超高性能混凝土（UHPC）中超细矿渣的可持续增值：一种兼具协同安全效益的废物回收策略

《Process Safety and Environmental Protection》：Sustainable Valorization of Ultrafine Slag in Ultra-High Performance Concrete (UHPC): A Waste Recycling Strategy with Synergistic Safety Benefits

工业固废资源化利用与超高性能混凝土性能协同机制研究，系统探讨超细矿渣（UFS）替代硅灰（SF）对UHPC工作性、抗压强度及自收缩的调控机理，揭示其物理优化与化学协同作用的三阶段发展规律。

　　

王迅|张国生|单义晨|翁永峰|庄世宇|冷震

清华大学土木工程系，中国北京

摘要

工业副产品的再利用对于可持续的工艺工程至关重要。虽然硅灰（SF）是超高性能混凝土（UHPC）的传统成分，但其应用受到高成本、分散困难以及自收缩引发的安全风险的限制。为了通过废物回收策略解决这些问题，本研究通过流变学、水化动力学和微观结构分析，系统地研究了超细矿渣（UFS）作为SF的可持续替代品的潜力。研究发现，UFS的贡献在于物理优化和化学反应性的协同作用。从物理角度来看，其优异的分散性和填充效果改善了浆体的流变性能，并形成了更均匀的微观结构，减轻了SF团簇典型的局部缺陷。从化学角度来看，UFS中丰富的铝成分促进了C-A-S-H凝胶的形成，使其具有更高的聚合度，从而形成了长链分子结构。这与SF产生的短链C-S-H凝胶形成对比，决定了不同的微观结构精细化路径。本研究建立了一个三阶段模型来描述这一过程：初始的物理控制阶段（持续12小时）；主要由火山灰活性和潜在水化机制驱动的主反应阶段（12至28天）；以及反应性逐渐减弱的最终阶段（超过28天）。因此，用UFS替代SF可以生产出工作性能优异、28天抗压强度超过120 MPa的UHPC，并显著降低自收缩率（最多可减少51.97%），从而通过减轻开裂风险带来协同的安全效益。这些发现为新型可持续UHPC系统的性能导向设计奠定了理论基础，该系统将废物管理与工程安全性相结合。

引言

随着全球对工业可持续性的关注日益增加，建筑材料行业正在积极转向生态高效的废物利用。开发含有大量工业副产品的低碳水泥基材料是环境保护的关键策略。与此同时，现代结构工程越来越需要极高的机械性能。为了满足现代基础设施和建筑日益严格的要求，超高性能混凝土（UHPC）作为一种革命性材料应运而生。UHPC具有致密的基质、低水灰比，并加入了硅灰（SF）和纤维，表现出卓越的强度、耐久性和韧性。因此，它已被广泛应用于长跨度桥梁、基础工程和建筑装饰元素中（Cao等人，2023年；Qin等人，2023年；Pereiro-Barceló等人，2022年；Yuan等人，2023年；Yuan等人，2024年；He等人，2026年；Huang等人，2023年）。它对恶劣环境的出色抵抗力使其适用于海洋应用（Fan等人，2024年；Li等人，2019年；Bae和Pyo，2020年；Lu等人，2022年），而其纤维增强的韧性则为爆炸和地震等极端条件提供了巨大潜力（Zhang等人，2024年；Liu等人，2024年；He等人，2023年；Zhao等人，2025年）。

SF是UHPC中最广泛使用的辅助胶凝材料（SCM）（Anish等人，2023年；Zhao等人，2023年）。SF作为工业硅和硅铁冶炼的副产品产生，通常含有90-95%的SiO₂，由粒径在0.1至2 μm之间的超细颗粒组成（Ji等人，2024a）。这些特性使SF在UHPC中既具有物理作用也具有化学作用：从物理上讲，细颗粒填充了基质中的空隙，提高了堆积密度（Zhang等人，2016a；Siddique，2011年）；从化学上讲，高含量的非晶态SiO₂赋予了强烈的火山灰活性，使SF能够消耗氢氧化钙（CH）并形成额外的C-S-H凝胶，从而细化了孔结构（Zhang等人，2016b；Agarwal，2006年；Suraneni和Weiss，2017年）。尽管有这些优点，SF也存在显著的缺点。其超细颗粒容易聚集，形成削弱强度的薄弱区域；其较大的比表面积加速了流体流失；其使用显著增加了自收缩率（Mao等人，2024年；Diamond等人，2004年；Mazloom等人，2004年；Amin等人，2022年；Liu等人，2020年；Yang等人，2019年；Zhang等人，2003年；Zeng等人，2024年）。值得注意的是，尽管已经开发了先进的元模型技术（Emad等人，2022年）和软计算模型（Mohammed等人，2023年）来预测不同配合比和养护温度下的UHPC强度（Hassan等人，2021年），但SF聚集引起的局部微观结构缺陷常常导致这些理想化的宏观预测出现偏差。此外，SF成本的上升和有限的地理供应进一步凸显了寻找替代材料的必要性。

