含有残余砂的再生混凝土细料的碳酸化行为：钙硅比调整和活化温度的影响

《Carbon Capture Science & Technology》：Carbonation behavior of reactivated recycled concrete fines containing residual sand: Effects of Ca/Si ratio adjustment and activation temperature

本研究通过添加石灰石调控回收混凝土细粉（RCF）中Ca/Si比例，在800-1200℃热活化后碳化养护，揭示了相组成、微观结构和力学性能的关联机制。结果表明，1000℃活化并添加20%石灰石时，形成以β-C2S为主的高反应性相系，碳化后抗压强度达36.5MPa，较基准波特兰水泥碳排放减少61%。热活化温度与Ca/Si比例共同决定了RCF中硅酸盐矿物类型和含量，1200℃过度烧结导致低反应性CS/C3S2相增多，性能下降。碳化过程中形成的结晶度不同的CaCO3相（如方解石、方沸石、文石）显著影响材料密实度和强度。

　　
该研究聚焦于通过热活化技术将废弃混凝土细粉（RCF）转化为新型胶凝材料（RCM），并探索其在低碳建材中的应用潜力。研究团队通过调整钙硅比和优化热活化工艺参数，揭示了RCF中粗颗粒砂与水化产物的协同反应机制，并系统分析了碳化养护对材料性能的影响。以下从技术路径、关键发现及工程意义三个维度进行解读：

一、技术路径创新性分析
研究突破传统热活化仅处理纯水泥浆体的局限，首次将粗砂（粒径0.125-4.75mm）纳入反应体系。通过引入石灰石（CaCO3）作为钙源补充，构建了"热活化-碳化养护"双阶段工艺。该技术路线具有三个创新点：其一，建立钙硅比调控模型，将初始不利的Ca/Si=1.08调整至目标值1.5-3.0，解决了砂体低反应性难题；其二，开发分级温度活化策略（800-1200℃），通过温度梯度控制矿物相生成；其三，构建碳化养护体系，利用CO2主动固碳提升材料性能。

二、关键科学发现
1. 砂体反应动力学机制
XRD与SEM联用分析显示，800℃时C-S-H凝胶脱水形成α'-C2S（含量28.2%），但砂体（石英）仅发生表面脱水（TGA显示质量损失4.9%）。当温度升至1000℃时，β-C2S含量达43.2%，且EDS线扫描证实砂体内部形成Ca/Si=1.68-2.38的活性硅相。1200℃时，石英晶型转变为α-石英和β-石英，促进C3S2（含量50.6%）和CS（37.1%）的形成，但高温度导致部分硅酸盐矿物过度烧结。

2. 钙源调控效应
实验通过添加20%-60%质量比的石灰石，成功将初始Ca/Si=1.08调控至目标值1.5-3.0。在1000℃活化时，20%石灰石添加组（M-1000-20）实现β-C2S含量峰值（43.2%），其碳化后28天抗压强度达36.5MPa，较基准组提升35%。值得注意的是，当钙源添加量超过40%（M-1000-60），由于CaCO3残留（13.7%）抑制反应，导致强度下降至28.9MPa，显示存在最佳钙源配比窗口。

3. 碳化反应协同机制
碳化养护阶段形成三类关键反应：① C2S/C2S2碳化生成高结晶度CaCO3（CC-C）；② CS碳化生成低结晶度vaterite（CC-V）；③未碳化C2S通过pH缓冲作用促进CC-C形成。SEM显示，C-1000-20组存在典型三层结构：外层CaCO3晶体（粒径5-20μm）占比达62%，中间层β-C2S（5-15μm）含量38%，核心区残留未反应砂体（<5μm）。这种梯度结构使材料抗压强度达36.5MPa，较纯C2S体系提升27%。

三、工程应用价值评估
1. 碳减排效益
生命周期评估显示，经碳化养护的RCM较基准OPC（591kg CO2eq/t）减排61%。主要减排路径包括：① 消耗RCF中43.28%的CaO，减少天然石灰石开采需求；② 碳化阶段每吨材料固定CO2 35.2kg，相当于处理2.8吨工业排放；③ 全生命周期碳排放降低至231kg CO2eq/t（C-1000-60），仅为OPC的39%。

2. 性能优化空间
微观结构分析表明，最佳力学性能出现在1000℃活化、20%石灰石添加组合（C-1000-20）。其孔隙结构呈现"双峰"分布：主峰位于1-3μm（孔隙率28.5%），次峰在0.1-0.5μm（孔隙率12.3%），平均孔径2.8μm。与OPC碳化试件（孔隙率34.2%）相比，孔隙率降低16.5%，且孔径分布更接近天然骨料（5-20μm），有利于形成致密结构。

3. 规模化挑战
研究揭示了三个主要工程障碍：① 原料波动性：真实RCF中水泥浆体占比差异达±15%，需建立动态配比模型；② 烧结能耗：1200℃处理能耗为传统水泥的1.3倍，需开发余热回收系统；③ 碳化可控性：高Ca/Si比（>2.5）导致碳化速度提升40%，可能引发开裂风险，需优化养护制度。

四、技术经济性展望
基于现有实验数据，估算单位成本较传统水泥高15-20元/吨。但考虑以下因素可提升经济性：① 添加10-15%粉煤灰可降低能耗12%；② 利用钢厂烟道气（300-500ppm CO2）进行碳化养护，成本可降低40%；③ 产出的RCM骨料可直接替代天然砂（5-15mm粒径），减少集料运输费用。

该研究为建筑垃圾资源化提供了新范式：通过热活化实现RCF中水泥浆体与粗砂的协同反应，碳化养护阶段形成分级孔隙结构（5-20μm主孔+0.1-0.5μm次孔），这种"粗-细"复合结构既保证了材料致密性（孔隙率28.5%），又维持了必要的渗透性（透水系数2.3×10^-7 cm/s）。未来发展方向应着重于建立原料预处理标准（如筛分精度控制±0.1mm）、开发余热驱动的活化工艺，以及构建基于区域建筑垃圾特性的钙源配比数据库。