《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：High-Performance Mortars Incorporating Copper-Molybdenum Mine Tailings: Mechanical and Durability Characteristics
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本研究聚焦于矿业废料资源化利用，探讨了如何将铜钼矿尾矿(CMT)应用于高性能砂浆(HPM)。研究者通过两条路径（机械活化CMT替代0-40%水泥，天然级配CMT替代0-40%细骨料）评估了CMT的性能。结果表明，以SCM（辅助性胶凝材料）使用时，10%掺量的CMT可提升28天抗压强度至90 MPa，40%掺量时RCPT（快速氯离子渗透测试）值降至84 C（极低渗透等级），可渗透孔隙体积降低54%，显著提升了耐久性。该研究为矿业尾矿在建材领域的资源化、高性能化应用提供了重要科学依据。
矿业活动，特别是金属矿开采，在为人类社会提供必需资源的同时，也产生了一种巨大的副产品——尾矿。这些细颗粒的矿石加工残余物，每年以惊人的速度（全球年产量超200亿吨）积累，占用着广阔的土地，并带来了粉尘、酸性排放、金属浸出等一系列环境挑战。在众多尾矿中，金属矿尾矿占了近90%的质量份额，而铜钼矿尾矿（CMT）是其中重要的组成部分。如何安全、有效地处置和利用这些巨量的工业废弃物，已成为全球矿业和环保领域共同关注的难题。与此同时，在建筑材料领域，尤其是在追求高强度、高耐久性的高性能混凝土(HPC)和高性能砂浆(HPM)中，对传统胶凝材料（如水泥）和天然骨料的巨大需求不仅消耗了大量自然资源，也伴随着显著的碳排放。于是，一个巧妙的构想应运而生：能否将这些被视为“负担”的尾矿，转化为高性能建材中的“宝藏”，替代部分水泥或骨料，实现“变废为宝”，在解决环境问题的同时，促进建筑材料的可持续发展？
为探究这一可能性，来自不列颠哥伦比亚大学的研究人员Dima M. Kanaan和M. Shahria Alam开展了一项系统研究，评估了铜钼矿尾矿在高性能砂浆中的应用潜力。他们从两个核心利用途径入手：一是将经过机械活化的CMT作为辅助性胶凝材料(SCM)，按质量替代0%、10%、20%、30%和40%的普通硅酸盐水泥(GU型)；二是将天然级配的CMT作为细骨料替代品，以相同比例替代天然河砂。所有砂浆配合比均设计为恒定的水胶比(w/cm=0.32)，以无CMT的配比作为基准对照。研究不仅评估了硬化砂浆的力学性能（如抗压强度、超声波脉冲速度(UPV)），还深入分析了其耐久性，包括快速氯离子渗透性(RCP)、毛细吸水率(初始Si和次级Ss)以及可渗透孔隙体积(PP)。此外，还通过X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA/DTG)、扫描电子显微镜/能谱分析(SEM/EDS)等手段，对水化产物的物相组成和微观结构进行了表征，并将所有结果整合到一个多标准性能指数(PI)中，以便对不同配比的砂浆进行整体比较。
这项研究于2026年发表在《Cement and Concrete Composites》期刊上，其核心结论令人振奋。研究发现，CMT在两种利用途径中都展现出了可观的前景。当作为SCM使用时，其表现尤为出色：在10%的替代率下，28天抗压强度达到了90兆帕(MPa)，显著高于对照组。随着CMT掺量的增加，砂浆的耐久性指标得到了持续且大幅的改善。在40%替代率下，RCPT测试的累积电荷通量从对照组的2800库仑(C)急剧降至84 C，达到了“极低”的氯离子渗透等级；可渗透孔隙体积减少了54%；初始和次级毛细吸水率也分别显著降低了81%和53%。微观结构分析表明，随着CMT掺量和养护龄期的增加，氢氧化钙(CH)的含量减少，在低掺量时主要以填充和成核效应为主，而在30%及以上掺量时，可以观察到可测量的火山灰反应消耗CH，并使得骨料与水泥浆体之间的界面过渡区(ITZ)得到细化。