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赤泥浸出液激发矿渣——铜渣基水泥砂浆力学性能研究

申报人：韦照猛 申报日期：2026-04-14

基本情况

2026年批次
赤泥浸出液激发矿渣——铜渣基水泥砂浆力学性能研究 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本项目聚焦工业固废资源化与建筑材料性能优化、以赤泥、矿渣、铜渣为核心研究对象、创新提出“以废治废”技术路径。通过提取赤泥浸出液、利用其天然碱性环境激发矿渣与铜渣的潜在活性、将三者协同配伍、再与水泥、水、沙子复配制备新型水泥砂浆。项目将系统测试不同固废掺量下砂浆的抗压、抗折等力学性能、探索赤泥浸出液激发活性的最优参数、旨在解决赤泥堆存污染与矿渣、铜渣利用率低的双重问题、为工业固废高值化应用于建筑领域提供技术支撑、兼具环境效益与工程价值。
参与一种绿色低碳的铜尾矿基碱激发混凝土及其制备方法研究并申请发明专利1项、一种铜尾矿破碎筛分研磨一体化高效处理装置研究并申请实用新型专利1项，获得2025年中国国际大学生创新大赛广西区赛银奖。
新材料-工业固废、混凝土材料与结构耐久性、结构损伤及绿色能源利用、工程结构智慧化和新特功能材料研究
支持
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
韦照猛 南宁分校 计算机工程与技术 2024 负责人
廖彦雪 南宁分校 土木工程 2024 项目PPT撰写与演示
韦道亮 南宁分校 计算机工程与技术 2024 项目PPT撰写与演示
杨程舒 南宁分校 土木工程 2024 项目PPT撰写与演示
叶芊芊 南宁分校 计算机工程与技术 2024 项目计划书编制设计

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
吴雨佼 南宁分校 否
汪加梁 南宁分校 否
贺伟盼 南宁分校 否
刘晓艳 南宁分校 否

