一方面，C—A—S—H凝胶中的钙被镁所取代，形成了具有纤维性和非胶凝性的镁铝硅酸盐水合物（M—A—S—H），降低了产物刚度和强度，降解机制如图3所示。由图3可知，AACMs浸泡在MgSO₄溶液中时，C—A—S—H凝胶结构会转变为M—A—S—H凝胶结构，而在Na₂SO₄溶液中则不发生这个反应。此外，FA-AACMs浸没在MgSO₄溶液中120 d后，质量降低了约0.83％~0.98％，抗压强度降低了约12.1％~15.8％，且样品表面产生了MgAl₂（SO₄）₄•22 H₂O白色晶体沉积^[53]。

5　结论与展望

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5.1　结论

本文重点概述了Ca、S、Fe、Cl、Mg等元素对工业固废基AACMs力学性能、耐侵蚀性能及微观结构的影响，得到以下主要研究结论。

（1）Ca、S在AACMs体系中的协同作用使反应过程复杂化；无钙/低钙AACMs的抗酸性能良好，而富钙AACMs容易在酸攻击下发生脱钙反应使得结构强度变弱；当CaO和SO₃含量过高时，体系内部膨胀应力加剧，AACMs强度降低。

（2）Fe离子的存在会改变初始水化产物的层结构，与富含硅铝钙元素的材料相比，较高的铁含量对AACMs的抗压强度和耐侵蚀性具有不利影响。这与聚合过程中活性硅铝成分、铁的化学状态及键能、相转变及凝胶结构类型有关。

（3）ACCMs的抗氯离子渗透能力与其骨架的氯离子结合能力、体系内是否含有氯以及孔隙结构有关，同时碱性阳离子类型决定了ACCMs的凝胶结构类型，进而对其耐侵蚀性能产生影响。

5.2　展望

由于不同来源的工业固废成分差别较大，在工业化应用方向上仍然面临成分的活性激发不彻底、复杂应用环境下多元素作用机制不清楚等问题，因此需要从以下几方面继续开展深入探究。

（1）探索Si/Al与铁元素的相互作用机理，深入探究不同体系内化学元素的存在形态、矿物学性质对AACMs水化过程及各项性能的影响机制。

（2）在氯化物、硫酸盐致腐蚀方面，深入开展Cl^－和SO₄^2－在AACMs混凝土中的长期扩散试验研究，深入分析Cl^－和SO₄^2－在AACMs混凝土与OPC混凝土基体中的相互作用机制。

（3）借助分子动力学模拟和统计学相结合的方法，洞察不同相界面区的分子结构和动力学特征，从纳米尺度进一步探究铝硅酸盐聚合物的聚合机理，推断微观结构与宏观性能之间的关系。从多尺度探究反应单体的聚合行为，获取反应热力学及动力学信息，建立合理、准确、全面的分子动力学模型，为开发性能优异的工业固废基AACMs提供理论指导。

（4）固废基AACMs由于原料类型的差异，其微观结构、聚合物成分和宏观性能有所不同。未来应以提高其工程应用性能为目标，充分评估各类AACMs应用于不同场景下的潜质。在建筑与道路工程、矿山充填、废水治理等领域因地制宜地开发固废基AACMs是今后的研究重点。同时，通过不断改进合成工艺和固化条件，寻求性能缺陷最小化和工业固废资源化利用率最大化的最佳解决方案。

基金

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黑龙江省科学院科学研究基金项目(KY2023NY01)
黑龙江省省属科研院所科研业务费项目(CZKYF2023-1-C036)

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文献

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2025年第45卷第12期

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接收时间：2025-01-07
首发时间：2026-10-28
出版时间：2025-12-25

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作者

出版历史

收稿日期：2025-01-07

基金

黑龙江省科学院科学研究基金项目(KY2023NY01)

黑龙江省省属科研院所科研业务费项目(CZKYF2023-1-C036)

作者信息

黑龙江省能源环境研究院黑龙江省燃油燃煤清洁能源重点实验室，黑龙江哈尔滨　150090

通讯作者:

张玥（1984—），女，黑龙江哈尔滨人，硕士，副研究员，主要从事固体废弃物资源化综合利用方面的研究工作。E-mail：zy_nyy@163.com

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kyyjykf/CN/1322164954321502509

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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