通过调整碳酸钙（CaCO?）的多态性并提高碳化程度，利用高炉矿渣改善水泥浆的机械性能

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Improving the mechanical properties of cement paste with carbonated blast furnace slag by tailoring CaCO 3 polymorphs and increasing carbonation degree

碳化矿渣作为胶凝材料替代品，研究其碳化程度和碳酸钙晶型（方解石、文石、方沸石）对水泥基材料性能的影响。通过调整矿渣碳化程度（3%、6%、9%）并分析不同晶型形成机制，发现适度碳化（6%）可提升矿渣水化反应活性，促进后期强度发展；文石晶型可显著提高早期抗压强度（23%）和抗折强度（70%），而方解石对方期强度（17%）更具优势。研究提出碳化矿渣优化应用需平衡晶型分布与碳化程度，以实现低碳混凝土的力学性能与耐久性协同提升。

　　在现代建筑和基础设施建设中，混凝土因其高强度、耐久性和广泛的适用性而成为不可或缺的材料。然而，混凝土的生产过程伴随着显著的碳排放问题，尤其是水泥的制造环节。水泥行业被认为是全球二氧化碳排放的主要来源之一，约占总量的7%。制造1吨水泥会释放0.73至0.99吨的二氧化碳，其中约50%来自石灰石的煅烧，40%则源于化石燃料的使用。随着全球对混凝土需求的持续增长，预计到2050年，相关排放可能增加23%，这凸显了寻找可持续解决方案的紧迫性。

为了应对这一挑战，研究人员长期以来致力于使用工业副产品作为水泥的替代材料，以降低混凝土的碳足迹。其中，高炉矿渣（简称矿渣）因其优异的物理和化学性能，成为水泥替代的重要选择。矿渣是炼铁过程中产生的废料，通过将熔融矿渣冷却并在水中粉碎成细粉而获得。矿渣本身具有潜在的水硬性，这意味着它可以在水中形成胶凝产物，但需要像氢氧化钙这样的活化剂才能充分发挥其性能。此外，矿渣还表现出火山灰特性，能够与水泥水化过程中释放的氢氧化钙发生反应，生成额外的钙（铝硅酸盐）水合物，从而改善混凝土的长期强度和耐久性。

尽管矿渣在混凝土中的应用具有诸多优势，但其使用也伴随着一些挑战。首先，矿渣替代水泥会降低水化过程中的放热量峰值，并延缓其出现时间，同时减少水化过程中的累计放热。这可能影响混凝土的早期硬化速度，从而影响施工进度。其次，矿渣的加入会延长混凝土的初凝和终凝时间，这不仅会影响施工效率，还可能增加项目成本。例如，当矿渣替代比例达到40%时，初凝时间从254分钟增加至328分钟，终凝时间从452分钟增加至546分钟。第三，矿渣的反应活性较低，导致早期抗压强度显著下降。例如，在1天龄期时，40%矿渣替代的混凝土强度从23 MPa降至10 MPa，降幅达56%。第四，过量的矿渣替代（如超过40%）可能会因稀释效应而降低后期强度。例如，在28天龄期时，60%矿渣替代的混凝土强度从132 MPa降至149 MPa，而80%替代的强度则进一步下降至25.3 MPa。

为了解决这些问题，近年来的研究提出了在将矿渣作为水泥替代材料之前进行预碳化的方法。通过预碳化，矿渣表面会形成碳酸钙（CaCO?）的多晶型物，如方解石、文石和霰石。这些多晶型物能够作为成核位点，促进水泥的水化反应，从而提高混凝土的早期和后期强度。例如，在超高性能混凝土（UHPC）中，预碳化矿渣的加入使1天龄期的抗压强度从50.75 MPa提高至52.62 MPa，而28天龄期的强度则从118 MPa提升至139 MPa。此外，预碳化矿渣还通过填充作用、成核促进和二次火山灰反应，显著改善了混凝土的性能。

除了矿渣，其他工业副产品如钢渣、粉煤灰、水泥窑灰和再生混凝土细料也已被碳化处理，并成功应用于低碳混凝土的生产。这种基于碳化的处理方式带来了三个关键优势：一是减少混凝土的碳足迹；二是通过碳化产物（如碳酸钙和硅胶）的成核、填充和火山灰效应，改善混凝土的机械性能；三是提高工业副产品的利用率。然而，尽管这些碳化处理方法在提高混凝土性能方面表现出色，但它们对混凝土其他关键性能的影响，如工作性、水化热、抗弯强度和自收缩等，尚未得到系统研究。