立项依据

本项目通过对赤泥浸出液激发矿渣-铜渣基水泥砂浆力学性能的研究，拟解决以下三个关键问题：其一，铜渣、矿渣虽具有潜在火山灰活性，但需通过碱激发剂激发其活性。针对传统碱激发剂成本高、效果不明显的问题，本研究通过制备赤泥浸出液提供碱性环境激发铜渣、矿渣活性，并从微观原理层面剖析赤泥浸出液对矿渣-铜渣基水泥砂浆的影响；其二，研究在赤泥浸出液提供的强碱性、矿渣提供钙离子的环境下，二者对水泥砂浆力学性能的影响，进而得出工程性规律；其三，针对传统砂浆生产环节中高能耗、高污染、高成本的难题，为工业固废在水泥砂浆的资源化利用提供新思路。
1.赤泥的浸出液制备；2.铜渣-矿渣-赤泥基水泥砂浆制备工艺及技术创新；3.铜渣-矿渣-赤泥基水泥砂浆力学性能测试与普通水泥砂浆的力学性能对比分析；4.铜渣-矿渣-赤泥基水泥砂浆微观结构特征及作用机理分析；5.铜渣-矿渣-赤泥基水泥砂浆的价值效益评估与实现路径。
近年来，国外研究主要聚焦于高钙体系的碱激发机制[1]，证实水玻璃、NaOH等传统激发剂可以通过破坏矿渣玻璃体结构，释放活性硅铝组分生成C-S-H凝胶，提升材料强度[2]。同时，针对铜渣等低活性的固废，已有研究通过复合激发改善其反应活性[3]，但普遍依赖高成本化学激发剂，限制了规模化应用。有关学者也重点关注赤泥碱性组分的利用价值[4]，但尚未形成赤泥浸出液直接激发多固废的技术路线，且针对铜渣-矿渣-赤泥多元体系的协同效应研究较少。
国内在单一组分固废（矿渣、铜渣、赤泥等）的碱激发研究方面已较为成熟，建立了相应一元体系的水化理论，明确了碱性环境对活性激发的核心作用;在二元体系中，矿渣-赤泥、铜渣-矿渣等的协同效应得到初步探讨，相关工作已覆盖激发剂种类优化、水化产物微观结构分析等维度[5]。针对铜渣低活性的难题，国内学者通过掺入水泥熟料、熟石灰等辅料，并结合NaOH等激发剂促进其水化反应，成功制备出性能可控的复合胶凝材料，但仍存在激发剂成本高、固废掺量难以突破等问题[6]。关于赤泥碱性的利用，现有研究中大多通过直接掺加赤泥以提供碱性环境[7-9]，而利用赤泥浸出液单独作为激发剂，激活矿渣与铜渣活性，并制备水泥砂浆的研究尚未见系统报道。
综上，国内外研究已证实，碱激发技术可以实现矿渣、铜渣、赤泥等固废的资源化利用，并明确了碱性环境是其活性激发的关键。但现有研究中仍存在局限：一是依赖NaOH、水玻璃等传统激发剂，存在成本高与环境风险突出的问题；二是赤泥大多直接掺混使用，其浸出液的潜力未被充分挖掘；三是针对“赤泥浸出液激发矿渣-铜渣”的复合体系研究以及相关力学性能调控机制尚未明确。因此，本项目的研究具有显著的创新性与应用价值。
参考文献：
[1]Xiaomei Wan,Lijie Ren,Tingjian Lv,Dengke Wang,Boshi Wang. Research on Alkali-Activated Systems Based on Solid Waste-Derived Activators: A Review[J].Sustainability,2025,17(1):
[2]Wang Zehui,Yuan Quan,Zhou Changdong,Lu Zhipeng,Nie Yongkun. Study on the macro-properties and micro-mechanism of solidification construction and demolition waste residue by alkali-activation technology[J].Journal of Building Engineering,2023,78
[3]Mohamed. I. Serag,Sara Ibrahim,Amr H. Badawy,Y. H. Helal,M. S. El Feky. Impact of precursor materials and activator interactions on the microstructural and mechanical properties of one part alkali activated concrete[J].Scientific Reports,2025,15(1):
[4]Xiaoshuang Li,Daolin Wang,Qiusong Chen,Chongchong Qi. Alkali activation of blast furnace slag using Bayer red mud as an alternative activator to prepare cemented paste backfill[J].Construction and Building Materials,2024,453
[5]李昊东,张世民,李路帆,崔允亮. 碱激发固废力学性能与水化产物研究进展[J].河南城建学院学报,2024,33(06):74-84.
[6]汪浩然.碱激发铜渣材料体积稳定性研究[D]. 安徽建筑大学, 2024.
[7]方舒雅,刘兵兵,杨佩东,黄艳芳,孙虎,韩桂洪. 赤泥材料化利用技术及发展趋势[J].矿产综合利用,
[8]王善烨,陈磊,于树志,黄飞婷,王增军. 赤泥在地聚物、水泥和混凝土中的应用进展[J].水泥,2025,(09):143-145.
[9]岳秀鹏,陈忠平,董永泉,余匡迪. 赤泥改性激发制备轻质土及固碱性能研究[J].公路,2025,70(05):347-353.
   创新点：
1.以赤泥浸出液为核心，变废为“宝”，替代传统碱激发剂，同时利用赤泥、矿渣、铜渣工业固废，实现固废资源化利用；
2.利用赤泥浸出液提供的碱性环境，无需额外添加碱激发剂，降低水泥砂浆制备的材料成本；
3.通过优化固废配比，制备性能优异的水泥砂浆，具有环保效益与工程实用价值。
项目特色：低碳环保、技术创新、性能优异。
技术路线如下图所示：
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拟解决的问题：1.工业固废资源化利用2.绿色、环保材料与可持续发展3.砂浆性能提升4.碱激发技术创新5.降低砂浆生产成本。
预期成果：
1.形成一套利用赤泥浸出液激发矿渣、铜渣活性的水泥砂浆制备工艺，明确最优原料配比与制备参数，确保产品力学性能达标。
2.实现赤泥、矿渣、铜渣工业固废的资源化利用，降低其堆存带来的环境污染，同时减少传统碱激发剂的使用，降低生产成本。
3.成功制备出力学性能达标、成本优势的环保型水泥砂浆，明确其适配的工程场景，并形成包含原料采购、生产流程、施工要点的初步应用技术方案，为后续工业化试产及市场推广提供可落地的实践依据。
一、项目启动与准备阶段(1-2个月)
1.项目立项与团队组建:
确定项目目标、研究内容和预期成果；组建研究团队，明确各成员职责。
2.文献调研与资料收集:
搜集并整理国内外关于碱激发水泥砂浆和铜渣综合利用的相关文献和资料，分析现有研究成果，明确技术难点和创新点。
3.实验设备与材料准备:
采购或租赁所需的实验设备和仪器，准备实验所需的铜渣、赤泥、矿渣等原材料。
二、实验研究与数据分析阶段(2-3个月)
1.初步实验设计与实施:
设计初步的实验方案，按照实验方案进行实验，记录实验数据。
2.数据分析与结果讨论:
对实验数据进行整理和分析，评估碱激发铜渣水泥砂浆的性能。针对实验结果进行讨论，找出可能存在的问题和改进方向。
3.优化实验设计与实施:
根据初步实验结果，对实验方案进行优化和改进。实施优化后的实验，并继续收集和分析数据。
4.检查与评估:
对项目进展进行检查和评估。根据评估结果，调整研究计划和方向。
三、性能验证与应用研究阶段(1-2个月）
1.性能验证实验:
设计性能验证实验，包括抗压强度、耐久性等关键性能指标的测试。实施验证实验，确保赤泥浸出液激发矿渣-铜渣基水泥砂浆的性能达到预期要求。
2.应用研究:
在实际工程中应用赤泥浸出液激发矿渣-铜渣基水泥砂浆，观察其长期性能和稳定性。与普通水泥砂浆进行对比分析，评估其性能优势。
3.技术文档编制:
编制项目技术报告、实验报告和应用案例等文档。并整理研究成果，为项目验收和成果推广做准备。
四、项目总结与成果推广阶段(第2-3个月）
1.项目总结:
对整个项目进行总结，包括研究成果、 创新点、技术难点等。评估项目的经济效益和社会效益。
2.成果推广:
通过学术会议、技术研讨会等途径，推广赤泥浸出液激发矿渣-铜渣基水泥砂浆的研究成果和技术。
与相关企业合作，推动赤泥浸出液激发矿渣-铜渣基水泥砂浆制备技术的产业化应用。
3.项目验收:
提交项目验收报告和相关文档，接受项目验收。根据验收结果，对项目进行总结和反思，为未来的研究提供参考。
（一）铜渣研究
学校针对广西扶绥县南国铜业等本地企业的铜渣，已开展过成分分析、活性激发、在混凝土及砂浆中应用的前期探索。明确了铜渣“铁硅酸盐”的本质（主要含SiO₂、Fe等成分），含有可被激发活性。
（二）赤泥研究
对于赤泥，发现其具有高碱性、富含Fe₂O₃的特性，探索过赤泥在路基材料、胶凝材料中的应用，掌握了赤泥对体系pH值、浆体状态的影响规律（如pH值11~12、高含水率浆体的控制），为本次实验中赤泥的稳定配比（20%）及碱激发体系的构建奠定了理论与实验依据。
（三）矿渣研究
针对高炉磨细矿渣，团队明确了矿渣中CaO、SiO₂、Al₂O₃等成分的反应机理，以及其在砂浆中对强度、耐久性的贡献规律。
二、区域资源协同与产学研基础
桂林理工大学立足广西，与南国铜业、平果氧化铝企业、南宁钢铁集团建立了产学研合作关系，便于实验原料的获取、工业需求的对接，能保障实验原料的稳定性，为后续成果的工程化应用提供了转化通道。


