工业固废 “变废为宝”：赤泥基充填材料的创新性研究

工业固废 “变废为宝”：赤泥基充填材料的创新性研究

在有色金属冶金产业快速发展的背景下，工业固废堆积与地下采空区塌陷风险已成为制约产业升级与生态安全的关键难题。《Chemical Engineering Journal》（2025 年，519 卷）刊发的一项研究，以赤泥（铝工业废渣）、粉煤灰、脱硫石膏为复合前驱体，成功合成新型赤泥基充填材料（RFM），为多源工业固废资源化利用与地下空间安全治理提供了科学方案。本文将从科学视角详细解析这项研究的核心价值与技术突破。

一、研究背景与核心目标

1. 行业痛点：固废堆积与采空区隐患双重压力

全球赤泥累计堆积量超 40 亿吨，年排放量近 1.5 亿吨，其高碱性、重金属潜在风险等特性导致规模化利用难度极大；燃煤电厂每年产生海量粉煤灰（2023 年中国约 8.99 亿吨）与脱硫石膏（约 1 亿吨），传统堆存方式占用土地且污染环境；

地下采矿形成的采空区易引发塌陷，传统充填材料（如波特兰水泥）存在碳排放高、成本高、凝结不稳定等问题。

2. 研究目标

通过优化固废配比（脱硫石膏 FGD、固体添加剂 SA 含量及 Ca/Si 比），阐明赤泥基充填材料的反应机理，同步提升材料机械性能与环境安全性，实现 “固废消纳 - 采空区治理” 的双重目标。

二、实验设计：科学调控与系统表征

1. 原料体系

以山西吕梁山地区铝厂赤泥（RM）、燃煤电厂粉煤灰（FA）和脱硫石膏（FGD）为核心原料，搭配氧化钙基固体添加剂（SA）与有机聚合物液体添加剂，形成四元复合体系。

 

2. 关键变量与制备流程

· 控制变量：FGD 含量（6%、8%、10%）、SA 含量（10%、12%、14%），计算不同配比下的 Ca/Si 比（0.48-0.64）；

· 制备工艺：原料混合→水溶液搅拌（分阶段调控转速）→标准模具浇筑→20℃、95% 湿度养护（3、7、28 天）。

3. 表征手段

通过单轴抗压强度（UCS）测试、等温量热仪、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜 - 能谱（SEM-EDS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等技术，全面分析材料的机械性能、反应动力学、微观结构与环境安全性。

 

三、核心研究结果：性能突破与机理阐明

1. 机械性能：配比优化实现强度飞跃

· 抗压强度显著提升：当 FGD 含量从 6% 增至 8%、SA 含量从 10% 增至 14% 时，28 天抗压强度从 2.3MPa 提升至 6.9MPa，较传统赤泥基材料最优值提升 21%；

· 强度增长规律：SA 含量每提升 2%，强度平均增长 52.79%；FGD 含量在 6%-8% 区间每提升 2%，强度平均增长 45.18%，但超过 8% 后强度呈下降趋势（因与其他组分相互作用抑制反应）；

· 凝结时间可控：FGD 对凝结时间影响最显著，含量从 6% 增至 14% 时，初始凝结时间从 200min 缩短至 45min（降幅 75.5%），16% FGD 会导致 “瞬时凝结”（无法工程应用）；SA 含量低于 2% 时材料无法凝结，最优范围为 10%-14%。

2. 反应机理：五阶段演化与关键产物形成

· 反应阶段划分：通过量热分析明确反应分为五个阶段 —— 溶解期（0-0.3h，离子快速溶解放热）、反应期（0.3-0.7h，水化反应启动）、诱导期（0.7-1h，反应速率降至零，维持浆体流动性）、慢速反应期（1-24h，生成水化产物，强度快速发展）、平衡期（24h 后，反应达到稳定）；

· 核心水化产物：XRD 与 XPS 证实，反应生成钙矾石（AFt）、水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝硅酸钙（C-A-S-H）凝胶，其中 Ca、Si、Al 元素化学键重组是强度提升的关键；

· 热稳定性：1180℃以上材料质量稳定，95-150℃区间出现显著质量损失（归因于钙矾石和 C-(A)-S-H 凝胶的结晶水脱除）。

3. 微观结构：从 “分散” 到 “致密” 的演化

· SEM 观察显示：低配比（如 RFM8_10）材料呈孤立网状结构，而最优配比（RFM8_14）形成致密的簇状结构；

· 结构标识：针状结构为钙矾石（AFt），簇状结构为结合 Na?的 C-S-H/C-A-S-H 凝胶；Ca/Si 比低于 0.64 时，凝胶结构发育更充分，显著填充孔隙提升致密性。

4. 环境性能：重金属与钠的高效固定

· 重金属浸出风险极低：Cr、Zn、Pb、Ni、As 的浸出率均低于 3.27‰，其中 Cr（VI）被还原为低毒性 Cr（III），Zn、Pb 以氢氧化物形式沉淀，被水化产物网络物理包裹与化学固定；

· 高钠问题解决：赤泥中钠含量高达 38600mg/kg，而 RFM 可固定 99.54% 以上的钠，通过晶格取代将钠整合进水化产物晶体结构，避免碱污染。

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四、研究意义与应用前景

1. 科学创新价值

· 首次系统阐明赤泥 - 粉煤灰 - 脱硫石膏复合体系的五阶段反应机理，明确最优配比（RFM8_14：FGD 8%、SA 14%）；

· 建立 “固废配比 - 微观结构 - 宏观性能 - 环境安全性” 的关联机制，为工业固废基充填材料设计提供理论依据。

2. 工程与生态价值

· 固废资源化率高：材料中赤泥占比可达 50%，同步消纳粉煤灰、脱硫石膏，实现 “一料多消”；

· 替代传统高碳材料：降低充填工程碳排放与成本，解决地下采空区塌陷隐患；

· 环境友好：重金属与钠的高效固定，避免二次污染，符合 “双碳” 与生态保护政策。

3. 应用场景

可广泛用于有色金属矿山、煤矿地下采空区回填，公路路基充填等工程，尤其适用于高固废排放量地区的生态治理与工程安全保障。