基于二氧化碳捕获技术的紫罗兰贝壳制成的辅助胶凝材料

《ACS Sustainable Resource Management》：Supplementary Cementitious Materials Based on CO2–Capturing Periwinkle Shell

珍珠贝壳灰经加速碳化形成稳定碳酸钙，15分钟内CO?固定效率达91.6%，替代率77%时水泥浆动态弹性模量11 GPa，兼具环境与结构效益。

　　在现代建筑行业中，混凝土作为最广泛使用的建筑材料之一，其需求随着城市化进程的加快而不断增长。然而，混凝土的生产过程伴随着巨大的环境负担，尤其是波特兰水泥（OPC）的制造环节，每年贡献全球约8%的二氧化碳排放。因此，寻找可持续的替代材料和优化生产工艺成为当前研究的重点。本研究聚焦于一种新型材料——碳化紫贻贝壳灰（CPSA），它不仅来源于海洋废弃物，还具有显著的碳捕集能力与增强混凝土性能的潜力，为缓解城市热岛效应和实现绿色建筑提供了创新路径。

CPSA是由紫贻贝壳灰（PSA）经过加速碳化过程转化而成的稳定碳酸钙材料。该过程在常温常压条件下仅需15分钟即可完成，其CO?吸收效率高达91.6%。这一快速反应得益于PSA中富含活性钙相，使得CO?能够迅速扩散并参与反应。研究发现，CPSA在混凝土中的应用能够显著改善其热反射性能，从而降低建筑表面的热量吸收，减少城市热岛效应。同时，CPSA作为补充性胶凝材料（SCM），在混凝土中替代OPC的含量达到67%-87%时，仍能保持良好的性能表现，例如动态弹性模量可达到11 GPa，与OPC对照组相当。这一发现表明，CPSA不仅具备环境友好性，还具有良好的结构性能，能够在实际工程中发挥重要作用。

在材料特性方面，CPSA表现出显著的水吸附能力。研究显示，CPSA在一周内能够吸附高达16%的水分，这对其在混凝土中的工作性能和水化过程产生重要影响。水的吸附不仅影响混凝土的流动性，还可能对早期水化过程起到一定的促进作用。这种水分的逐步释放能够维持OPC的水化反应，进而增强混凝土的强度发展和结构致密化。此外，通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究人员确认了CPSA中碳酸钙的存在，以及其在碳化过程中形成的晶体结构特征。这些结果进一步支持了CPSA在混凝土中的应用潜力。

在微观结构方面，CPSA的加入对混凝土的孔隙结构和水化产物的形成产生了积极影响。通过XRD分析发现，随着CPSA含量的增加，混凝土中的水化产物如氢氧化钙（portlandite）逐渐减少，而碳酸钙（calcite）和文石（aragonite）等碳化产物的含量则相应上升。这种变化表明，CPSA不仅能够作为填料促进水化反应，还能通过化学反应与OPC中的铝酸盐成分结合，形成碳酸铝酸盐水合物，从而提高混凝土的密实度并降低孔隙率。SEM图像进一步揭示了CPSA在碳化过程中的形态变化，其表面变得更加致密，形成了典型的碳酸钙晶体结构。这些微观结构的变化为混凝土的长期耐久性和性能提升提供了理论依据。

此外，通过热重分析（TGA）研究了CPSA在不同碳化条件下的CO?吸收行为。结果表明，CPSA在15分钟内即可实现高达40.3%的CO?吸收，且其吸收效率不受CO?压力或水固比的显著影响。这意味着CPSA在实际应用中具有较高的稳定性和可控性，能够满足工业化生产的需求。与此同时，CPSA的水吸附特性也得到了验证，其水分含量在不同相对湿度条件下表现出一定的规律性，这有助于理解其在混凝土中的作用机制，并为优化配比提供参考。

在实际应用中，CPSA的加入对混凝土的力学性能产生了重要影响。研究显示，当CPSA替代OPC的比例达到77%时，混凝土的动态弹性模量仍然能够维持在11 GPa左右，接近OPC对照组的水平。这表明，CPSA在保持混凝土结构强度方面具有良好的表现。然而，当替代比例进一步增加至87%时，弹性模量有所下降，这可能与反应性OPC的减少和非反应性填料的增加有关。因此，研究建议在实际工程中，CPSA的替代比例应控制在77%以内，以确保混凝土的性能和结构稳定性。

从环境和经济角度来看，CPSA的使用具有显著的可持续性优势。紫贻贝壳作为一种海洋废弃物，其处理问题在全球范围内日益突出。例如，中国每年产生近1000万吨的贝壳废弃物，法国约16万吨，而尼日利亚的贝壳废弃物则高达1200万吨。这些废弃物若不加以处理，不仅会造成环境污染，还可能对生态系统和人类健康产生威胁。而通过碳化工艺将这些废弃物转化为CPSA，不仅能够有效减少废弃物排放，还能实现CO?的捕集和储存，从而降低混凝土生产过程中的碳足迹。研究指出，当CPSA替代OPC的比例达到77%时，每立方米混凝土可减少约316公斤的CO?排放，这对于大规模基础设施建设具有重要意义。

在经济性方面，CPSA的生产成本较低，且其制备过程不需要复杂的设备或高能耗操作，这使其在规模化应用中具备显著优势。通过将CPSA的生产设施与贝壳收集点或市场相结合，可以进一步降低运输成本，提高整体经济效益。此外，CPSA的碳捕集能力也为其提供了额外的环境效益。除了减少水泥用量带来的碳排放降低，CPSA本身还能吸收一定量的CO?，使其成为一种“双重碳捕集”材料。这种特性不仅有助于减少温室气体排放，还能提升混凝土的可持续性。

在实际工程应用中，CPSA的使用能够有效缓解城市热岛效应。由于其具有较高的太阳反射率，CPSA混凝土在屋顶或外墙应用时，能够显著降低表面温度，从而减少建筑内部的热负荷。这种特性对于高温地区的建筑节能具有重要意义，尤其是在全球气候变化加剧的背景下，减少建筑能耗成为城市可持续发展的关键目标之一。此外，CPSA混凝土的优异性能使其适用于多种建筑结构，如道路、桥梁和高层建筑，为绿色建筑的发展提供了多样化的选择。

综上所述，CPSA作为一种新型的可持续材料，具有显著的环境、结构和经济优势。它不仅能够有效减少混凝土生产中的碳排放，还能改善混凝土的热性能和力学性能，为建筑行业提供了一种创新的解决方案。未来，随着对CPSA研究的深入，其在实际工程中的应用前景将更加广阔，有望成为推动绿色建筑和可持续城市建设的重要材料。