碳化固化过程中磨碎的高炉矿渣-钢渣-碳化物渣三元结合剂的物理化学、力学及微观结构性能

《Journal of Building Engineering》：Physicochemical, Mechanical, and Microstructural Properties of ground granulated blast-furnace slag-steel slag-carbide slag Ternary Binders under Carbonation Curing

三元复合水泥基材料（GGBS-SS-CS）的碳化养护研究表明，协同配比（GGBS:SS=2:1，总量与CS=2:3）结合4-6天碳化时间，可使抗压强度提升125.85%，抗折强度达315.70%，微观结构致密化由CaCO3填充及C-S-H/C-A-H凝胶结合实现。

　　

马文|童丽媛|张天添|郑书文|吴浩

东南大学交通学院，南京 211189，中国

摘要

工业固体废物的积累，如粒化高炉矿渣（GGBS）、钢渣（SS）和碳化渣（CS），不仅对环境构成了严重挑战，也为可持续建筑提供了潜在资源。本研究制备了三元GGBS-SS-CS复合胶凝材料，并通过正交实验和微观分析系统研究了其物理化学性质、力学性能、应力-应变-电阻行为、碳化深度以及碳化养护过程中的微观结构演变。与以往仅限于单一废物碳化系统的研究不同，本工作展示了GGBS-SS-CS三元混合物的独特协同效应。CS提供Ca(OH)₂来激活GGBS和SS，而GGBS和SS则提供反应性的SiO₂和Al₂O₃，这些成分可以消耗多余的Ca(OH)₂并促进CaCO₃的形成。这种互补的化学作用创造了一个单一系统无法实现的平衡水化-碳化环境。结果表明，碳化时间和混合比例显著影响了材料的力学性能。最佳比例为（GGBS + SS）：CS = 2:3（GGBS:SS = 2:1），这种比例能够提供平衡的碱性环境以及足够的反应性成分，以实现有效的水化-碳化协同效应。建议碳化养护时间为4-6天。在这种比例下，抗压强度和抗弯强度分别比普通养护后的强度提高了125.85%和315.70%。电阻率和pH值监测证实了碳化过程中离子的消耗和CaCO₃的形成，而应力-应变-电阻曲线揭示了材料在致密化、开裂和破坏过程中的电学响应特征。碳化深度分析进一步证实了CO₂的逐步渗透，在最佳比例下达到了15.73毫米。XRD和SEM结果表明，CaCO₃和C-(A)-S-H是碳化养护过程中的主要产物。由CaCO₃填充和C-(A)-S-H结合形成的致密微观结构解释了材料的优异力学性能。总体而言，本研究突显了碳化养护在提高GGBS-SS-CS三元胶凝材料力学性能和微观结构致密化方面的潜力，同时有助于CO₂的利用和建筑材料的可持续发展。

引言

城市化的快速推进导致了大量工业固体废物的积累，如碳化渣（CS）、高炉矿渣（GGBS）和钢渣（SS）。这些副产品的不当处理造成了严重的环境污染和资源浪费^[1]。然而，这些废物含有具有胶凝特性的活性氧化物（SiO₂、Al₂O₃、CaO），使其成为传统水泥的有希望的替代品^[2]。它们的回收利用不仅促进了可持续建筑的发展，还有助于实现“无废物城市”的目标，同时减少了碳排放^[3]。

火山灰反应为工业固体废物的资源化利用提供了理论基础。类似于波特兰水泥，富含CaO、活性SiO₂和活性Al₂O₃的废物可以在水环境中反应生成水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-A-H）凝胶^[4],[5],[6]。这些水化产物通过两种机制提升材料性能：（i）通过颗粒桥接形成网络结构，从而增强力学强度；（ii）生成致密的表层，显著提高材料的 impermeability（不透水性）。典型的火山灰反应方程式见公式（1）、（2）$$

在这些废物中，CS是乙炔工业的副产品，富含Ca(OH)₂，并会发生絮凝、聚集、火山灰反应和阳离子交换^[7],[8],[9]。GGBS主要由SiO₂、CaO和Al₂O₃组成，其成分与波特兰水泥相似^[10],[11]。虽然GGBS可以独立水化，但这一过程较慢，在碱性活化剂存在下会显著加速^{[12],[13],[14],[15]}。李文涛等人^[16]证明，CS中的Ca(OH)₂可以加速GGBS的水化，从而产生更多的水化产物；然而，过量的CS会降低GGBS的含量并增加结晶态Ca(OH)₂，从而削弱力学强度。据报道，对于抗压强度而言，CS与水化石灰的最佳比例为10%（7天时），以及5%（28天和56天时）。

钢渣的产量为每吨钢100-150公斤^[17],[18]，主要由C₃S、C₂S、C₂F、C₄AF和RO相组成，与水泥有很强的相似性，是一种有效的补充胶凝材料^[19],[20]。RO相是MgO、MnO和FeO的固溶体，通常占钢渣的约30%。值得注意的是，它在常温条件下不会水化，即使在高温高压下也不会加速水化^[21],[22]。

为了应对全球减排策略，碳化养护作为一种有前景的碳捕获和储存（CCS）方法应运而生^{[23],[24],[25],[26],[27]}。固体废物对CO₂的矿化解决了两个关键问题：废物积累和温室气体排放。自1990年Seifritz首次提出这一概念以来，CO₂矿化因其大规模封存潜力而受到重视。后续研究证实，碱性胶凝材料可以与CO₂反应，使碳化成为一种可持续且经济有效的方法来改善材料性能^[28]。

对于碱性胶凝系统而言，碳化能有效激活活性成分^[29],[30]。水化水泥浆体含有Ca(OH)₂、铝酸钙、AFt、AFm、C-S-H凝胶和未水化的熟料，所有这些成分都可以通过与CO₂的反应进行溶解和沉淀^[31]。主要的碳化反应见公式（3）、（4）、（5）、（6）、（7）^[32]。张奇等人^[33]研究了钢渣和碳化渣胶凝材料的碳化增强效果。钢渣块的碳化率为24.56%，抗压强度为79.68 MPa；而碳化渣块的碳化率为64.46%，但强度仅为44.64 MPa。张南南^[34]发现，不同Al₂O₃/SiO₂比例的钢渣（富含钙质矿物）具有很强的CO₂吸收能力，在24小时内可吸收其重量的14.5%-15.7%的CO₂。钱强等人^[35]报告称，在碳化养护条件下将30%的钢渣掺入胶凝材料中，可获得最佳性能，抗压强度达到28.17 MPa——比不含钢渣的对照组高出约2.43倍。刘鹏等人^[36]指出，对钢渣进行加速碳化预处理可产生纳米级CaCO₃和非晶态SiO₂凝胶，从而增强水化作用（抗压强度提高9.7%），并保证体积稳定性（膨胀率为0.17%），为制备高质量替代水泥的SCMs提供了新途径。$$