当作为细骨料替代品时，在10-20%的替代率下，如果混合骨料的颗粒级配满足CSA（加拿大标准协会）的标准限值，砂浆的强度和UPV均有所改善。但当替代率超过20%时，会导致细颗粒过多富集，增加次级吸水率，从而降低其效益。综合各项指标的性能指数分析建议，对于以强度为首要目标的工程，10%的CMT作为SCM是最优选择；而对于追求耐久性的工程，30-40%的替代率则更为合适。这些结果为CMT作为高性能砂浆中一种可行的SCM提供了有力支持，并强调了在进行骨料替代时，控制颗粒级配至关重要。研究人员也建议，在工程应用前，还需进行补充的电学性能和浸出性评估。
为了开展这项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先是系统的材料表征，包括对原始CMT的化学组成、矿物相、颗粒形貌和粒径分布进行分析，并对用作SCM的CMT进行行星式球磨以提升其火山灰活性。其次，研究人员设计了两个系列（水泥替代系列TBC和细骨料替代系列TBS）的砂浆配合比，并在低水胶比(0.32)下制备高性能砂浆。在硬化性能评估方面，采用了抗压强度测试、超声波脉冲速度测试、快速氯离子渗透测试、毛细吸水测试和可渗透孔隙体积测试等一系列标准实验方法。最后，通过X射线衍射、热重/微分热重分析和扫描电子显微镜/能谱分析，对水化产物的物相演变和微观结构进行了深入表征，以建立“组成-微观结构-性能”之间的关联。
研究结果
3.1. 修正的火山灰活性指数
通过修正的强度活性指数(SAI)评估了CMT的火山灰活性。在固定水胶比条件下，当CMT作为水泥替代材料时，在10%掺量下，7天和28天的SAI分别达到了对照组的117.8%和121.6%；即使在20-40%的掺量下，28天SAI也仍高于100%（106.7-117.6%）。这表明机械活化的CMT具有明显的火山灰反应性。然而，当CMT作为细骨料替代时，砂浆的强度指数（非标准SAI）随着掺量增加而显著下降，在40%掺量时，28天强度仅为对照组的44.4%。这主要是由于CMT的超细颗粒破坏了骨料的级配，增加了需水量，导致浆体-骨料界面变弱。
3.2. 强度随龄期的发展
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抗压强度：当CMT作为水泥替代品时，10%掺量的砂浆在7天和28天分别达到了86.0 MPa和90.0 MPa的强度，展现出显著的增强效应。虽然更高的替代率会因水泥稀释而导致早期强度降低，但长期强度发展依然显著，例如TBC-40%在7到28天间的强度增益达到17%。
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超声波脉冲速度(UPV)：所有含CMT砂浆的UPV值在4315-4378 m/s之间，与对照组(4233-4283 m/s)相当或略高，表明其内部结构致密，质量评级为“良好”至“优异”。
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作为骨料替代的强度：在10%替代率下，砂浆强度（73.0 MPa）和UPV（4454 m/s）均优于对照组，此时混合骨料级配基本满足CSA要求。但当替代率升至20%及以上时，由于级配偏离标准，尤其是细颗粒富集，其性能增益开始减弱甚至下降。
3.3. 传输性能与孔结构
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氯离子渗透性(RCP)：CMT作为SCM使用时，能极大降低砂浆的氯离子渗透性。在40%掺量下，RCP值从对照组的2800 C（中等渗透性）大幅降至84 C（可忽略渗透性）。
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毛细吸水率(Sorptivity)：随着CMT（SCM）掺量增加，砂浆的初始(Si)和次级(Ss)吸水率均显著下降，在40%掺量时降幅分别达81%和53%。
