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钢渣预水化联用微波补能，构建低碳胶凝材料并把全球变暖潜势压到水泥的约 34%–40%

该研究发表于 Nature Communications（2025），使用 XH-200A+、XH-200A / XH-200C 开展 工业固废资源化、低碳胶凝材料 研究，关键结果包括预水化实验组平均孔隙率 3.9%；对照组平均孔隙率 8.7%；材料抗压强度 133.7%。

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论文编号 641
应用方向 工业固废资源化、低碳胶凝材料、钢渣高值利用、碱激发材料、快速养护工艺
关键结果 预水化实验组平均孔隙率 3.9%
核心条件 温度 105 °C
论文编号
641
期刊
Nature Communications
影响因子
15.7
中科院分区
1 区
发表年份
2025
DOI
10.1038/s41467-025-62488-1
设备型号
XH-200A+ XH-200A / XH-200C
作者单位
北京科技大学；北京科技大学 能源与环境工程学院；北京科技大学 钢铁行业环境保护国家重点实验室；香港理工大学 工程学院 电子与信息工程系；中环联合认证中心有限公司；北京科技大学 冶金与生态工程学院；IF Steelman
School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, China; State Key Laboratory of Iron and Steel Industry Environmental Protection, University of Science and Technology Beijing, Beijing, China; Department of Electronic and Information Engineering, Faculty of Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong SAR, China; China Environmental United Certification Center Co. Ltd., Beijing, China; School of Metallurgy and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, China; IF Steelman, Semecourt, France
研究方向
工业固废资源化 低碳胶凝材料 钢渣高值利用 碱激发材料 快速养护工艺

事实快照

  • 论文：钢渣预水化联用微波补能，构建低碳胶凝材料并把全球变暖潜势压到水泥的约 34%–40%
  • 设备：XH-200A+、XH-200A / XH-200C
  • 期刊与分区：Nature Communications，中科院 1 区
  • 核心条件：温度 105 °C；微波功率 70 W；时间 6 h / 16 min / 8 min
  • 关键结果：预水化实验组平均孔隙率 3.9%；对照组平均孔隙率 8.7%；材料抗压强度 133.7%
  • 用途：可作为 工业固废资源化、低碳胶凝材料 的论文证据页。

研究摘要

论文摘要指出，钢渣虽然被视为可替代水泥的可持续原料，但 free lime (f-CaO) 和低水化活性限制了其在建材中的应用。作者提出一种基于钢渣预水化的“原位钙相设计”策略，开发出高性能胶凝材料。预水化有效降低了 f-CaO 膨胀风险并避免微裂纹出现；进一步加入粉煤灰和碱激发剂后，可形成高弹性模量的富钠凝胶，使材料抗压强度提升 133.7%。碳足迹分析显示，该高性能胶凝材料的全球变暖潜势仅为 232–265 kg CO2-eq ton−1，约是水泥的 34%–40%，有望在全球水泥市场减排 2.2–3.0 Gt CO2-eq。此外，额外能量补偿如热养护或微波养护，可以在不过度增加碳排的情况下加快力学性能建立并缩短生产周期。

研究背景与解决的问题

论文摘要指出，钢渣虽然被视为可替代水泥的可持续原料，但 free lime (f-CaO) 和低水化活性限制了其在建材中的应用。

设备应用与实验条件

项目参数
温度105 °C
微波功率70 W
时间6 h / 16 min / 8 min

关键结果

预水化实验组平均孔隙率 3.9%
对照组平均孔隙率 8.7%
材料抗压强度 133.7%
早期凝胶弹性模量 30 GPa
指标结果
预水化实验组平均孔隙率3.9%
对照组平均孔隙率8.7%
材料抗压强度133.7%
早期凝胶弹性模量30 GPa
抗压强度55.6 MPa
弹性模量50 GPa

机制/方法亮点

  • 预水化先把膨胀风险最大的 f-CaO 转化掉 钢渣中的 f-CaO 是导致开裂和耐久性风险的关键来源。预水化通过在固化前先与水反应，把这一风险提前释放，避免在后续硬化阶段产生局部应力集中和不可逆裂纹。
  • 预水化改善了碱激发剂对粉体的浸润和分散行为 原始钢渣在碱激发剂作用下容易局部快速硬化，导致扩散不均匀。预水化后，实验组粉体与碱激发剂的浸润过程更平滑，浆体更均匀，为后续凝胶形成提供了更好的界面环境。
  • 富钠凝胶的生成提升了界面黏结与整体强度 预水化组中观察到 N-(C)-A-S-H 富钠凝胶，并且其弹性模量显著高于常规 C-(N)-A-S-H。这意味着预水化策略不仅改良了孔裂结构，还通过调控钙/钠平衡和凝胶组成，直接提升了材料骨架强度。
  • 微波养护通过更快的能量耦合促进水化与凝胶完善 论文表明，微波养护样品在后期显示出较完整的水化表现。其作用逻辑并不只是“升温更快”，而是通过对含水体系的快速能量输入，促进凝胶相发展并缩短强度建立周期。
  • 设备作用与材料性能需要严格分层 本文中真正的核心突破来自“预水化 + 高比例钢渣掺入 + 碱激发凝胶重构 + 养护策略优化”的整条体系。微波在其中承担的是养护补能角色，不能把材料最终强度、孔隙率和碳足迹优势机械地全部归因于微波本身。

应用价值

  • 提出钢渣“原位钙相设计”思路，把 f-CaO 风险处理前置到预水化阶段。
  • 实现 70 wt% 预水化钢渣与 30 wt% 粉煤灰的高比例固废胶凝体系。
  • 抗压强度较未预水化样品提升 133.7%，室温 28 d 直接达到 55.6 MPa。
  • 平均孔隙率从 8.7% 降到 3.9%，并形成高弹性模量富钠凝胶。
  • 全球变暖潜势仅 232–265 kg CO2-eq ton−1，兼具工程性能与减碳价值。

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XH-200A+ 微波固液相合成萃取仪
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常见问题

这篇论文使用了哪种设备？
本研究使用 XH-200A+、XH-200A / XH-200C。
研究的核心发现是什么？
该研究发表于 Nature Communications（2025），使用 XH-200A+、XH-200A / XH-200C 开展 工业固废资源化、低碳胶凝材料 研究，关键结果包括预水化实验组平均孔隙率 3.9%；对照组平均孔隙率 8.7%；材料抗压强度 133.7%。
该研究发表在哪个期刊？
发表于 Nature Communications，中科院 1 区。
引用信息
Utilizing alkaline solid waste for low-carbon construction material via in-situ calcium phase design
Nature Communications, 2025
DOI: 10.1038/s41467-025-62488-1