固体废弃物基充填材料的CO2-乙烯醋酸乙烯酯共改性：碳捕集与循环利用的创新集成路径

针对传统注浆材料刚性不足、动态采矿环境下易开裂及水泥生产高碳排放问题，研究人员通过循环流化床粉煤灰(CFBFA)和电石渣(CS)替代水泥，并引入CO2和乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)共改性，开发出兼具高强高韧的轻质充填材料。研究表明，CO2-EVA协同改性使材料抗折强度提升166.7%，同时实现CO2封存与固废资源化，为矿山裂缝修复提供了环保解决方案。

　　

在煤炭开采过程中，地下岩层产生的裂缝不仅威胁采矿安全，传统水泥基注浆材料还存在脆性大、环境负荷高等瓶颈。更棘手的是，全球每年产生数十亿吨工业固废如循环流化床粉煤灰(CFBFA)和电石渣(CS)，其堆积不仅占用土地，重金属渗漏风险更是悬而未决的生态利剑。与此同时，水泥行业作为碳排放大户，每生产1吨水泥约释放0.9吨CO₂。如何将固废资源化与碳捕集技术结合，开发兼具力学性能与环境效益的新型充填材料，成为矿山工程领域的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，山西长治某研究团队在《Green Energy》发表研究，创新性地提出用CFBFA-CS复合胶凝体系替代水泥，并引入CO₂和乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)进行协同改性。通过调控CFBFA与CS质量比(7:3)、水胶比(0.85)等参数，采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、工业CT等表征手段，系统分析了材料力学性能与微观结构的演变规律。

3.1 CO₂-EVA对材料水化特性的影响
研究发现，1% EVA的添加使材料抗折强度提升30.74%，但过量EVA会因引入气孔导致强度下降。而CO₂通过碳酸化反应生成纳米级CaCO₃，为水化产物C-S(A)-H提供成核位点，使28天抗压强度提升54.4%。当CO₂与EVA联用时，抗折强度出现166.7%的惊人增幅，核磁共振(NMR)显示其孔隙率仅增加6.2%，证实了"有机-无机"协同增强机制。

3.2 材料微观结构调控机制
CT三维重构显示，EVA作为引气剂形成50-100μm大孔，而CO₂矿化产生0.01-4μm微孔。SEM观察到EVA脱水后形成网状薄膜，其孔隙被水化产物填充，形成"刚柔并济"的互穿网络。热重分析(TG)证实CO₂-EVA体系水化产物增量达24.45%，重金属浸出实验显示其对As、Cd的固化效率提升40-100%。

3.4 耐久性与工程验证
冻融循环25次后质量损失仅4.9%，硫酸盐干湿试验中强度峰值延至第6周期（14.5MPa）。现场注浆试验表明，该材料可有效包裹5-10cm煤矸石，形成完整结石体。超声检测显示其声波振幅达141.72dB，优于传统材料。

这项研究开创性地将CO₂封存、固废利用与材料改性三重目标熔于一炉。CO₂-EVA协同改性不仅破解了材料"强-韧悖论"，12.29%的碳封存效率更赋予其"负碳"特性。该成果为开发适应动态采矿环境的功能性胶凝材料提供了全新范式，对推动CCUS技术在建材领域的应用具有里程碑意义。Duan Dedan等通过跨尺度结构设计，证实了工业固废从环境负担向战略资源的转化可能，为循环经济提供了关键技术支撑。