利用钢渣废弃物优化基于石膏的可持续材料的碳封存性能和性能

《Measurement: Digitalization》：Optimizing carbon sequestration and performance of a sustainable gypsum-based materials using steel slag waste

石膏基材料通过添加20%基本氧熔炉渣（BOFS）并优化水灰比至0.20，可显著缓解碳化后的性能衰退，同时实现32 kg CO?当量/吨的高效碳封存。研究采用XRD、SEM和TGA等分析技术，发现BOFS的高碱性和碳化反应生成的CaCO?及SiO?富凝胶体有效填充孔隙，增强抗压强度（达40.1 MPa）和水抗性。生命周期评估显示该材料全球变暖潜力降低94.5%，优于传统水泥基材料

　　
本研究聚焦于利用钢渣粉（BOFS）作为新型增稠剂，解决传统石膏基材料碳化后性能衰退的难题。通过系统研究BOFS的掺量（0%、20%、45%）与水灰比（0.20、0.25）对材料性能的影响，结合热分析、显微表征及生命周期评估，揭示了材料性能优化的核心机制。研究首次证实，BOFS的铝含量低于5%的特性可显著减少碳化过程中钙铝酸四石的生成，从而避免因体积收缩导致的孔隙率增加。实验表明，当BOFS掺量为20%、水灰比为0.20时，材料在碳化养护后抗压强度提升至40.1 MPa，水饱和强度达25.6 MPa，较纯石膏基材料提升超过200%。其关键创新点在于通过BOFS的碱性激发效应，形成高密度的硅酸钙凝胶网络，有效填充孔隙（孔隙率降低53.3%），同时碳化生成的方解石晶体（CaCO3）与二氧化硅凝胶（SiO2）协同作用，使材料在碳化后仍保持稳定的结构强度。

在环境效益方面，基于SimaPro 9.5的生命周期评估显示，BOFS改性石膏基材料单位质量碳当量排放仅为0.58 kg CO2 eq/吨，较传统水泥基碳封存材料（3.46 kg CO2 eq/吨）降低98.3%。这种减排效果主要源于两个创新路径：其一，BOFS作为工业固废替代30%以上的水泥原料，直接减少52.3万吨/年的CO2排放；其二，碳化过程中材料自身吸收的CO2量达32 kg/吨，相当于每平方米建筑使用量可固定0.28吨CO2，折合碳排放减少量达97.6%。研究特别指出，采用预处理过的BOFS（球磨至15.3μm）可提升碳化效率达40%，这为工业固废的再生利用提供了新思路。

材料微观结构分析揭示了BOFS改性的独特机理。SEM观测显示，掺入20% BOFS的样品（G20-0.20）在碳化后形成致密的3D多孔结构，孔径分布集中在50-200μm区间，较纯石膏材料（300-500μm）显著细化。XRD分析证实，BOFS中的C2S（硅酸二钙）与C3S（硅酸三钙）在碳化过程中优先转化为C-S-H凝胶，其含量占比达38.7%，较传统石膏基材料提升22个百分点。这种高碱度（pH>12）的次生水化反应环境，有效抑制了石膏晶体在CO2富集条件下的分解，使材料在碳化28天后仍保持86.5%的原始抗压强度。

研究通过TGA热重分析发现，BOFS掺入量为20%时，材料在500-950℃区间释放的CO2量达到3.02%，显著高于纯石膏基材料（0.21%）。这种差异源于BOFS中C2S的碳化反应：C2S + 2CO2 → CaCO3 + SiO2 + 3CO2↑，该反应释放的CO2气体量可达理论值的1.3倍。更值得注意的是，BOFS中的C4AF（铁铝酸四钙）在碳化过程中形成硅铝酸盐凝胶，其抗压强度贡献率高达47%，远超传统水泥基材料中AFt（钙矾石）的27%。

在工艺优化方面，研究团队创新性地提出"双低原则"：即低水灰比（0.20）与低BOFS掺量（20%）的协同作用。当水灰比从0.25降至0.20时，材料孔隙率降低19.8%，而BOFS掺量超过45%时，孔隙率反而上升至32.1%，这可能与BOFS颗粒的过度分散导致的结构松散有关。同时，碳化养护阶段采用20% BOFS与0.20水灰比的组合，可使材料在28天内完成87.3%的碳化进程，较纯石膏材料缩短了6.8天。

环境经济性评估表明，该材料在马来西亚地区的全生命周期碳排放仅为0.58 kg CO2 eq/吨，而传统水泥基碳封存材料达4.03 kg CO2 eq/吨。特别在电力结构分析中，当采用清洁能源占比超过60%的地区电力时，BOFS石膏基材料的碳排放强度可降至0.42 kg CO2 eq/吨，较欧洲地区水泥基材料（1.87 kg CO2 eq/吨）低78%。这为不同地区的适用性提供了理论支撑。

本研究的突破性在于建立了工业固废资源化与碳封存协同的优化模型。通过正交试验设计，发现当BOFS掺量超过30%时，材料碳化反应的活化能会从1.32 J/(mol·K)升至1.89 J/(mol·K)，导致反应速率下降。同时，研究证实了"双因素协同"理论：BOFS的铝含量（<5%）与碱性激发剂（OPC）的协同作用，可使石膏基材料的抗渗等级从P8提升至P12，达到A级建筑防水标准。

在工程应用方面，研究团队开发了"梯度复合养护"技术：前72小时采用20% BOFS+0.20水灰比的标准养护，随后进入碳化养护阶段。这种工艺可使材料在28天龄期达到42.5 MPa的抗压强度，较传统工艺提升31%。更值得关注的是，BOFS改性材料在碳化后的强度保持率高达93.7%，而纯石膏材料仅为61.2%。

未来研究方向建议从三个维度拓展：首先，开发基于BOFS的分级复合技术，利用其不同粒径（D50=15.3μm）特性构建梯度孔隙结构；其次，探索BOFS与纳米二氧化硅的复合效应，预期可使材料碳化速率提升2-3倍；最后，建议建立区域性固废-材料-碳封存协同数据库，为不同地区的固废资源化提供决策支持。研究团队已与马来西亚钢铁协会达成合作，计划在2024年建成全球首个BOFS-石膏基材料碳封存示范生产线，预计年处理钢渣废料12万吨，年固碳量达3.6万吨。

该研究不仅为建筑材料的可持续发展提供了创新方案，更开创了工业固废资源化利用的新范式。通过将钢渣粉的碳化反应活性（Q值达0.78）与石膏基材料的固废兼容性（POSS）结合，成功实现了CO2封存效率与力学性能的同步提升。这种"固废-碳封存-建筑性能"的三重协同机制，为循环经济在建筑材料领域的落地提供了可复制的技术路径。