原位钙相设计策略：利用碱性固体废弃物开发高性能低碳建筑材料

本研究针对水泥行业高碳排放问题，创新性地提出原位钙相设计策略，通过预水化处理将钢渣中的游离氧化钙(f-CaO)转化为氢氧化钙，结合粉煤灰(FA)和碱性激发剂制备出抗压强度提升133.7%的碱激发材料(AAMs)。该材料全球变暖潜能值(GWP)仅为传统水泥的34-40%，有望为全球减少2.2-3.0 Gt CO2-eq排放，为冶金固废高值化利用和建筑行业碳中和提供新思路。

　　

全球水泥行业每年贡献8%的碳排放，而随着发展中国家基础设施建设需求激增，这一数字仍在持续攀升。作为主要工业固废，钢渣(SS)年产量超过1.9亿吨，但传统利用方式受限于其两大缺陷：游离氧化钙(f-CaO)遇水膨胀率达98%，且主要晶相硅酸二钙(β-C₂S)水化活性低下。虽然超细粉磨能短期提升活性，但会加剧孔隙结构恶化；加速碳酸化虽可转化f-CaO，却需苛刻条件且导致活性组分流失。如何突破这些技术瓶颈，实现钢渣的大规模高值化利用，成为亟待解决的世界性难题。

山东科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，提出"原位钙相设计"策略——通过预水化将f-CaO提前转化为氢氧化钙和C-S-H凝胶，再与粉煤灰(FA)复合制备碱激发材料(AAMs)。这种创新方法不仅规避了体积膨胀风险，更意外发现了弹性模量高达50 GPa的富钠凝胶(N-(C)-A-S-H)，为开发高性能低碳建材开辟了新路径。

研究采用多尺度表征技术：通过X射线衍射(XRD)和热重分析(TG)追踪预水化前后物相转变；利用环境扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)揭示不同凝胶的形貌特征与力学性能；结合X射线计算机断层扫描(X-CT)三维重建孔隙结构；采用等温量热法量化反应热力学过程；创新性地引入微波养护(MW)与传统烘箱养护(OV)对比研究。

【预水化钢渣的特性改变】

预水化使钢渣表面形成C-S-H凝胶和片状Ca(OH)₂覆盖层，D₉₀粒径从34.1μm增至44.8μm。接触角测试显示处理后的钢渣(WSS)粉末能均匀吸收碱性激发剂，而原始钢渣(SS)会出现局部快速硬化现象。重金属浸出实验证实预处理废水符合国家标准，其中硫元素以SO₄^2-形式存在浓度67.473 mg L^-1。

【预水化提升AAMs性能】

预水化使3天累计放热量降低26.2%，其中f-CaO水化放热减少15.2 J g^-1。室温养护28天的抗压强度达55.6 MPa，远超P.O 42.5R水泥标准。傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示450 cm^-1处Si-O弯曲振动峰左移，证实更多凝胶生成。微波养护样品展现出最完整的反应程度，而70℃烘箱养护会过早消耗后期活性。

【微观结构差异】

原始钢渣样品呈现8.7%孔隙率和近100μm裂纹，未反应的FA颗粒加剧裂缝扩展。预水化样品孔隙率仅3.9%，并观察到层状堆叠的N-(C)-A-S-H纳米晶体，其Na/Ca比达2-2.5。AFM测试显示该凝胶弹性模量早期即达30 GPa，28天升至50 GPa，远超普通水泥的C-S-H凝胶(30-40 GPa)。

【碳足迹分析】

以蒙特卡洛模拟5000次运行显示，钢渣基AAMs的全球变暖潜能值为232-265 kg CO₂-eq ton^-1，仅为水泥的34-40%。碱性激发剂生产贡献64.7%排放，当硅酸钠模数调至1.4M、水碱比>2:1时可优化平衡。与传统认知不同，微波养护因工业设备能效(56-68%)限制，其碳排放与烘箱养护相当。

这项研究通过巧妙的"两步走"策略——先预水化消除f-CaO隐患，再构建富钠凝胶增强性能，实现了70%钢渣掺量的技术突破。相比需要CO₂富集的碳酸化路线，预水化工艺更易规模化应用。研究特别指出，中国年产超1亿吨钢渣和1.5亿吨粉煤灰，该技术若推广可助力建材行业减排2.2-3.0 Gt CO₂-eq，为《巴黎协定》2℃温控目标提供关键技术支撑。微波养护的独特优势也为3D打印混凝土等新兴技术提供了新思路，展现出广阔的产业化前景。