尾矿是矿山选矿过程中产生的大宗工业固废。根据联合国环境规划署（UNEP）统计数据，全球每年尾矿排放量高达数十亿吨，当前绝大部分尾矿采用堆存或填埋方式处置。这类处置模式不仅占用大量土地资源，还易引发水源污染、土壤退化、地质灾害等系列环境问题，对生态环境造成显著压力。因此，尾矿的科学处置与资源化利用已成为制约矿业可持续发展、影响生态环境保护的紧迫任务。
近年来，碱激发胶凝材料（Alkali-ActivatedCementitiousMaterials，AACMs）作为一类新型低碳环保建筑材料，逐步受到学术界与工业界的广泛关注。碱激发胶凝材料是通过碱性激发剂激活硅铝酸盐矿物（如粉煤灰、矿渣、尾矿等）形成的无机聚合物材料。与传统硅酸盐水泥相比，其生产过程无需高温煅烧，具备显著的节能降碳优势；同时还展现出优异的抗化学腐蚀性、抗硫酸盐侵蚀性、耐高温性及低渗透性等核心性能，已在建筑工程、土木工程、环境修复等多个领域实现规模化应用。
尾矿作为碱激发胶凝材料的原料，已逐渐成为该领域的研究热点。将尾矿用于制备碱激发胶凝材料，既能实现尾矿减量化处置、降低环境污染风险，又能将工业固废转化为高价值建筑材料，兼具显著的环境效益与经济效益。随着研究的持续深入，铜尾矿、铁尾矿、金尾矿等多种类型尾矿，已被证实具有良好的碱激发应用潜力。但尾矿在碱激发胶凝材料中的规模化应用仍面临诸多挑战：不同来源尾矿的矿物组成与化学特性差异显著，导致其在碱激发反应中的活性表现存在较大离散性，直接影响最终胶凝材料的力学性能与长期稳定性。例如，硅质尾矿、铁尾矿等低活性尾矿，通常需通过机械活化、热化学处理等预处理手段提升反应活性。随着碱激发技术的不断优化与尾矿资源化技术的迭代升级，尾矿基碱激发胶凝材料有望在建筑行业发挥更大作用。通过合理筛选激发剂体系、优化反应参数、复合外加剂等技术手段，可显著提升尾矿基胶凝材料的强度、耐久性与结构稳定性；同时，尾矿资源化利用还能降低建筑材料生产成本，减少对天然矿产资源的依赖，为循环经济与绿色建筑的发展提供重要支撑。
本综述系统梳理尾矿在碱激发胶凝材料中的应用研究进展，重点分析尾矿的类型特征、活化机制及其在碱激发过程中的反应行为，探讨尾矿基碱激发胶凝材料的性能调控规律与工程应用现状，全面评估尾矿资源化利用面临的核心技术瓶颈，并展望未来重点研究方向。通过综合论述，旨在为尾矿的高效资源化利用提供理论依据与技术支撑，推动尾矿在建筑材料领域的规模化应用，助力矿山行业与建材行业的绿色低碳转型。
尾矿的资源化利用效果取决于其来源属性与化学结构特征，因此需对其分类体系及组成特性进行系统梳理。尾矿的种类与来源与矿产资源的开采和矿石的加工工艺密切相关。不同矿种对应的尾矿，其矿物组成、物理性质及化学特性存在显著差异，这些差异直接决定了尾矿在资源化利用过程中的技术路径与应用表现。以下为几种典型尾矿类型及其核心特征：
硅质尾矿：通常来源于铁矿、金矿、铜矿等矿石的开采。硅质尾矿的主要矿物成分为石英、长石等，通常含有较高的SiO2，一般含量大于70%。由于矿物晶体结构稳定，化学活性较低，需通过机械活化、热处理等改性手段提升其反应活性。典型代表包括石英脉型金矿尾矿、鞍山式铁矿尾矿、蚀变岩型金矿选矿尾矿等。
铁尾矿：黑色金属矿山产生的尾矿，主要源于铁矿石开采与加工过程，矿物成分以赤铁矿、磁铁矿、黄铁矿为主。铁尾矿自身反应活性较低，但由于含有一定量的铝硅酸盐矿物，在碱激发过程中也能与碱性溶液发生反应生成胶凝材料。铁尾矿通常需要借助热处理、机械活化等手段共同作用提升其反应性。
铝硅尾矿：主要来自铝土矿、钠长石矿等矿产的开采与分选过程，核心矿物组成为长石、高岭石、伊利石等铝硅酸盐矿物。其化学组成与碱激发胶凝材料的适配性最优，在碱激发过程中更易形成稳定的凝胶体系，是制备碱激发材料的优质原料。
