综述：低碳混凝土中的碳利用：碳酸化钢渣和再生混凝土的应用前景

CO?矿物化作为钢渣和再生混凝土作为 supplementary cementitious materials（SCMs）和集料的潜力被综述，分析其物理化学性质改善、环境效益及挑战。碳化处理可减少钢渣中的活性氧化钙，降低膨胀性，并提高抗压强度达40%。每吨碳化钢渣可减少77公斤CO?当量，再生混凝土减少4公斤。但需解决原料波动、规模化碳化技术及工业CO?纯化问题。

　　
近年来，随着全球对碳中和目标的重视，将工业副产品转化为建筑材料并实现碳封存成为研究热点。本文聚焦钢铁渣和再生混凝土粉的CO?矿物化技术，探讨其在低碳混凝土中的应用潜力，并系统分析了其性能提升机制及环境经济价值。

### 一、研究背景与核心发现
传统混凝土生产依赖波特兰水泥，每吨水泥生产释放约866公斤CO?，导致混凝土行业成为全球最大碳排放源。工业副产物如钢铁渣（年产量约15-20%粗钢产量）和再生混凝土（年产量超30亿吨）因富含活性钙硅酸盐，成为CO?矿物化的重要载体。研究证实，通过碳化处理可将这些副产品转化为具有碳封存功能的新型SCMs（补充水泥材料），并显著提升混凝土的力学性能和耐久性。

### 二、碳化技术体系与材料特性
1. **碳化方法分类**
- **干法碳化**：需高温（600-850℃）和高压，适合处理高纯度CaO原料，但能耗极高。
- **半干法碳化**：引入适量水分（L/S=0.08-1.00），通过NaOH等碱性溶液促进反应，形成以方解石为主的碳化层，但需维持150-250kPa压力。
- **湿法碳化**：以水为介质（L/S=2-25），在常温（20-60℃）下即可完成，碳化效率达25-40%，但需后续废水处理。

2. **材料改性机制**
- **钢铁渣**：碳化过程将游离CaO（引发体积膨胀）转化为稳定CaCO?，形成外层致密碳化壳（厚度10-20μm）与内层硅铝凝胶复合结构。碳化度达30%时，材料抗压强度提升15-20%，吸水率降低40%。
- **再生混凝土粉**：通过湿法碳化（pH=8-9，L/S=10）形成高比表面积（达65m2/g）的碳化层，显著改善早期水化反应。实验表明，碳化度25%时混凝土7天抗压强度较基准值提高30%，且氯离子渗透系数降低60%。

### 三、性能提升关键路径
1. **微观结构优化**
- 碳化层形成连续覆盖膜（厚度5-15μm），孔隙率降低20-40%，密度提升15%以上。
- 通过扫描电镜观测发现，碳化产物在界面上形成纳米级针状CaCO?和硅铝凝胶（图6c），增强界面粘结强度。

2. **反应动力学增强**
- 湿法碳化条件下，pH维持碱性环境（8-9），促进Ca(OH)?快速溶解（反应时间缩短至30分钟），形成高活性C-S-H凝胶。
- 碳化后的钢铁渣表面比表面积提升440%（2.99→16.2m2/g），为后续水化反应提供更多活性位点。

3. **碳封存效率**
- 钢铁渣碳化度可达30-40%，单吨封存CO?量达50-200kg（以SS3-4h-1b为例）。
- 再生混凝土粉在最佳碳化条件（25℃，L/S=10，0.5M NaOH）下，CO?封存量达25.0%。

### 四、环境效益与经济性分析
1. **生命周期减排**
- 碳化钢铁渣作为SCMs替代波特兰水泥，每吨可减少CO?当量排放76.78kg（含碳化过程能耗）。
- 再生混凝土粉碳化后，混凝土每立方米净减排422kg CO?，较传统工艺降低42%。

2. **成本效益平衡**
- 碳化钢铁渣综合成本约105-107.5美元/吨CO?，低于国际矿物化成本均值（245美元/吨CO?）。
- 湿法碳化工艺能耗仅为干法的1/5，结合可再生能源可实现负碳足迹（如中国某钢厂项目）。

### 五、工业化应用挑战
1. **技术瓶颈**
- 钢铁渣中非活性成分（如Fe-rich相）碳化效率低于15%，需开发选择性活化技术。
- 再生混凝土粉碳化后需干燥处理（能耗占全流程30%），制约规模化应用。

2. **供应链适配**
- 工业CO?浓度需达90%以上，现有燃煤电厂排放气体中CO?浓度不足20%，需预处理成本增加12-15%。
- 钢铁渣来源复杂（BOF、EAF、LF等），需建立区域化供应体系。

3. **标准体系缺失**
- 碳化材料强度标准（如ASTM C618）尚未完善，特别是不同碳化工艺（干/湿法）的等效性验证不足。
- 环境认证标准缺失，导致碳积分交易受阻。

### 六、创新应用场景展望
1. **复合型SCMs开发**
- 碳化钢铁渣（30%碳化度）与矿渣（20%掺量）复配，7天强度达50MPa，较基准混凝土提升45%。
- 再生混凝土粉经碳化（25%）后，可替代30%水泥并维持抗压强度（28天达40MPa）。

2. **全生命周期管理**
- 钢铁渣碳化废渣（如未反应硅铝相）可作为土壤改良剂，实现100%资源化利用。
- 再生混凝土粉碳化过程中产生的废水（含重金属）可通过膜分离技术回收利用。

3. **智能制造集成**
- 建立碳化反应动力学模型（反应时间与碳化度的指数关系），实现参数优化。
- 开发CO?浓度梯度反应器，提升碳化效率15-20%。

### 七、结论与建议
研究证实，钢铁渣和再生混凝土经适度碳化（20-30%）后，可作为波特兰水泥的优质替代品，实现CO?负排放。建议：
1. 建立区域性碳化中心，配套CO?收集管网（如上海宝钢项目）
2. 开发湿法碳化装备模块化系统（处理能力达10,000吨/年）
3. 制定碳化材料分级标准（如按CO?封存量划分等级）
4. 推动碳交易机制，将封存量与建材产品碳标签挂钩

该技术体系通过"碳封存-性能提升-成本优化"的闭环设计，为建筑行业实现深度脱碳提供可行路径，预计到2030年全球市场规模可达400亿美元。