科研成果 | 煅烧赤泥制备低CO2水泥的可行性—基于中国粉煤灰和GGBFS的对比研究

1.火山灰配方

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2.火山灰烧烤

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.143734近日，武汉大学高坝结构课题组在混凝土材料领域国际知名期刊《Journal of Cleaner Production

3.火山灰用处

》发表了题为“Feasibility of upcycling red mud for low-CO2 cement via calcination: a comparative study with FA and GGBFS based in China

4.火山灰粉末

”【煅烧赤泥制备低碳水泥的可行性—与粉煤灰和高炉矿渣的对比研究】的论文博士生唐嘉博为第一作者，课题组张铎老师为通讯作者，该研究受到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、武汉市科技局等资助1.研究简介：。

5.火山灰的药用价值

过去十年，全球水泥行业的年产量一直保持在40亿吨以上随着世界人口的不断增长和城市化进程的加快，建筑业将进一步发展，因此迫切需要开发低碳水泥材料使用辅助胶凝材料部分替代水泥是一种常用的降低水泥材料碳排放的方法。

6.火山灰反应的作用

传统的工业副产品如粉煤灰和高炉矿渣，已经广泛应用然而，这些辅助胶凝材料的来源对上游产业具有很强的依赖性，随着社会经济和产业结构的改革，高质量的粉煤灰或者高炉矿渣变得更加难以获得因此，我们迫切需要寻找一种新型低碳高性能辅助胶凝材料。

7.火山灰里面有什么营养

赤泥是拜耳法加工氧化铝的过程中产生的碱性固体废物，赤泥的产量很高，每生产一吨的氧化铝将产生1-2.5吨的赤泥据统计全球氧化铝行业在其120年的历史中已经积累了超过27亿吨的赤泥，并将以每年1.2亿吨的速度继续增长。

8.火山灰怎么处理

赤泥的来源、加工和储存条件的巨大变化让其化学和矿物组成具有很大的不确定性，使得赤泥难以大规模精细化利用在中国，赤泥的利用率低于5%，大部分的赤泥都以堆积和填埋的方式处理，对生态环境造成了非常大的威胁将赤泥作为辅助胶凝材料添加到水泥中是一种常用的赤泥利用方法，但由于赤泥的火山灰活性较低，掺有赤泥的水泥基材料强度和耐久性都会受到影响。

9.火山灰可以食用吗

煅烧是一种有效提高赤泥火山灰活性的方法，在煅烧过程中，赤泥分子结构中的 Si-O 和 Al-O 键在高温下分解并转化为亚稳态铝硅酸盐结构，从而提升赤泥的火山灰活性尽管已知煅烧后火山灰活性增强，但目前对煅烧过程中赤泥颗粒形态和微观结构的变化及其与赤泥基水泥浆液流变和硬化后性能之间的联系缺乏了解。

10.火山灰有什么营养

另外，煅烧过程产生的碳排放和成本也并没有被系统地考虑和研究

图1  赤泥煅烧制备低碳水泥的可行性

图2 原料的粒度分布: (a)累积粒度分布; (b)不同粒度分布

图3  原材料的 XRD 图谱。注：A:硅酸三钙；B:硅酸二钙；C:铝酸三钙；D:铁铝酸四钙；F:针铁矿；G:三水铝石；H:赤铁矿；Q:石英石；M:莫来石；N:钙霞石。

2.主要研究内容：本研究研究了在煅烧过程中赤泥的矿物学和微观结构特征变化，探究了利用煅烧赤泥作为辅助胶凝材料开发低碳水泥的可行性，并在与粉煤灰和高炉矿渣对比分析的基础上，探索了兼具力学性能优势、环境优势和经济优势的方案。

最后结合中国各省独特情况，研究了能源组合和运输距离的地理影响

图3 煅烧对赤泥粒度分布的影响：(a)累积粒度分布，(b)差异粒度分布

图4 煅烧前后赤泥氮气吸附结果：(a)增量孔隙体积，(b)累积孔隙体积

图5 砂浆样品抗压强度：(a)3天，(b)7天，(c)28天

图6  GWP和单位抗压强度对应的GWP

图7 成本和单位抗压强度对应的成本

图8 不同砂浆性能对比

图9 砂浆单位抗压强度对应的GWP(如地图中填充颜色所示)；经过600摄氏度煅烧的赤泥基水泥砂浆的临界运输距离(如图中虚线所示)注：辅助胶凝材料含量为15%，基于中国各省电网数据计算3.总结：       本研究针对传统辅助胶凝材料短缺的问题，为未来低碳水泥的制备提出了一种基于煅烧赤泥的合理方案。

结果表明，400 ~ 600 °C是一个较好的煅烧温度范围，在该温度范围内煅烧的赤泥可以提高水泥浆体的粘度，同时获得比粉煤灰水泥更高的强度“从摇篮到大门”的全生命周期分析计算结果表明最佳煅烧方案为在600°C温度下煅烧1小时，煅烧赤泥替代比例为30%。

在该方案下，煅烧赤泥基水泥的单位抗压强度对应的二氧化碳排放量低于粉煤灰水泥，单位强度对应的成本可降低高达19.3%这证明该方案可以与粉煤灰的对比中获得力学性能优势、环境优势以及成本优势      由于当地电网组成和 RM 水泥运输距离的不同， 赤泥基水泥的二氧化碳排放量和成本具有明显的地理变异性。

我们以中国区域为背景，对赤泥基水泥的二氧化碳排放量和成本进行了分析结果表明，由于西南地区水电资源占有率较高，并且与国内主要的赤泥 资源非常接近，最适合推广 RM 的应用在这个区域，煅烧赤泥显示了相对于粉煤灰的全方位优势，而对于高炉矿渣，当辅助胶凝材料替代率低于15%时，煅烧赤泥同样具有优势。

THEEND作者介绍：

唐嘉博武汉大学水利水电学院博士研究生

张铎武汉大学水利水电学院教授

周伟武汉大学水利水电学院教授往期文章

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