钙硅质尾矿：多来源于某些冶炼矿石（如石灰石矿、冶金矿渣、煤矸石等）资源的开采与加工环节，钙元素含量较高。在碱激发过程中，钙离子可与溶解态硅铝酸盐发生反应，生成钙铝硅酸盐凝胶；若与水泥、矿渣等活性组分进行复合激发，可进一步优化胶凝材料的力学性能与耐久性能。
硅酸盐矿物和铝硅酸盐矿物是碱激发反应的核心成分。在碱激发胶凝材料体系中，Ca/Si与Al/Si摩尔比是决定解聚-重组后水化产物类型的关键参数。尾矿在强碱侵蚀过程中，当Ca/Si>0.6时，水化产物以钙铝硅酸盐凝胶（C-A-S-H）为主，钠铝硅酸盐凝胶（N-A-S-H）含量较低；当0.2<Ca/Si<0.6时，体系中C-A-S-H与N-A-S-H呈多相共存状态。钙作为碱激发反应中的重要网络结构改性剂，可与硅、铝协同作用形成C-A-S-H与N-A-S-H复合凝胶体系。钙含量较高的尾矿在碱激发过程中通常表现出更强的反应活性，且凝胶形成速率更快；钙的引入有助于提升尾矿基碱激发胶凝材料的早期力学强度，但高钙体系易引发材料干缩率增大、开裂风险上升等问题，因此需通过调控钙与硅铝酸盐的比例，实现产品综合性能的优化。矿物晶体结构的稳定性直接影响其在碱激发体系中的溶解度与反应活性。石英等惰性矿物因结晶度高、结构稳定，需经改性活化处理方可有效参与反应。LIU等研究发现，尾矿中的矿物相组成（尤其是石英的晶体结构特征）对其反应活性具有显著调控作用；通过高强度机械研磨及适度高温处理，可将钠长石等结晶态矿物转化为结构无序的活性原料，进而提升其碱激发反应效能。
基于固体核磁共振波谱（17O、23Na、27Al）的数据，提出了一种新的碱铝硅酸盐凝胶（N-A-S-H）凝胶骨架的结构模型。图1展示了该凝胶结构的部分概念模型，通过钠提供的四面体铝和非骨架铝提供的桥氧上的部分负电荷的电荷平衡。碱铝硅酸盐凝胶主要由完全配位的（Q4或Q4）Si和Al单元组成。四面体配位中相当比例的Al3+存在于对称性较低的位点，凝胶中的部分电荷平衡能力是由骨架外Al物种提供的。
不同类型尾矿在碱激发反应中展现出差异化活性特征，其工程化应用方向也呈现多元化发展趋势。在碱激发胶凝材料体系中，尾矿的核心应用领域主要包括以下三类：
1）绿色建筑材料制备：尾矿经碱激发反应可转化为高强度、高耐久性的胶凝材料，典型应用形式包括地质聚合物、水泥基复合材料及水泥替代品等。此类材料不仅生产过程能耗低、碳排放强度小，还能通过替代传统硅酸盐水泥，显著降低水泥工业对生态环境的压力，符合绿色建材发展导向。
2）环境修复与废水处理：尾矿基碱激发胶凝材料在环境治理领域的应用已取得阶段性进展。研究表明，该类材料兼具优异的重金属吸附性能与化学稳定性，可用于含重金属废水处理、重金属污染场地修复等场景；同时，其高比表面积与强化学反应活性的特性，使其成为酸性废水中和、有害污染物固化的理想材料。
3）固废填埋与矿山充填：尾矿基碱激发胶凝材料被广泛应用于矿山充填与固废安全处置工程。通过将尾矿与水泥、矿渣等活性组分复合，制备的充填材料不仅具备满足工程要求的力学强度，还能有效阻隔有害气体与渗滤液的迁移扩散，从而降低矿山开采引发的环境污染风险，实现尾矿资源化与矿山生态保护的协同。
当前研究的核心方向之一，仍聚焦于针对不同类型尾矿的物化特性，优化激发剂体系选型与预处理工艺参数，进而提升尾矿在碱激发反应中的活性效率与产物稳定性。
尾矿的矿物组成和类型差异决定了其在碱激发体系中的反应活性与应用路径。表1总结了不同类型尾矿的活性激发特征，在此基础上，以下对各类尾矿在碱激发胶凝材料中的应用现状进行分类论述。