工作条件： 本项目依托桂林理工大学“广西绿色建材与建筑工业化重点实验室”，拥有2000余平方米的结构大厅及“高性能工程结构防灾与安全”、“固体废弃物的资源化利用及绿色建材制备”和“区域性绿色建筑优化理论和节能关键技术” 多个实验平台。拥有实验仪器设备3600余台(套），包括扫描电镜、热重分析仪、压汞仪、X射线衍射仪、傅立叶红外光谱分析仪、X 射线光谱仪、低场核磁共振仪、万能压力试验机等试验设备，能满足本项目研究的实验需求，如图9所示。另外还拥有大型通用软件Ansys、Abaqus、Matlab、Fortran和Beasy等，能开展复杂混凝土结构中物质传输的数值计算。此外，本单位参与共建的“北海涠洲岛海洋地球物理广西野外科学观测研究站”可以为本项目提供自然暴露试验场地。
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尚缺少的条件：
希望能够得到资金支持，用于项目落地及相关技术投入等方面。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 19950.00 无 7050.00 12900.00
1. 业务费 15850.00 实验研究的各项费用 3450.00 12400.00
（1）计算、分析、测试费 850.00 支付项目研发、设计、生产等费用 650.00 200.00
（2）能源动力费 0.00 搅拌机等设备所需的电力或燃油及维护保养 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 4000.00 组织各种会议、团队实地考察和参加学术会议等 2000.00 2000.00
（4）文献检索费 1000.00 购买特定的文献和资料 800.00 200.00
（5）论文出版费 10000.00 确保项目研究成果成功发表 0.00 10000.00
2. 仪器设备购置费 600.00 用于研发、制造和测试与项目相关的实验 600.00 0.00
3. 实验装置试制费 2000.00 用于研发、制造和测试与项目相关的实验 2000.00 0.00
4. 材料费 1500.00 购买铜渣、赤泥、矿渣等原材料 1000.00 500.00
结束

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