CO2发泡碱激发钢渣-高炉矿渣复合充填材料的孔隙结构、碳封存及力学性能研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Insights into pore structure, carbon sequestration, and mechanical performance of CO2-foamed alkali-activated steel slag-blast furnace slag composite backfilling materials

　　

为实现工业固废与CO2的协同利用，研究人员采用CO2作为功能性发泡剂制备CO2发泡碱激发钢渣-高炉矿渣复合充填材料（CFS），旨在同步实现多孔结构构建与高效CO2封存。研究系统评估了CO2泡沫掺量对孔隙结构演化、CO2封存及力学性能的影响，并通过多尺度微观表征阐明调控机制。结果表明，CO2泡沫掺量是控制封存效率与强度发展的关键参数，其通过影响孔隙形态发挥作用。4 L为最优掺量，此时形成均匀致密的孔隙结构，孔隙率为16.12%，平均孔径为0.04 mm；该条件下CFS的峰值CO2封存率达2.78%，同时保留2.16 MPa的28 d抗压强度，证明适宜掺量可有效平衡孔隙细化、CO2封存能力提升与力学稳定性。微观分析表明，该现象归因于稳定气泡体系对CO2的高效封装，以及气-液-固反应界面的扩展促进孔壁碳酸盐沉积并强化界面结构。当CO2泡沫掺量增至6 L时，浆体稳泡能力达到极限，引发气泡合并与破裂，导致孔隙粗化与连通，CO2封存率降至2.14%，且28 d抗压强度显著下降至0.71 MPa。

该研究针对钢铁冶炼过程中产生的大量钢渣（SS）与高炉矿渣（BFS）固废堆积、综合利用率不足，以及CO₂排放加剧全球气候变化的问题，为响应中国“双碳”目标，探索固废资源化与碳减排的协同路径。传统泡沫充填材料多以硅酸盐水泥为胶凝组分，生产碳排放高，且常规发泡介质多为空气，未实现固废高值化与碳封存的耦合。研究人员创新性地将CO₂作为功能性发泡气体引入碱激发SS-BFS胶凝体系，构建“以废固碳”的协同技术路线，相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

研究采用的关键技术方法包括：以SS与BFS为原料，十二烷基硫酸钠（SDS）为发泡剂、硬脂酸钙（CS）为稳泡剂，通过调控CO₂泡沫掺量制备系列CFS试样；采用数字图像分析法量化孔隙结构与孔径分布；通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TG/DTG）、扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）等多尺度微观表征手段，解析物相组成、官能团演变、碳酸盐生成量及微观形貌特征；结合质量法计算总CO₂封存率，并基于生命周期评价（LCA）核算材料碳足迹。

研究结果如下：

3.1 CO₂泡沫掺量对CFS孔隙结构演化的影响：低掺量（1 L）时孔隙稀疏、孔径大且分布离散；掺量增至2–4 L时，孔隙数量显著增加，分布均匀性提升，平均孔径降至0.03–0.04 mm，形成大量近似球形的封闭微孔；掺量达6 L时，浆体稳泡能力不足导致气泡合并破裂，出现不规则、连通的缺陷孔隙，孔隙结构恶化。宏观孔隙率随掺量增加呈非线性上升，0–4 L阶段快速增长，4–6 L阶段增速放缓，过量气泡合并降低了浆体储气能力。

3.2 CO₂泡沫掺量对CFS碳封存及力学性能的影响：预碳化试样CFS0(C)的CO₂封存率达0.96%，且力学性能显著提升，源于碳化产物填充孔隙增强密实度。引入CO₂泡沫后，封存率呈先升后降趋势，4 L时达峰值2.78%，归因于泡沫封装的CO₂及微气泡扩展的气-液-固反应界面促进碳化反应；6 L时因孔隙结构恶化导致CO₂逃逸，封存率降至2.14%。力学性能随掺量增加单调下降，6 L时28 d抗压强度仅0.71 MPa，早期（3 d、7 d）强度可达28 d强度的70%–80%，表明碱激发与早期碳化共同促进早期强度发展。