高硅尾矿在碱激发反应中通常生成较为稳定的N-A-S-H凝胶，最终材料具有良好的力学性能和耐久性。ASENIERO等研究发现，高硅型尾矿在碱活化过程中需重点考虑Si/Al比率，以提升胶凝材料的抗压强度；通过添加富铝添加剂优化硅铝比，可获得更高抗压强度，当硅铝比调整为3.0时，室温固化7d后强度可达约5.48MPa。罗志鹏等对金尾矿加气混凝土的水玻璃碱激发行为进行研究，通过调控激发剂的最佳模数与掺量，使金尾矿制品的28d抗压强度达到4MPa。SHEIKHHOSSEINI等通过无侧限压缩试验发现，高强度碱环境可显著提升胶凝材料的胶凝性能，10mol/LKOH稳定化试件固化91d时，抗压强度达到15MPa。WEI等采用机械粉磨与化学活化联合激发的方式，将高硅钒尾矿制备为胶凝材料；抗硫酸盐侵蚀试验表明，高强度机械活化能增强碱活化效率，活性尾矿基胶凝材料的质量损失随研磨时间延长逐渐减少。
铁尾矿是矿山开采中常见的尾矿类型，主要矿物成分为赤铁矿、磁铁矿和黄铁矿等。研究表明，铁尾矿与其他材料复合后，可改善碱激发胶凝材料的强度和稳定性。KAZE等在铁尾矿碱活化可行性研究中发现，溶解的Fe3+参与地质聚合基质的缩聚反应，并嵌入铝硅酸钠水合物的网络结构；碱激发过程中生成的C-A-S-H凝胶和钙矾石等产物，赋予材料较好的力学性能和抗腐蚀能力。
WANG等探索了铅离子（Pb2+）在铁尾矿基碱激发材料中的固化与浸出行为。分析表明，Pb2+的引入会促使新化合物生成，这类化合物通过桥接作用缩减孔隙，形成更致密的孔结构，进而增强材料宏观强度；XRD分析证实碱熔活化过程中黄铅矿（PbO·PbSO4）的形成。此外，结合XPS与红外光谱分析，进一步明确了尾矿基碱激发材料对Pb的固定机理（图2）：1）在OH-存在条件下，Pb2+参与碱激发反应，以Pb（OH）2和黄铅矿的形式沉淀；2）通过置换Na+/Ca2+，Pb2+掺入基质中以平衡体系电荷；3）Pb部分取代Si，形成Pb-O-Si键，该取代作用降低硅酸盐聚合度，提高非桥氧原子浓度，促进额外低聚物凝胶生成；4）Pb通过物理封装作用固定于胶凝材料内部，保障其稳定性。
图2 铅在基于尾矿的AACMs中的固定机制
铝硅尾矿主要来源于铝土矿与钠长石矿的开采加工过程，富含铝、硅元素，具备较高的反应活性。在碱激发反应体系中，铝硅尾矿能有效释放硅、铝活性单体，进而生成结构稳定的C-A-S-H凝胶与N-A-S-H凝胶。研究表明，铝硅尾矿基碱激发胶凝材料兼具高抗压强度与优良耐久性，尤其适用于苛刻环境下的建筑材料领域。通过调控铝硅比、碱激发剂类型及浓度等关键参数，可显著优化铝硅尾矿的碱激发反应性能，提升最终产物的综合性能。WANG等的研究发现，复合碱活化剂中CaO含量的增加的可促进粒化高炉矿渣（GBFS）与硫磺尾矿的早期溶解；XRD分析显示，体系中出现新的硫酸盐物相，该物相由溶解产生的硫酸根与钠离子反应生成，且随养护龄期延长逐渐减少，同时非晶相C-A-S-H/N-A-S-H凝胶相持续生成并增多，表明钠离子被持续消耗，从而显著提升了硫磺尾矿-粒化高炉矿渣基胶凝材料（STBG）的早期强度。
PERUMAL等以含镁、铝的硅质尾矿为原料，分别采用硅酸钠（Na2SiO3）、硫酸钠（Na2SO4）和碳酸钠（Na2CO3）作为激发剂，系统探究了不同碱源对碱激发反应的影响规律。结果表明，硅酸钠对镁系硅质尾矿中水滑石与C-S-H凝胶的形成具有关键作用（图3），且在高铝、高硅体系下，水化产物中的沸石相成为主导物相；当硫酸盐类激发剂为体系主导时，富铝环境中钙矾石（AFt）成为主要水化产物相（图4）。
图4 用硅酸钠（a）、硫酸钠（b）、碳酸钠（c）活化的尾矿的代表性显微照片