因此，本研究旨在通过碳化处理矿渣，并将其作为水泥的30%替代材料，系统探讨碳化程度对矿渣火山灰活性的影响，以及不同碳酸钙多晶型物对混凝土性能的具体作用。研究还关注碳化程度对混凝土整体性能的影响，以期为低碳混凝土的开发提供理论支持和实践指导。

本研究选取了Type I波特兰水泥作为基础材料，并使用来自新泽西州的高炉矿渣作为替代材料。砂则采用砌筑砂作为细骨料。所有干料的化学成分见表1，水泥、矿渣和砂的粒径分布见图2。为了提高混合料的流动性，研究中使用了一种基于聚羧酸的高性能减水剂（HRWR），其固含量为34.4%，密度为1.05。氢氧化钙的含量为95%。实验过程中，采用Hobart? HL-200型混合机（容量为19升）进行混合，混合过程分为三个步骤：首先，将水泥和矿渣干料以60转/分钟的速度混合2分钟；其次，将HRWR溶解于水中，并加入90%的溶液，继续以60转/分钟的速度混合3分钟；最后，将剩余的溶液加入并混合3分钟。图A2展示了混合过程的示意图。实验中制备了三种类型的试件：立方体用于测定抗压强度，梁用于测定抗弯强度，而其他试件则用于评估混凝土的收缩等性能。

在碳化处理过程中，矿渣表面会形成碳酸钙涂层，其厚度随着碳化程度的增加而变厚。虽然这种涂层可能抑制有益离子（如硅酸盐离子）的释放，从而影响火山灰反应和强度提升，但同时，碳化过程还可能在碳酸钙涂层下方生成具有反应活性的二氧化硅层。这种反应活性的二氧化硅层能够促进火山灰反应，从而在一定程度上抵消碳酸钙涂层的抑制作用。如图1所示，碳酸钙涂层与反应活性二氧化硅层之间的相互作用，使得碳化对矿渣火山灰活性的影响变得更加复杂。因此，有必要进一步研究这些机制对混凝土性能的具体影响。

为了验证碳化程度对矿渣火山灰活性的影响，本研究通过热重分析（TGA）监测碳化程度，并通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）等技术确认方解石和文石的形成。研究结果表明，随着碳化程度的增加，矿渣的火山灰活性得到提升，但当碳化程度超过6%后，活性开始下降，这可能与碳酸钙涂层的形成有关。此外，研究还发现，不同碳酸钙多晶型物对混凝土性能的影响各不相同。例如，文石的加入显著提高了混凝土的1天龄期强度，而方解石则在28天龄期表现出更强的增强效果。在9%碳化程度的情况下，自收缩量减少了15%，而文石的加入还显著提高了混凝土的抗弯强度，达到70%的提升。

这些结果表明，通过调控碳化程度和碳酸钙多晶型物的种类，可以有效优化混凝土的强度和收缩性能。然而，目前对于碳化程度对混凝土其他关键性能的影响，如工作性、水化热、抗弯强度和自收缩等，仍缺乏系统的理解。因此，本研究不仅探讨了碳化程度对矿渣火山灰活性的影响，还分析了不同碳酸钙多晶型物对混凝土性能的具体作用，以期为低碳混凝土的开发提供更全面的理论支持。

此外，本研究还关注了碳化处理过程中可能存在的局限性。例如，通过微计算机断层扫描（micro-CT）分析矿渣的孔隙率和孔径分布，但该技术的检测下限为5微米，因此无法准确捕捉更小孔隙对混凝土微观结构和性能的影响。尽管扫描电子显微镜（SEM）图像显示碳化矿渣的微观结构比对照样品更致密，且与孔隙率和抗压强度的变化趋势一致，但未来研究应采用更先进的技术，如汞渗透法，以进一步评估孔隙结构对混凝土性能的影响。