作为工业固体废物管理的一种极具前景的策略，将普通高炉矿渣深度加工成超细矿渣（UFS）引起了广泛关注（Shan等人，2025年；Liu等人，2025年；Shan等人，2023年；Zhuang等人，2023年）。与传统应用相比，将矿渣转化为UFS代表了更有效的资源化途径。作为一种广泛可用的回收资源，当UFS用于替代SF时，有潜力减少UHPC的环境足迹（Ji等人，2024a）。从材料角度来看，UFS在理论上具有优势。其粒径分布与SF不同，可能提高堆积密度（Zhou等人，2022年；Yang等人，2021年）。从化学角度来看，UFS的玻璃态结构含有反应性的Ca、Al和Si，可以产生潜在的水化活性，可能形成额外的C-(A)-S-H凝胶（Zheng等人，2025a；Zheng等人，2025b）。这些特性表明，UFS在UHPC中的反应机制可能与SF不同。值得注意的是，由于UFS的反应动力学通常比高度活性的SF慢，其加入有望减轻UHPC固有的严重自收缩。因此，这种替代方案为实现高效废物资源化与结构安全性的关键要求提供了可行的途径。尽管多项研究证实了UFS对一般水泥基材料的积极影响，但对其在UHPC系统中作用的系统研究仍然有限，特别是在将固体废物利用与性能优化相结合方面。关于UFS如何在微观尺度上改变水化动力学以及这些变化如何转化为宏观尺度的收缩风险控制方面，还存在重要的知识空白。目前尚不清楚这种替代策略是否能够在不损害机械完整性的前提下，同时实现环境效益和工业适用性。

为了填补这一空白，本研究提出了一种基于废物回收的UHPC设计策略。通过用不同细度的UFS替代SF，旨在建立一个新型的、低碳的、可持续的水泥基系统。研究框架侧重于环境可持续性，分析了从物理堆积到化学反应的UFS机制。具体而言，本研究通过评估其在减轻自收缩和降低开裂风险方面的有效性，来评估这一策略的潜在安全效益。这些发现旨在为工业副产品在先进材料中的高价值再利用提供理论基础，展示了迈向绿色工艺工程的可行途径。

部分摘录

原材料

本研究中使用的波特兰水泥是由安徽省宁国市海诺水泥有限公司生产的52.5级水泥。SF由河南省巩义市的博润铸造材料有限公司提供。两种类型的UFS由武汉的Vcem技术发展有限公司提供。为便于参考，这两种UFS类型分别称为UFS A和UFS B。

水泥、SF、UFS A和UFS B的粒径分布如图1所示。

水化热

图5显示了每种混合物在前三天的热量释放率和累积水化热。与SF相比，加入UFS延迟了第二个放热峰的出现，并略微降低了其强度，降幅范围为0.58%至5.26%。当UFS的用量从10%增加到20%时，这种延迟效应更加明显，导致额外的延迟和峰值的幅度降低了0.9%–5.04%。特别是在最初的12小时内

主要发现

本研究开发了一种绿色工艺工程策略，用于在UHPC中利用超细矿渣（UFS），系统地阐明了这种替代方式如何弥合废物回收与结构安全之间的差距。通过结合多尺度表征和宏观性能测试，本研究明确了UFS在提高可加工性和尺寸稳定性方面的作用。主要结论如下。

(1)

UFS在UHPC中的贡献表现为物理优化和化学反应性的协同作用

CRediT作者贡献声明

庄世宇：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。翁永峰：研究。单义晨：软件开发，研究。张国生：方法论，研究。冷震：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。王迅：撰写 – 原初草稿，方法论，研究。

利益冲突声明

不存在利益冲突。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52408276）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。