太原理工大学:全固废钢渣胶凝剂,矿山充填成本直降 50%、减碳 92%!

DOI： 10.1016/j.powtec.2026.122673

水泥浆回填；低碳；钢炉渣结合剂；机械性质；显微机制；比率优化

矿山胶结充填（CPB）大量使用硅酸盐水泥，胶凝材料成本占充填总成本60%–75%，且水泥生产碳排放极高，带来沉重经济与生态压力。钢渣、矿渣、脱硫石膏等冶金固废堆存巨大、利用率低，传统钢渣基胶凝剂仍需掺加水泥，低碳与强度难以兼顾。如何实现无水泥、全固废、低成本、低排放的矿山充填胶凝体系，成为绿色矿山与 “双碳” 目标的核心难题。

本研究中低碳 CPB 整体概念模型示意图

针对矿山充填成本高、碳排放高、固废利用率低三大痛点，提出全固废钢渣复合胶凝剂（SSB） 新方案。以钢渣、矿渣、脱硫石膏为原料，完全不掺水泥，通过多固废协同激发替代硅酸盐水泥。目标是获得优于水泥的充填体强度，揭示水化机制与破坏机理，并量化经济与减碳效益，为低能耗、低成本、低碳矿山充填提供全新技术路线。

钢渣 / 矿渣 / 脱硫石膏原料表征→正交试验优化 SSB 配比→制备全固废胶结充填体（SSB-CPB）→测试不同龄期单轴抗压强度→极差 / 方差 / 点区间估计确定最优配比→XRD/TG-DTG/SEM 揭示水化产物与微观结构→对比水泥组开展成本与碳排放核算→提出工程应用方案。

实验材料

核心原料：转炉钢渣（SS）、粒化高炉矿渣（GBFS）、脱硫石膏（DG）、石英尾砂（ST）、硅酸盐水泥（PCI，对照组）；

实验材料的 XRD 图案

实验材料的 XRD 图案

粘合剂所用原材料的 SEM 显微照片

实验方法

①宏观性能测试：

• 工作性：料浆流动度、成型性

• 力学性能：3d/7d/14d/28d 单轴抗压强度 UCS

• 对比组：不同配比 SSB-CPB、PCI-CPB

②微观性能测试：XRD 物相分析、TG-DTG 热重分析、SEM 微观形貌、孔隙率定量分析；

CPB 或 CP 样品的制备和性质测试流程图

SSB-CPB 样品的正交实验结果

SSB-CPB平均UCS与因子剂量及范围分析结果的关系

SS35-DG24-CPB 与 PCI-CPB 的强度比较

不同 CP 样本的 XRD 模式

（a） CP 样品的 TG-DTG 曲线，以及（b）CP（B）总质量损失与强度之间的关系

CPB 样品的 SEM 显微照片及其孔隙度与强度之间的关系

SSB/PCI-CPB 的水合反应机制

PCI-CPB 和 SS35-DG24-CPB 在 28 天后的损伤图

中关铁矿阶段露天回填法

CPB 样品中 SSB 和 PCI 的单位材料成本

CPB 样品中 SSB 和 PCI 的单位碳排放量

比较（a）SS35-DG24-CPB 和 PCI-CPB 结合剂的总成本和（b）碳排放

1、最优配比确定：正交试验得出：钢渣：脱硫石膏：矿渣 = 35:24:41，该配比强度最高。

2、强度全面超越水泥：最优组 SS35-DG24-CPB 28d 强度比 PCI-CPB高 11.72%，3d 早强高34.30%，早期强度优势显著。

3、协同水化机制清晰：钢渣提供碱性环境与 C₂S/C₃S 水化；碱激发矿渣生成 C-S-H 与 C-A-H 凝胶；脱硫石膏促进钙矾石（AFt）大量生成。三相循环促进、无富余 Ca (OH)₂，结构更致密。

4、微观结构更优：SSB-CPB 生成棒状 AFt 与无定形 C-S-H 交织填充，孔隙率比水泥组低 3.54%，裂纹更少、破坏更均匀。

5、经济与减碳收益巨大：胶凝剂成本仅为水泥的51.62%；单位碳排放62.37 kgCO₂/t，比水泥降低91.51%；矿山年节约成本1325 万元，年减排449 万吨 CO₂。