钙硅质尾矿（如矿渣、冶炼尾矿等）具有较高的钙含量，在碱激发反应过程中，钙元素可与硅、铝组分反应生成C-A-S-H凝胶，该类凝胶赋予材料优良的早期强度与硬化速率。将钙硅质尾矿作为碱激发胶凝材料的原料，不仅能提升反应速率，还可改善制品的抗压强度与耐久性。需注意的是，高钙含量尾矿在碱激发体系中需严格控制钙组分占比，避免因钙含量过高引发材料干缩、开裂等缺陷；通过与低钙尾矿、矿渣等材料复合配伍，可有效缓解上述问题，提升钙硅质尾矿基碱激发胶凝材料的综合性能。居辰轩基于铅锌尾矿富含Si、Ca、Al等活性元素的特性，采用碱激发工艺制备胶凝材料。该研究以铅锌尾矿为主要原料，辅以矿渣、钢渣等组分，选用硅酸钠作为碱激发剂，试验结果表明，铅锌尾矿经硅酸钠激发后，内部生成大量C-S-H凝胶、硅铝多聚体等水化产物，这些产物相互连接形成三维网络结构，该网状结构覆盖于矿物颗粒表面并形成致密整体，是固结体强度的核心来源（图5）。
图5 养护初期热活化碱激发胶凝材料微观形貌图
尾矿基碱激发胶凝材料的实际应用已逐步拓展至多个领域，如表2所示，其核心应用场景及特性如下：
1）建筑与基础设施领域：可作为混凝土替代材料用于建筑结构、道路工程等场景，不仅能降低原材料采购与工程建设成本，还因体系内稳定凝胶相的存在，具备更优异的耐久性与抗腐蚀性能，适配复杂服役环境需求。
2）矿山充填与固废处置领域：可直接用于矿山采空区充填、固废填埋场防渗/支护等工程，既能实现尾矿的资源化循环利用，减少堆存占地与环境风险，又能提升矿山资源综合利用率，契合绿色矿山建设理念。
3）环境修复领域：凭借其多孔结构与表面活性基团，在废水净化、重金属离子固化/吸附等环境修复场景中展现出良好应用潜力，为污染场地治理提供了低成本、高适配性的技术路径。
尽管尾矿在建材领域已形成初步应用基础，但规模化推广仍受限于多重技术与经济瓶颈。尾矿的矿物组成复杂且个体差异显著，其晶体结构、化学组分及反应活性直接决定了在碱激发体系中的反应行为；而尾矿反应活性的发挥，与激发剂类型及浓度存在强关联性。以氢氧化钠、水玻璃为代表的常用激发剂，不同浓度条件下会显著改变尾矿的溶解效率及凝胶产物的聚合程度：较高浓度的NaOH可加速尾矿中活性组分溶解，促使生成结构致密的凝胶产物，进而提升材料力学性能与耐久性；但碱浓度过高会导致体系黏度激增，严重影响浇注成型工艺的可操作性，这也是制约尾矿基碱激发胶凝材料规模化应用的核心技术障碍之一。
尾矿资源化利用过程中，废液与废渣的无害化处置是关键环节。碱激发反应产生的废水需经过严格处理后方可排放，尤其对于含重金属等有害组分的尾矿，尽管部分有害成分可通过碱激发反应实现固化，但需建立长期稳定性评估体系，确保其在服役周期内不会再次释放造成二次污染。此外，尾矿资源化不仅面临技术层面的挑战，经济性与环境兼容性问题同样突出：尽管碱激发技术相较传统水泥生产具有低碳排放优势，但尾矿预处理、激发剂消耗等环节仍可能产生一定环境影响。因此，如何优化废液处理工艺、降低环境污染风险，以及建立高效的有害气体捕捉与处理系统，成为当前尾矿资源化利用领域亟需突破的关键技术难题。
尽管尾矿资源化应用于碱激发胶凝材料仍面临诸多挑战，但随着技术的持续革新，尾矿基碱激发胶凝材料在工业化、规模化应用领域展现出广阔前景。未来研究需围绕以下方向重点推进，以期优化碱激发工艺、提升材料综合性能，并实现其经济可持续性发展。
为提高尾矿反应活性并降低能耗，研究者已开发多种创新碱激发工艺。例如，复合使用不同类型碱激发剂（如氢氧化钠与水玻璃复配体系），可显著提升尾矿反应活性并优化材料性能。此外，通过提高反应温度或采用水热处理等方法，可以加速碱激发反应，并提高尾矿基碱激发胶凝材料的强度与耐久性。随着碱激发工艺的持续优化，尾矿反应活性将进一步提升，为材料机械强度、耐久性及长期服役性能的改善奠定基础。
