基于智能物联网基础设施与人机交互的可持续人类住区GIS模型优化研究

本研究针对传统水泥生产的高碳排放问题，开发了一种无波特兰水泥(OPC)的碳封存粘结剂系统。通过整合富铁工业废料、飞灰和偏高岭土，采用草酸(oxalic acid)活化与CO2养护工艺，利用响应面法(RSM)优化获得62.8 MPa抗压强度，实现了工业废料高值化利用与碳负排放，为低碳建筑材料提供了创新解决方案。

　　

在全球建筑行业面临严峻碳减排压力的背景下，传统波特兰水泥(OPC)生产造成的碳排放问题日益突出。据统计，水泥行业贡献了全球8-10%的CO₂排放，主要源于石灰石煅烧过程和高能耗的窑炉操作。随着城市化进程加速，基础设施需求持续增长与环境保护之间的矛盾愈发尖锐。虽然部分研究尝试通过添加辅助胶凝材料(SCMs)来减少熟料用量，但这些方法仍无法从根本上解决水泥生产的环境负担。

针对这一挑战，研究人员开发了一种革命性的无水泥粘结剂系统。该系统创新性地采用钢铁工业废料（含铁量76-84%）作为主要原料，占比高达60%，结合飞灰(20%)、偏高岭土(metakaolin)和石灰石(各10%)，通过草酸(oxalic acid)活化促进铁碳酸盐形成。研究采用响应面法(RSS)对草酸用量(2-5%)、CO₂养护压力(0-3 bar)、养护时间(1-15天)等关键参数进行多目标优化，建立了可靠的预测模型(R2=0.9847)。

研究团队运用X射线衍射(XRD)、热重-差热分析(TGA-DTG)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和场发射扫描电镜(FESEM)等先进表征技术，系统分析了材料的微观结构和相组成。XRD证实了菱铁矿(siderite, FeCO₃)、方解石(calcite, CaCO₃)和针铁矿(goethite, α-FeOOH)等关键相的形成；TGA显示在600-700°C有明显的碳酸盐分解峰，验证了CO₂封存效果；FESEM观察到致密的低孔隙率结构和相互锁定的纳米棒状晶体，解释了材料的高强度机制。

通过34组实验的系统优化，研究确定了最佳工艺参数：2%草酸、3 bar CO₂压力、14天CO₂养护和5天空气养护，水胶比0.17。验证实验获得62.8 MPa的抗压强度，与预测值误差仅3.41%，显著高于普通水泥净浆(25-35 MPa)。材料中工业废料占比超过75%，每吨粘结剂的CO₂排放预计低于300 kg，远低于传统水泥(800-900 kg/t)。

这项研究的意义在于：1) 开发了完全不含OPC的高性能粘结剂；2) 实现了工业固废的大规模资源化利用；3) 通过矿化封存CO₂，创造了碳负排放的建筑材料；4) 建立了可扩展的工艺模型，为产业化奠定了基础。该成果发表在《Results in Engineering》期刊，为建筑行业低碳转型提供了创新解决方案，有力推动了循环经济发展和碳中和目标的实现。