利用二氧化碳矿化作用和铝酸盐的协同活化作用处理冶金固体废弃物，以制备高活性粉末：迈向可持续的工程材料

《Journal of CO2 Utilization》：Utilizing CO 2 mineralization and aluminate synergistic activation of metallurgical solid waste to produce highly reactive powders: Toward sustainable engineering materials

碳化处理钢渣并协同添加高铝粉体显著提升水泥基材料性能，优化孔隙结构及界面结合，促进碳酸钙与铝相反应生成碳铝酸钙，实现资源循环与碳减排。

　　
本文聚焦于钢渣（LFS）的高效资源化利用与低碳水泥基材料开发，提出通过CO?矿化与沸石基活性铝（MK）协同作用提升钢渣水化活性的创新策略。研究团队系统考察了碳化钢渣（CLFS）与MK的复合效应，揭示了协同水化反应机制，为冶金固废的绿色转化提供了理论支撑和技术路径。

一、研究背景与问题导向
全球建筑行业贡献了约8%的能源相关碳排放，其中水泥生产在熟料煅烧环节产生大量CO?。我国作为全球最大水泥生产国，2022年排放量达2.41亿吨。工业固废方面，钢铁行业每年产生超3亿吨钢渣，但现有利用技术存在三大瓶颈：1）传统钢渣粉因高含量游离CaO导致体积不稳定；2）低活性矿物相限制其水化反应效率；3）单一处理工艺成本高且规模化困难。本研究突破传统技术路径，构建"碳化改性-矿物激发-结构优化"三位一体解决方案。

二、技术创新路径
1. **碳化改性技术**：采用半湿法CO?矿化处理，在0.2MPa压力下实现60分钟高效碳化。XRD分析显示，γ-C?S转化率超85%，生成纳米级CaCO?晶体（0.1-2μm），BET表征证实比表面积提升3.2倍，孔隙率增加至42.7%。碳化层与钢渣基体形成典型核壳结构，表面孔隙率达68.3%。

2. **矿物激发体系**：基于LC3系统协同理论，引入高活性MK（煅烧激发铝相占比达43.8%）。通过27Al和29Si NMR谱解析，发现协同效应下单碳酸盐（C-A-H）生成量提升至12.7%，较单一碳化体系提高3.2倍。XRD-TG联用证实，3天龄期 ternary系统（PC60CLFS20MK20）中氢氧化钙含量从对照组的12.7%降至2.0%，化学结合水提升达18.9%。

3. **结构优化机制**：SEM-BSE微观观测显示，CLFS表面碳化层（厚度0.5-1.2μm）与MK的活性Al相形成界面过渡区，孔隙尺寸优化至9-18nm占比达67.4%。MIP孔结构分析表明， ternary系统3天龄期孔隙率较纯水泥降低19.8%，水化产物填充度达82.3%。

三、关键性能突破
1. **力学性能**：CLFS替代20%水泥（PC80CLFS20）使3天抗压强度提升2.1MPa，达32.5MPa；引入MK后（PC60CLFS20MK20）强度跃升至40.8MPa，较基准PC100水泥提升32.4%。28天强度突破55MPa，接近42.5R普通硅酸盐水泥性能。

2. **水化机制**：通过XRD-TG-NMR多尺度表征发现：早期（3天）CLFS与MK协同生成C-A-H（含量达28.6%），消耗氢氧化钙达43.2%；中期（7天）形成板状钙矾石（AFt）占比达19.8%，孔隙率降至22.1%；长期（28天）生成致密C-S-H凝胶（含量超75%），抗压强度达52.3MPa。

3. **环境效益**：碳化过程实现CO?固定效率13.8%，每吨CLFS固定138kg CO?； ternary系统较纯水泥碳排降低28.7%，资源化率提升至92.4%。

四、协同效应机理
1. **化学激活机制**：碳化产生的纳米CaCO?（粒径<50nm占比达89.7%）与MK中的活性Al相（Al₂O₃含量43.79%）发生固相反应，生成C-A-H水化产物。反应式可概括为：
CaCO? + 3Al + 12H?O → 2C-A-H + 3Al(OH)₃
该反应消耗界面区Ca(OH)?（降幅达82.1%），促进致密C-S-H凝胶形成。

2. **界面强化效应**：CLFS表面碳化层（厚度均匀性达92.3%）与MK颗粒形成梯度过渡区，BSE观测显示界面区Al相与钢渣C-A-H产物呈"砖墙式"结构，界面结合强度提升至41.2MPa，较对照组提高2.3倍。

3. **孔隙调控技术**：碳化-矿物激发协同作用下，孔隙结构呈现"三阶段优化"特征：
- 初始碳化阶段（0-3天）：纳米级CaCO?晶体（<20nm占比达67.8%）填充孔隙，孔径分布向纳米级偏移
- 中期矿化阶段（3-7天）：C-A-H凝胶（平均孔径9.2nm）填充率达83.4%，孔隙率下降至17.6%
- 后期致密化阶段（7-28天）：二次水化形成板状钙矾石（AFt）占比达19.8%，最终孔隙率控制在8.7%以内

五、产业化应用前景
1. **技术经济性**：CLFS制备能耗较传统钢渣粉降低37.2%， ternary系统生产成本较纯水泥下降14.8%，综合效益达1:1.3。

2. **环境效益**：每百万吨产品可减少CO?排放28.4万吨，相当于植树造林87万公顷。固废利用率达100%，土地占用减少76%。

3. **标准制定**：研究成果已纳入《钢渣基低碳水泥技术规程》（T/CCT-2023）草案，建议将CLFS与MK复合比例优化至（20-40）%范围，最佳碳化温度控制在80-90℃区间。

六、未来研究方向
1. **工艺优化**：开发多级碳化（预碳化+后碳化）工艺，目标提升CO?固定效率至18.5%。

2. **材料体系拓展**：研究CLFS与纳米二氧化硅、生物炭的复合效应，探索"4+2"多组分协同体系。

3. **长期性能验证**：建立300天加速老化试验数据库，重点考察CLFS在冻融循环（200次）和硫酸盐侵蚀（5% Na2SO4）下的耐久性保持率。

本研究通过材料改性-矿物激发-结构优化的系统创新，不仅解决了钢渣活化率低的世界性难题，更构建了"固废资源化-碳减排-性能提升"的闭环技术体系。为钢铁行业实现"双碳"目标提供了可复制的技术范式，其核心创新点包括：
- 首创半湿法CO?矿化工艺（能耗降低42%）
- 揭示"碳化层-活性铝"界面协同反应机制
- 建立孔隙梯度调控技术（孔径分布标准差<3.2nm）
- 形成标准化应用方案（CLFS掺量20-40%，MK掺量20-30%）

该成果已获3项发明专利授权（ZL2023XXXXXX.X等），在郑州大学、中国建材研究院等建立中试基地，预计2025年实现年产50万吨CLFS-MK复合掺合料产业化。经测算，全面推广后可使我国水泥行业年减排CO?达1.8亿吨，创造经济价值超120亿元/年，为全球钢铁-建材行业低碳转型提供中国方案。