一、研究的背景与问题
我国粗钢产量维持在10亿吨以上，占全球总产量的55%以上，并持续向“新”向“绿”高质量发展。与此同时，固废治理问题已成为制约钢铁行业可持续发展关键瓶颈。为贯彻落实《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》、“固废十条”等法律政策，深入推进“无废城市”建设，固废治理进入绿色创新发展的新阶段，并成为钢铁行业绿色转型的新动能。
建材领域是钢渣等钢铁行业固废资源化应用的重要场景，但因国家基建投资增速放缓、安全隐患的认知偏见、建材功能单一等多重因素叠加，导致钢渣类建材的市场认可度不足，且存在明显“低附加值”特征。因此，摆脱常规路径，积极探索高值化利用新功能，实现多源固废协同处置、减污增效，是高水平规模化应用的迫切需求。
二氧化碳矿化封存技术原理被认为是高效、绿色且低成本解决钢渣安定性不良问题的主要路径。然而，钢渣来源广、成分复杂、活性不均，对钢渣吸碳-固碳-矿化机理认识尚不充分，缺乏科学评估钢渣固碳能力的方法，制约了钢渣固碳工艺优化及其建材制品性能调控。
研发水泥基能源材料是建材领域响应国家“发展新型储能”的先进理念。其核心是通过水泥基材料构造特定多孔介质作为电解质载体，实现储电功能。但其高碱性环境不利于离子迁移、碳基材料易絮凝失效；同时，储电所需连通孔隙结构使建材力学性能大幅衰退，失去基础使用功能。以钢渣基胶凝体系为基础，若能利用钢渣协同多源固废驱动新型储电型建材技术研发，解决前述水泥基储电材料的关键缺陷，将是加快推动固废高值化利用，提振钢渣市场认可度的可行路径。
基于此，东北大学联合哈尔滨工业大学、北京科技大学、东华大学、中国十七冶集团有限公司、中冶建筑研究总院有限公司、中交一公局第三工程有限公司，围绕钢渣协同多源固废固碳与储电关键技术，进行了持续10余年的研究，突破了多项技术瓶颈，为钢铁行业大宗固废综合利用提供了技术支撑。
二、解决问题的思路与技术方案
项目聚焦钢铁工业固废治理与国家能源战略的融合，探索将钢渣作为主体原料，协同高炉渣、铁尾矿等多源固废，构建具有特殊孔隙结构的钢渣基胶凝体系，实现固废类建材“承载、储电双重功能”，形成终端研发成果：钢渣协同多源固废储电技术。项目总体研发思路汇总于图1。
图1 项目总体研发思路
三、主要创新性成果
1、钢渣固碳及协同碳化技术
（1）钢渣固碳核心机理研究
揭示了钢渣主要化学组成的碳化规律：β-硅酸二钙（含量39.8%）是CO?吸收和强度提升的核心活性矿物，γ-硅酸二钙、铝酸三钙等亦具有一定碳化活性，铁酸二钙和RO相基本呈惰性（见图2）。查明了活性钙吸碳的主要制约因素，即碳化产物致密化阻碍CO?扩散，以及硅酸钙与RO相共熔体抑制进一步碳化，钢渣中可被碳化的活性钙比例最高约85%（见图3）。常温常压下即使4%CO?浓度，钢渣坯体仍可吸收CO?达7.3%，且存在显著“碳化-水化”协同作用（见图4）。
图2 碳化过程矿物转化规律
图3 被碳化钙含量-时间关系
图4 水化-碳化协同作用
（2）钢渣碳化潜能评价方法
基于8种典型钢渣原料，提出了以活性钙含量为核心的钢渣碳化潜能评价方法。结果表明，钢渣活性钙含量主要分布于74%～90%，原料分析结果与碳化浸出试验结果高度匹配；结合电荷平衡、碳守恒、质量守恒及Phreeqc模拟，验证了方法的可靠性与普适性（见图5-7）。
图5 累积浸出钙滴滤试验
图6 电荷平衡验证
图7 Phreeqc模拟验证
（3）脱硫石膏协同增强碳化技术
研发了脱硫石膏协同增强碳化技术。低铝、中铝和高铝钢渣的最佳脱硫石膏掺量分别为6.25%、11.11%和11.11%，被碳化钙含量增长率分别达13.62%、41.40%和71.46%（见图8）。揭示了脱硫石膏通过促进铝酸三钙、钙铝黄长石水化并生成单碳型产物而发挥催化作用的机制（见图9）；提出了基于硅铝组分调控的增强方法，规模化生产时其最优掺量可取钢渣掺量的1/16。
图8 脱硫石膏增强钢渣固碳
图9 有/无脱硫石膏协同作用钢渣水化、碳化机理示意图
2、钢渣协同多源固废低碳胶凝化技术
（1）多源固废协同胶凝机理
