一項(xiàng)發(fā)表于《Case Studies in Construction Materials》的研究顯示，將鋼渣、磷渣與自燃煤矸石三種工業(yè)廢渣復(fù)配，可替代近三分之一波特蘭水泥，制成成本更低且強(qiáng)度更高的膠凝材料。由商云志、張彥年等人組成的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)替代率達(dá)到30%時(shí)，該混合材料的28天抗壓強(qiáng)度可達(dá)普通水泥的91.63%，每噸材料成本降低約27%，并在單位強(qiáng)度的碳排放與成本指標(biāo)上表現(xiàn)Zui優(yōu)。

鋼渣作為煉鋼副產(chǎn)物富含鈣質(zhì)，但在常溫下水化速度極慢，單獨(dú)使用會(huì)導(dǎo)致早期強(qiáng)度嚴(yán)重不足，直接摻入水泥中往往僅起稀釋作用。研究團(tuán)隊(duì)采取化學(xué)平衡策略：鋼渣提供鈣源與堿性環(huán)境，磷渣（冶煉玻璃態(tài)廢渣）補(bǔ)充缺失的硅酸鹽，自燃煤矸石（礦井自燃形成的多孔廢渣）則提供活性硅鋁以消耗氫氧化鈣并形成復(fù)合凝膠。然而各組分各有短板，磷渣易顯著延緩凝結(jié)時(shí)間，煤矸石的高孔隙率則會(huì)大量吸水并降低新拌砂漿的工作性。

在未添加任何化學(xué)激發(fā)劑的條件下，團(tuán)隊(duì)通過(guò)單摻、雙摻與三摻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)尋找配比。單摻30%鋼渣使28天強(qiáng)度降至32.39兆帕（活性指數(shù)僅66%）；引入單一輔助廢渣可將強(qiáng)度恢復(fù)至約40兆帕；而按鋼渣:磷渣:煤矸石=7:1:2復(fù)配的P-12配方，強(qiáng)度躍升至44.89兆帕，較單摻方案強(qiáng)38.59%，同時(shí)保持195毫米的良好流動(dòng)度。實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)度并非隨單一成分增加而單調(diào)上升，過(guò)量的磷渣會(huì)大幅延長(zhǎng)初凝時(shí)間，而過(guò)多的煤矸石則會(huì)因吸水拖垮流動(dòng)性，組分比例窗口比單一廢渣用量更為關(guān)鍵。

熱重分析、X射線衍射與掃描電鏡等微觀表征揭示了其強(qiáng)化機(jī)制：強(qiáng)度Zui高的P-12并非消耗氫氧化鈣Zui多或結(jié)合水Zui多的體系，而是構(gòu)建了更致密、連續(xù)的微觀結(jié)構(gòu)。電鏡圖像顯示，水化生成的絲狀鈣礬石晶體與凝膠狀水化硅酸鈣（C-S-H）、水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H）交織包裹在殘余顆粒周圍，能譜證實(shí)了鈣、硅、鋁、硫元素的共存。這印證了水泥化學(xué)界的共識(shí)：強(qiáng)度取決于水化產(chǎn)物在孔隙空間中的分布效率及其構(gòu)建的承載網(wǎng)絡(luò)，而非單一指標(biāo)的極值。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步測(cè)試了35%與40%的替代率，結(jié)果強(qiáng)度分別降至35.85兆帕與30.52兆帕，水泥效率下降約14%與21%。這是因?yàn)槭炝纤峁┰缙诠羌芗膀?qū)動(dòng)二次反應(yīng)的氫氧化鈣，熟料供給不足時(shí)，即便廢渣配比完美也無(wú)法完全補(bǔ)償。因此，30%被視為該配方的實(shí)際替代上限。盡管即使替代40%時(shí)水泥效率仍略高于純水泥，證明廢渣仍在發(fā)揮化學(xué)作用，但數(shù)字明確劃定了當(dāng)前工藝的邊界。

在可持續(xù)性核算方面，普通水泥每噸排放約735千克二氧化碳，而所有摻合料混合物均降至約540千克。但單摻廢渣因強(qiáng)度驟降，導(dǎo)致單位強(qiáng)度碳排放反而高于基準(zhǔn)線，凸顯若需更多材料才能達(dá)標(biāo)，綠色混凝土便失去意義。P-12成功規(guī)避此陷阱，實(shí)現(xiàn)單位強(qiáng)度全球變暖潛勢(shì)Zui低（12.04千克二氧化碳/噸·兆帕）與單位強(qiáng)度成本Zui低（6.14元/噸·兆帕），材料成本僅比單摻方案高0.77%，卻多出38.59%的強(qiáng)度。

該研究指出，在全球水泥行業(yè)尋求熟料替代的背景下，單純追求廢渣高摻量以降低紙面排放的邏輯存在缺陷。工業(yè)廢渣并非可互換的填充物，而是化學(xué)成分各異的參與者，必須協(xié)同調(diào)控其鈣、硅、鋁預(yù)算，使水化產(chǎn)物相互咬合而非分離。作者提醒，該配方的長(zhǎng)期耐久性、體積穩(wěn)定性、浸出行為及現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模試驗(yàn)仍有待驗(yàn)證，不同來(lái)源廢渣的成分波動(dòng)也需持續(xù)優(yōu)化。但作為概念驗(yàn)證，將冶金與采礦廢料轉(zhuǎn)化為性能媲美傳統(tǒng)水泥、成本節(jié)約逾四分之一且強(qiáng)度保留超九成的膠凝材料，為建筑行業(yè)原材料的綠色轉(zhuǎn)型提供了切實(shí)路徑。

資料來(lái)源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-16。本文為資料編譯。