钢包炉渣的加速碳化：在可持续水泥应用中实现二氧化碳利用和废弃物价值化的双重途径

《Journal of CO2 Utilization》：Accelerated carbonation of ladle furnace slag: A dual approach to CO 2 utilization and waste valorization in sustainable cement applications

水泥基材料减碳与工业废料资源化：电炉渣加速碳化处理对水泥性能的影响研究。

　　这项研究探讨了通过加速二氧化碳碳化将钢渣转化为具有高反应性和低碳排放的补充性水泥材料（SCM）的可行性，特别是在水泥行业需要减少碳足迹的背景下。研究重点分析了低碳钢渣（LFS）在碳化处理后的性能变化，并评估了其在水泥浆体中的应用潜力。LFS在钢制造过程中不可避免地产生，每年全球产量超过2000万吨，但由于其矿物组成和冷却过程中的化学反应性限制，大部分LFS被直接丢弃在垃圾填埋场，造成了资源浪费和环境风险。因此，探索有效的LFS处理方式，将其转化为可持续的建筑材料，对于推动循环经济和实现碳中和目标具有重要意义。

LFS的主要成分包括氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO?）、氧化铝（Al?O?）和氧化镁（MgO），这些成分理论上可以作为水泥材料的补充。然而，由于其缓慢的冷却过程，LFS中原本具有活性的β-C?S相逐渐转化为不反应的γ-C?S相，限制了其在水泥系统中的反应性。此外，LFS中高含量的游离CaO和MgO也会引发膨胀性水化反应，进一步降低了其应用价值。因此，如何提高LFS的反应性，使其能够在水泥中发挥积极作用，是本研究关注的核心问题。

为了克服这些挑战，研究采用了一种新型的碳化技术，通过将LFS暴露于100%的二氧化碳环境中进行72小时的加速碳化处理。这一过程不仅提高了LFS的反应性，还实现了二氧化碳的捕获。经过碳化处理的LFS，其表面形成了细小的纳米级碳酸钙（CaCO?）多形，如文石、方解石和水合方解石。这些碳酸钙多形在水化过程中作为异质成核位点，促进了波特兰水泥（Ca(OH)?）和硅酸盐水化凝胶（C–S–H）的快速形成，提高了水泥浆体的早期水化速率和长期强度。研究结果显示，当碳化LFS以25%和50%的比例替代水泥时，其水泥浆体在64天时的抗压强度分别提升了22.8%和更显著的数值，同时水吸收率降低了7.8%，孔隙率减少了5.2%，碳化深度降低了17.7%。这些结果表明，碳化处理不仅提升了LFS的反应性，还显著增强了其在水泥体系中的性能表现。

研究进一步探讨了碳化LFS在水泥浆体中的微观结构变化。通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，研究确认了碳化LFS在水化过程中能够促进形成更致密的微观结构，从而提高材料的耐久性和性能。在碳化处理过程中，LFS表面的纳米级碳酸钙多形不仅作为成核位点，还通过微结构变化降低了材料的孔隙率，增加了材料的强度和稳定性。此外，碳化处理还能减少LFS中重金属的浸出，降低了对环境的潜在影响，如铅、锌、铜、铬、镉和锰等元素的浓度显著降低，符合无害废弃物的分类标准。

为了验证碳化LFS在水泥浆体中的应用效果，研究设计了多种混合比例，分别使用25%和50%的碳化与未碳化LFS替代水泥，并进行了为期64天的水化测试。结果显示，碳化LFS在水化过程中表现出更高的反应活性，不仅加速了早期水化，还促进了后期强度的发展。与未碳化LFS相比，碳化LFS在64天时的抗压强度显著提高，表明其在水泥体系中的应用能够有效提升材料的性能。同时，水吸收率和孔隙率的降低也表明碳化LFS能够改善材料的耐水性和抗渗透性，从而提高其长期耐久性。

研究还关注了碳化LFS对水泥浆体微观结构的影响。通过SEM图像可以观察到，碳化LFS在水化过程中能够促进形成更致密的微观结构，提高水泥浆体的强度和稳定性。而未碳化LFS由于其较低的反应性，往往在水化过程中形成更多的孔隙和裂纹，导致材料性能下降。碳化LFS在微观结构上表现出更好的结合性和更少的裂纹，这可能是由于碳化过程中形成的纳米级碳酸钙多形增强了颗粒间的相互作用，从而改善了浆体的整体性能。

此外，研究还分析了碳化LFS在水泥浆体中的碳化阻力。结果显示，碳化LFS在碳化过程中能够形成更致密的微观结构，从而降低二氧化碳的渗透速率。在碳化处理后，碳化LFS的碳化深度和二氧化碳吸收量明显低于未碳化LFS，表明其在水泥浆体中的应用能够有效减少二氧化碳的进一步吸收，提高材料的稳定性。这一特性使得碳化LFS在碳封存方面表现出更大的优势，能够同时实现碳减排和材料性能提升的双重目标。

研究还探讨了碳化LFS对水泥浆体碳排放的影响。通过将碳化LFS的碳吸收量与水泥浆体的抗压强度进行对比，研究发现碳化LFS的使用能够显著降低每单位强度的碳排放。具体而言，当碳化LFS以25%的比例替代水泥时，其碳排放强度为5.0 g·MPa?1，而未碳化LFS的碳排放强度则更高。这一结果表明，碳化LFS不仅能够提高水泥浆体的性能，还能有效降低其碳足迹，符合可持续发展的理念。

从整体来看，这项研究展示了碳化LFS在水泥浆体中的广泛应用潜力。碳化处理不仅提高了LFS的反应性，还改善了其在水泥体系中的性能表现，使其成为一种高反应性和低碳排放的补充性水泥材料。此外，碳化LFS的使用能够减少水泥的需求，降低水泥生产过程中的碳排放，从而推动建筑行业向低碳化、可持续化发展。研究还指出，虽然碳化处理可能在某些情况下引入微裂纹，但随着水化时间的延长，这些微裂纹会被逐渐填充，提高材料的强度和稳定性。

综上所述，这项研究不仅验证了碳化LFS在水泥浆体中的可行性，还为未来水泥行业的碳减排和资源循环利用提供了新的思路。通过将LFS转化为具有高反应性和低碳排放的材料，不仅能够提高水泥浆体的性能，还能有效减少碳排放，实现环境与经济效益的双赢。未来，进一步优化碳化工艺，提高碳化LFS的反应性和稳定性，将是推动其在实际工程中应用的关键。同时，探索更多类型的工业废弃物，通过类似的碳化处理方法，将其转化为高价值的建筑材料，也是实现循环经济和可持续发展的重要方向。