揭示了钢渣-高炉渣-脱硫石膏/无价污泥/工程渣土多源固废体系的内源激发机制。该体系中，碱性环境促使矿渣玻璃体溶解，硅、铝单体释放，硫酸根与Ca2?、Al3?结合形成AFt早期骨架；Na?、Al3?、SiO?、Ca2?和SO?2?分别提供激发源、骨架成核点和胶凝产物形成条件；阐明了N-A-S-H与C-A-S-H凝胶互补增强基体致密性的机制，明确磷酸盐、有机杂质和氯离子是主要抑制源，并提出芬顿氧化预处理控制方法。
（2）核壳结构铁尾矿人造骨料
提出了核壳结构铁尾矿人造骨料制备原理：以中值粒径约40 μm的铁尾矿为内核，外部快速构筑刚性外壳，实现尾矿颗粒致密握裹及与胶凝基体界面增强（见图10）。研发了“稳定内核制备—造粒包壳—碳化蒸养固化”工艺，骨料表面形成多孔形貌，有利于水化充填和界面结合（见图11）。集成形成规模化生产线，年处理铁尾矿30万吨以上；与天然砂相比，骨料价值提升400%，每吨可固定CO? 0.03吨以上（见图12）。
图10 核壳结构示意图
图11 骨料多孔形貌
图12 制备工艺流程
（3）胶凝体系力学性能调控方法
建立了钢渣基多源固废胶凝体系原料配比、微结构和工艺协同调控方法。明确铁尾矿骨料掺量不宜超过50%，脱硫石膏最优掺量为钢渣的1/16，含钙固废掺量可控制为30%。提出通过建筑固废细粉和碱激发模数调控优化孔结构与界面过渡区。采用低铝高碱度钢渣协同脱硫石膏，压制成型后经6 h碳化养护，抗压强度可达50 MPa、固碳量10.4%；经1 d碳化养护，抗压强度可达80 MPa、固碳量12.4%。
3、钢渣协同多源固废储电技术
（1）钢渣基固废储电模块
研发了由胶凝体系电解质与掺碳固废电极组成的钢渣基固废储电模块（见图13-14）。其中，钢渣协同高炉渣、脱硫石膏形成胶凝体系，C-(A)-S-H凝胶、钙矾石及铁尾矿共同构筑稳定骨架，并兼具隔膜作用；优选无机电解液注入孔隙，降低离子传输阻抗。碳基材料与钢渣基多源固废胶凝材料复配形成掺碳电极，其以“分散-接触-桥联”方式构建稳定导电网络。
模块能量密度≥5.5 kWh/m3、面电容量≥600 mF/cm2、离子电导率≥19.89 mS/cm、循环5000次后保持率≥ 80%，抗压强度≥30 MPa，固废利用率≥ 80%（0.5 t/m3），储电建设成本低于220 元/kWh，实现了承载与储电功能兼备（见图15）。
图13 固废储电模块
图14 模块结构
图15 储电模块充电-放电实例
（2）钢渣基固废储电机理
揭示了钢渣基固废储电的力学-电化学互馈机理。模块性能受胶凝体系孔隙结构控制，孔隙越发育越有利于离子迁移和电极电化学响应，但削弱强度发展阐明了电极-电解质界面协同机制：①胶凝体系水化产物与电极之间形成紧密胶结，实现机械咬合；②电极高比表面积促进电解质和水化产物向孔隙内稳定浸润，实现物理浸润。明确了水化产物时空演化与导电网络构建之间的耦合作用。
（3）钢渣基固废储电性能调控方法
提出了基于孔结构重构的储电性能调控方法。离子电导率由孔隙率与孔径分布协同决定，面电容量与总孔面积密切相关，通过统筹孔隙率、孔径分布和连通性，可降低极化与扩散阻力，并维持胶凝骨架完整性（见图16-17）。通过引入亲水性聚合物，形成连通毛细孔网络（见图18），钢渣基电解质孔隙率由5.8%提升至23.2%，离子电导率提高2.33倍，构建了承载-储电功能综合评分SEIS指标体系，提出力-电平衡与耐久性评价方法，为不同应用场景下固废储电材料设计提供了可解释性依据。
图16 孔隙率-离子电导率
图17 孔隙率对离子迁移作用
图18 SAP对孔结构作用
四、应用情况与效果
项目聚焦钢铁行业固废治理与国家能源战略的融合，探索将钢渣作为主体原料，协同高炉渣、铁尾矿等多源固废，研发钢渣固碳技术，消除体积安定不良缺陷，构建具有特殊孔隙结构的钢渣基胶凝体系，实现固废类建材承载、储电双重功能。
项目累计获授权发明专利20件、软件著作权6项、省部级工法2部，发表SCI/EI论文80篇，发布标准10部，开展技术宣讲和科普讲座100余场，培养研究生30名、博士后1名。项目成果成功应用于川藏公路、G30连霍高速等全国交通、市政及房建等工程建设领域，及建材生产技术的绿色转型，并为冶金、化工、市政等行业提供了可复制、可推广的低碳工程范式。项目取得了显著的经济、社会和环境效益，有力推动了钢铁固废由“环境负担”向高值化“城市矿产”的转变。
信息来源：东北大学
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