堆积大宗工业固体废物堆存带来的环境压力日益增大，亟需有效的处理策略。本研究针对此开发了一种新型全固废钛石膏基流动充填材料(titanium gypsum-based fluid filling material, TPG-FFM)，以钛石膏(titanium gypsum, TPG)替代天然土体，具有生态可持续、低碳足迹和经济高效等优势。研究人员采用电石渣(carbide slag, CS)为碱激发剂，复配粒化高炉矿渣(granulated blast furnace slag, GGBS)和锂渣(lithium slag, LS)制成复合固化剂(CS-GGBS-LS)对TPG进行协同固化。通过正交试验优化配比，系统考察CS和LS掺量对TPG-FFM宏观性能的影响，并利用X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)、傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、扫描电子显微镜-能谱仪(scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer, SEM-EDS)、热重分析(thermogravimetry, TG)及BET比表面积法(BET technique)阐明水化机理。结果表明：最佳CS-GGBS-LS外掺质量比为CS:GGBS:LS = 3:18:4时，TPG-FFM的28 d抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)达6.9 MPa，流动度172 mm，初凝及终凝时间分别为342 min和579 min，表现出优异的浆体流动性及凝结时间特性，满足工程注浆自流平要求。最佳CS掺量为3.0%，可为水化反应提供适宜的碱性环境；LS掺量4.0%时TPG-FFM性能进一步优化。水化产物水化硅酸钙(calcium silicate hydrate, C-S-H)凝胶、钙矾石(ettringite, AFt)及单硫型水化硫铝酸钙(monosulfate, AFm)能有效填充内部孔隙并胶结颗粒。TPG不仅作为胶结骨架，其富含的Ca2+和SO42−离子还为AFt/AFm的高效生成提供物质基础。每生产1.00 t TPG-FFM可减少约0.13 t CO2排放，展现出良好的工程应用潜力。该研究提升了TPG、CS及LS等大宗工业固废的高值化资源利用水平，所制备TPG-FFM特别适用于矿井采空区回填、地下空洞充填及路基填筑等复杂空间工况，为工业固废无害化处置与建材绿色低碳发展提供了可行的技术方案。
论文解读：全固废钛石膏基流动充填材料的优化设计、性能及水化机理研究
该论文发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。水泥工业是全球能耗与碳排放重点行业，生产过程贡献全球约5%~10%的CO2排放，同时大宗工业固废——钛石膏(titanium gypsum, TPG，主要成分为二水硫酸钙CaSO4·2H2O)、电石渣(carbide slag, CS，富Ca(OH)2、强碱性)及锂渣(lithium slag, LS，锂盐生产副产物)——年排放量巨大，长期露天堆存占用土地且易致土壤酸化及地下水污染。现有碱激发材料研究仍多依赖NaOH、水玻璃等化学激发剂或仍需掺入普通硅酸盐水泥，成本高且未彻底摆脱化学品依赖，且缺乏对工作性、凝结时间及环境安全性的系统评价。鉴于粒化高炉矿渣(granulated blast furnace slag, GGBS)具潜活性需碱性环境激发、TPG富硫酸根但缺碱、CS供碱但单用易体积失稳，研究人员提出通过多固废复配协同激发，以TPG为基体完全替代天然土及水泥，CS为唯一碱激发剂，GGBS为主活性组分，LS提供晶核及Li+优化孔结构和凝结，制备全固废钛石膏基流动充填材料(titanium gypsum-based fluid filling material, TPG-FFM)，系统探究其最优配比、宏观性能演变规律及微—宏观水化机理，并评估环境与经济效益。
主要关键技术方法：
研究人员以江苏产TPG（球磨筛分）、CS、LS及S105级GGBS为原料，固定TPG及水料比，选取CS、GGBS、LS三因素三水平开展正交试验，以28 d无侧限抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)为指标经极差—方差分析确定最优外掺比；测试不同CS及LS掺量下TPG-FFM的流动度、初终凝时间、不同龄期UCS；采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜—能谱(SEM-EDS)、热重—微分热重(TG-DTG)及BET氮吸附表征水化产物物相组成、微观形貌、元素分布、C–S–H(水化硅酸钙, calcium silicate hydrate)等产物含量及孔径分布；通过CO2减排核算对比传统水泥基材料，综合评价其环境与经济优势。
Raw Materials
原材料化学组成与基本物理性质经X射线荧光光谱(XRF)等表征。TPG主含CaSO4·2H2O及微量Ti、Fe氧化物；CS主含Ca(OH)2；LS含活性SiO2、Al2O3及残余Li化合物；GGBS具高玻璃体含量，为碱激发潜活性组分。
Optimization design of TPG-FFM
通过正交试验极差与方差分析，确定影响28 d UCS的显著性顺序为GGBS > LS > CS。最优复合固化剂外掺质量比为CS:GGBS:LS = 3:18:4（占TPG干质量百分比依次为3.0%、18.0%、4.0%），此时28 d UCS最高达6.9 MPa，流动度172 mm，初凝342 min、终凝579 min，满足矿山及地下工程自流平充填要求。CS掺量3.0%可提供适度碱性环境促使GGBS解聚，过量则引起体积不稳定；LS掺量4.0%通过提供早期成核位点促进AFt(钙矾石, ettringite)析出并细化孔隙，进一步优化力学性能与工作性。
Hydration Mechanism（由微观测试结果归纳）
XRD显示水化产物含C–S–H凝胶、AFt及AFm(单硫型水化硫铝酸钙, monosulfate)。FTIR中Si–O不对称伸缩振动峰向低波数偏移证实C–S–H形成。SEM-EDS观察到C–S–H凝胶与针状AFt/AFm交错生长填充孔隙并胶结TPG颗粒。TG-DTG定量表明随龄期增长C–S–H及AFt/AFm含量上升。BET结果显示最优配比孔径集中向微孔偏移，平均孔径降低。TPG除作骨架外，溶出的Ca2+与SO42−为AFt/AFm生成提供钙源与硫酸根源，证实TPG参与水化反应而非惰性填料。
Environmental and Economic Benefits（文中核算部分）
每制备1.00 t TPG-FFM可消纳大量TPG、CS及LS，相比同强度等级水泥基充填材料减少CO2排放约0.13 t，兼具低碳与成本优势，适合大规模固废协同处置。
Conclusion（研究结论部分翻译）
本研究系统考察了以CS、GGBS及LS为复合固化剂制备TPG-FFM的可行性，通过宏观性能测试与微观机理分析得出以下主要结论：(1) 经正交试验与极差—方差分析，确定最佳固化剂配比为CS:GGBS:LS = 3:18:4，此时TPG-FFM的28 d UCS达6.9 MPa；各因素影响强度显著性次序为GGBS > LS > CS。(2) CS掺量3.0%提供适宜碱度激活GGBS潜在活性，LS掺量4.0%进一步优化性能。(3) 水化产物C–S–H凝胶、AFt及AFm有效填充孔隙并胶结颗粒；TPG提供Ca2+与SO42−促进AFt/AFm形成。(4) 每吨TPG-FFM可减排约0.13 t CO2，具备工程推广潜力，适用于矿井采空区回填、地下空洞及路基充填。该研究实现微观水化机理、宏观工程性能及环境—经济效益的深度关联，为大疆工业固废协同高值化利用提供理论依据。
Future perspectives and limitations（讨论要点归纳）
研究人员指出，TPG与LS性质具地域差异性，原料波动给配合比通用性带来挑战；目前缺乏现场拌合、泵送控制及养护标准工艺规程，限制大规模施工应用，需后续开展区域性原料适应性及现场工艺标准化研究。