3.3 CO₂泡沫对CFS矿物组成与微观结构的影响

3.3.1 物相组成：XRD与FTIR结果显示，碳化试样中碳酸钙（CaCO₃）衍射峰与特征吸收峰强度显著高于未碳化试样，活性组分（如氢氧化钙Ca(OH)₂、硅酸二钙C₂S、硅酸三钙C₃S等）峰强降低，证实碳化预处理与CO₂泡沫引入有效促进体系中碳化反应，生成稳定碳酸盐沉淀。4 L掺量时碳酸盐生成量最高，过量则因反应界面破坏导致生成量减少。

3.3.2 TG-DTG分析：540–780°C温度区间的质量损失对应碳酸盐分解，定量计算表明4 L掺量时化学矿化封存的CO₂量达2.63%，与XRD、FTIR结论一致。化学矿化量低于质量法测得的总封存率，差值源于物理封存（封闭气泡内的CO₂），证实CFS的CO₂封存由物理与化学途径共同构成。

3.3.3 孔隙结构特征：光学显微观察显示，适量泡沫形成的微气泡均匀分布于颗粒周围，为CO₂提供稳定封存空间；过量泡沫导致气泡合并粗化，结构稳定性下降，气泡破裂引发CO₂逃逸与颗粒团聚，降低性能。

3.3.4 微观结构与特征：SEM-EDS分析表明，4 L掺量时气泡壁及周围浆体形成致密反应产物层，EDS面扫显示C、O元素信号与Ca元素分布高度重合，证实孔壁处碳酸钙沉积富集，微气泡通过扩展反应界面促进CO₂传质与化学固定；6 L掺量时孔隙连通、孔壁破碎，结构连续性受损，碳酸盐分布均匀性下降，导致封存率与强度同步劣化。

3.4 碳足迹计算与分析：对最优掺量CFS4(C)的生命周期评价显示，其碳足迹为-1.86 kg/t，实现负碳排放。据估算，若将中国采煤形成的采空区全部采用CFS进行CO₂封存，全生命周期可实现361万吨碳减排，推动CCUS技术在煤矿领域的应用。

讨论部分指出，与传统空气或化学发泡剂仅物理造孔不同，CO₂发泡实现了“发泡”与“碳封存”的协同：碱激发反应中SS与BFS的玻璃体解聚释放活性离子，聚合形成水化硅酸钙（C-S-H）与水化硅铝酸钙（C-A-S-H）凝胶，提供强度与碳化反应界面；CO₂封存分为化学封存（与碱土金属离子及水化产物反应生成碳酸盐）与物理封存（封闭气泡内CO₂及孔隙表面物理吸附）。4 L掺量时，均匀微孔同时提升物理封存空间与化学封存效率，孔壁碳酸盐沉积强化界面，部分抵消孔隙率升高的强度损失；过量掺量则因孔隙结构劣化导致封存率与强度同步下降。

研究结论总结如下：（1）CO₂泡沫掺量显著调控CFS孔隙结构，4 L时形成孔隙率16.12%、平均孔径0.04 mm的均匀致密封闭孔隙，6 L时因气泡合并破裂导致孔隙粗化连通。（2）CFS的CO₂封存包含物理（气泡封装）与化学（矿化反应）双途径，4 L时总封存率达峰值2.78%，过量则因气泡破裂降至2.14%。（3）CFS力学性能受孔隙结构与碳酸盐沉积共同调控，4 L时凭借均匀孔隙与致密孔壁界面保留2.16 MPa的28 d强度，6 L时高孔隙率导致的结构疏松效应占主导，强度骤降至0.71 MPa。（4）微观分析证实，适量CO₂泡沫通过扩展气-液-固反应界面促进孔壁碳酸钙沉积，实现高效化学封存；过量则引发气泡合并与孔壁破碎，导致反应界面丧失与CO₂逃逸，结构与性能同步劣化。