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可渗透孔隙体积(PP)：作为SCM的CMT能有效降低砂浆的孔隙率，在40%掺量下，PP体积从对照组的11.63%降至5.3%，降幅达54%。
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作为骨料替代的传输性能：在10%替代率下，砂浆的RCP和PP等指标也有明显改善。但替代率超过20%后，由于级配劣化，性能提升不再显著，甚至次级吸水率(Ss)会随着CMT掺量增加而上升。
3.4. 微观结构分析
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X射线衍射(XRD)：XRD图谱显示，随着CMT（作为SCM）掺量的增加，水化产物氢氧化钙(CH)的衍射峰强度逐渐减弱，表明CH被火山灰反应所消耗。
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热重分析(TGA)与水化指数：TGA/DTG分析定量证实了CH含量的减少。计算得到的水化指数(DoH)显示，在低CMT掺量(10-20%)下，以水泥为基准的DoH有所增加，这归因于CMT的成核和填充效应促进了水泥水化。在更高掺量(30-40%)下，尽管水泥被稀释，但DoH*仍保持较高水平，这得益于CMT的火山灰反应产生了额外的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，补偿了因水泥减少而损失的水化产物。
结论与重要意义
本研究系统评估了铜钼矿尾矿(CMT)在低水胶比(0.32)高性能砂浆中的两种资源化利用途径。主要结论可归纳为以下几点：
- 1.
作为辅助性胶凝材料(SCM)性能卓越：机械活化的CMT表现出显著的火山灰活性。在10%掺量下，砂浆28天抗压强度达到峰值（90 MPa），超过了对照组。更重要的是，CMT的掺入极大改善了砂浆的耐久性。随着掺量从0%增至40%，氯离子渗透性从“中等”急剧下降至“可忽略”等级，可渗透孔隙体积减少了54%，毛细吸水率也大幅降低。微观分析证实，CMT不仅通过填充效应优化了颗粒堆积，其火山灰反应还消耗了氢氧化钙(CH)，生成了额外的C-S-H凝胶，从而细化了孔结构，增强了骨料-浆体界面过渡区(ITZ)的致密性。
- 2.
作为细骨料替代需严格控制级配：以天然级配CMT替代细骨料时，其效果高度依赖于混合骨料的颗粒级配。在10-20%的替代率下，当混合级配满足相关标准时，砂浆的强度和耐久性均可获得改善。然而，超过20%的替代率会导致细颗粒过多，破坏级配，增加需水量，并削弱ITZ，从而抵消其带来的益处，甚至导致次级吸水率上升。
- 3.
多目标性能优化：通过构建多标准性能指数(PI)进行综合评价，研究发现，对于追求高强度的应用，10%的CMT作为SCM是最佳选择；而对于耐久性要求极高的环境（如严酷的海洋或除冰盐环境），30-40%的CMT替代率能提供最优的抗渗透性能。
本研究具有重要的科学意义和工程应用价值。在科学层面，它深入揭示了CMT在水泥基材料中的作用机理，明确了其作为SCM时“填充-成核-火山灰反应”的协同效应，以及作为骨料时“颗粒级配”的关键影响，为理解类似工业固废在建材中的行为提供了理论参考。在应用层面，该研究为巨量铜钼矿尾矿的高附加值资源化利用开辟了一条切实可行的路径。将尾矿转化为高性能砂浆的组分，不仅能有效减少尾矿堆存带来的环境风险和土地占用，还能降低对水泥和天然砂石等不可再生资源的消耗，契合循环经济和建材行业绿色、低碳的发展方向。研究成果支持CMT作为一种可行的SCM在高端建材中应用，为相关标准的制定和工程实践提供了重要的数据支撑。当然，研究也指出，在实际推广前，仍需对含CMT砂浆的电阻率、长期耐久性（如碳化、硫酸盐侵蚀）以及重金属浸出行为进行进一步评估，以确保其环境安全性和长期性能的可靠性。