在工艺优化过程中，通过合理调控反应条件（如温度、pH值、碱激发剂浓度等），可以实现尾矿基碱激发胶凝材料性能的最佳化。同时，针对不同类型尾矿的特点，研究如何通过机械活化、热处理等方式提升其反应性尤为重要。特别是对于低反应性的硅质尾矿和铁尾矿，研究者应重点探索提高其反应活性的方法。此外，外加剂（如矿粉、矿渣、钢渣等）也可作为改善尾矿反应性和增强材料性能的有效手段。
为提升尾矿基碱激发胶凝材料的长期性能与稳定性，外加剂掺加及改性处理技术的应用已成为研究热点。将矿渣、粉煤灰、钢渣等工业固废作为外加剂与尾矿复合，可显著提升胶凝材料的力学性能、抗渗透性及耐腐蚀性；通过多元化复合激发技术，能够增强材料在湿热、酸碱等恶劣环境下的稳定性与耐久性。
对于低反应性矿山尾矿，机械活化、热活化等预处理方法是提升其反应活性的关键手段，尾矿反应活性不足易导致胶凝材料强度偏低、耐久性较差，因此在碱激发体系中，除碱类激发剂外，通常需掺加粉煤灰、矿渣、钢渣、高岭土等组分优化材料性能。为进一步提高材料长期强度，研究者提出了强化水化反应的系列策略，包括优化水胶比、延长反应时间、提高水化温度等，这些措施有助于改善材料内部致密性，进而增强其抗压强度与抗裂性能。
尾矿资源化的规模化推广，既依赖技术突破，也需建立完善的环境影响与经济效益评估体系。环境影响评估需全面考量生产过程中废气、废液、废渣的排放特征，重点关注材料长期耐久性与服役寿命；经济评估则需综合权衡尾矿处理成本、生产成本及市场需求等核心因素。
随着碱激发技术的发展与尾矿利用水平的提升，其资源化经济效益逐步显现。通过优化生产工艺、降低成本及拓展市场需求，可推动尾矿资源化规模化应用，进而促进绿色建筑材料的普及。在可持续性方面，与传统硅酸盐水泥相比，碱激发过程能耗显著降低，碳足迹可减少约80%。YANG等的研究表明，碱激发材料的生产成本低于传统硅酸盐水泥，且成本差异主要取决于碱活化剂的类型与掺量；同时，碱激发材料的二氧化碳排放量较水泥降低85%~93%。此外，尾矿基碱激发材料的核心优势在于其硬化后凝胶结构不依赖水合物增强强度，使其在极端环境下具备更优的稳定性与适应性。
近年来，碱激发胶凝材料因低环境负荷受到广泛关注，不同原料在碳排放与能耗方面的差异已成为生命周期评价（LCA）的核心内容。矿渣、粉煤灰、钢渣、硅灰等工业副产物的能耗与碳足迹通常优于传统硅酸盐水泥，而尾矿作为未经高温煅烧的固废资源，本身具备一定环境优势，但整体能耗与碳排放水平高度依赖预处理工艺及激发体系设计。表3展示了尾矿与常见碱激发材料的碳排及能耗范围，结果表明，在低碱掺量或与矿渣等高活性材料复配条件下，尾矿类材料的环境表现可与传统工业副产物相当，资源化潜力显著。需强调的是，尾矿体系的环境效益与材料组成、预处理方式及激发剂类型高度耦合，实际应用中需结合系统评价与多目标优化策略，最大化其综合环境边际价值。
1）尾矿作为碱激发胶凝材料的核心原料之一，其资源可利用性与碱激发反应行为，在很大程度上取决于尾矿的类型来源、矿物组成及化学特性。不同类型尾矿在碱激发体系中展现出差异化的反应活性与潜力，直接决定了其在实际工程中的功能定位、适配场景及应用策略。
2）已有研究成果与工程实践证实，将尾矿纳入碱激发胶凝材料体系，不仅为建筑材料行业低碳转型提供了有效技术路径，也为尾矿高值化、资源化利用开辟了可持续发展方向。在适宜的技术条件下，尾矿可部分或协同替代传统胶凝组分，广泛应用于建筑填充、固废固化/稳定化、环境修复等多场景，实现资源循环利用与生态环境保护的双重效益。
3）当前尾矿资源化利用仍面临激发效率不稳定、材料性能离散性大、长期服役适应性不足等关键挑战。未来研究应聚焦优化激发工艺参数、提升尾矿反应活性、改善材料长期服役性能等核心方向，同时强化多功能协同利用技术研发与全生命周期环境经济评价体系构建，推动尾矿基碱激发胶凝材料向实用化、工程化与规模化应用方向稳步推进。