综上所述，本研究通过系统分析碳化程度和碳酸钙多晶型物对混凝土性能的影响，为低碳混凝土的开发提供了重要的科学依据。研究结果不仅揭示了碳化处理在提升混凝土性能方面的潜力，还指出了其可能存在的局限性。通过进一步优化碳化参数，如二氧化碳浓度、压力、温度和时间等，以及采用催化剂（如强酸、醋酸、铵盐等）提高钙离子的溶解，可以更有效地提升混凝土的性能。同时，研究还强调了未来研究应关注碳化程度对混凝土其他关键性能的影响，以确保碳化处理在提升混凝土性能的同时，不会带来其他负面影响。

本研究的结论表明，矿渣的火山灰活性随着碳化程度的增加而提升，但当碳化程度超过6%后，活性开始下降。这可能与碳酸钙涂层的形成有关，该涂层可能抑制硅酸盐离子的释放，从而影响火山灰反应和强度提升。此外，碳化程度的增加会导致混凝土的工作性下降，其中以文石为主的矿渣对工作性的抑制更为显著。因此，在选择碳化程度和碳酸钙多晶型物时，需要在提升强度和保持工作性之间进行权衡。

本研究的成果不仅为低碳混凝土的开发提供了理论支持，也为更可持续的基础设施建设提供了实践指导。通过优化碳化处理工艺，可以有效降低混凝土的碳足迹，同时提升其机械性能。然而，碳化处理仍需进一步研究，以确保其在不同条件下的适用性和有效性。此外，未来研究应关注碳化处理对混凝土其他关键性能的影响，如水化热、抗弯强度和自收缩等，以确保碳化处理在提升混凝土性能的同时，不会带来其他负面影响。

本研究的结论还表明，通过调控碳化程度和碳酸钙多晶型物的种类，可以有效优化混凝土的强度和收缩性能。例如，在9%碳化程度的情况下，自收缩量减少了15%，而文石的加入显著提高了混凝土的抗弯强度，达到70%的提升。这些结果表明，碳化处理不仅能够改善混凝土的强度，还能够有效控制其收缩，从而提高混凝土的耐久性和适用性。

总之，本研究通过系统分析碳化处理对混凝土性能的影响，为低碳混凝土的开发提供了重要的科学依据。研究结果不仅揭示了碳化处理在提升混凝土性能方面的潜力，还指出了其可能存在的局限性。通过进一步优化碳化参数，如二氧化碳浓度、压力、温度和时间等，以及采用催化剂（如强酸、醋酸、铵盐等）提高钙离子的溶解，可以更有效地提升混凝土的性能。同时，研究还强调了未来研究应关注碳化处理对混凝土其他关键性能的影响，如水化热、抗弯强度和自收缩等，以确保碳化处理在提升混凝土性能的同时，不会带来其他负面影响。

本研究的成果不仅为低碳混凝土的开发提供了理论支持，也为更可持续的基础设施建设提供了实践指导。通过优化碳化处理工艺，可以有效降低混凝土的碳足迹，同时提升其机械性能。然而，碳化处理仍需进一步研究，以确保其在不同条件下的适用性和有效性。此外，未来研究应关注碳化处理对混凝土其他关键性能的影响，如水化热、抗弯强度和自收缩等，以确保碳化处理在提升混凝土性能的同时，不会带来其他负面影响。

本研究的结论表明，矿渣的火山灰活性随着碳化程度的增加而提升，但当碳化程度超过6%后，活性开始下降。这可能与碳酸钙涂层的形成有关，该涂层可能抑制硅酸盐离子的释放，从而影响火山灰反应和强度提升。此外，碳化程度的增加会导致混凝土的工作性下降，其中以文石为主的矿渣对工作性的抑制更为显著。因此，在选择碳化程度和碳酸钙多晶型物时，需要在提升强度和保持工作性之间进行权衡。

本研究的成果不仅为低碳混凝土的开发提供了理论支持，也为更可持续的基础设施建设提供了实践指导。通过优化碳化处理工艺，可以有效降低混凝土的碳足迹，同时提升其机械性能。然而，碳化处理仍需进一步研究，以确保其在不同条件下的适用性和有效性。此外，未来研究应关注碳化处理对混凝土其他关键性能的影响，如水化热、抗弯强度和自收缩等，以确保碳化处理在提升混凝土性能的同时，不会带来其他负面影响。