铜渣基混合砂浆的碳化养护：CO2 封存与性能提升的创新路径

为应对水泥行业高碳排放和铜渣(CS)资源化难题，研究人员探索了早期碳化养护(CC)对普通硅酸盐水泥(OPC)-CS基胶凝材料的性能增强机制。通过多尺度表征发现，CS作为惰性填料可提升CO2 吸收率(最高达22.6%)，延长碳化时间(48小时)使抗压强度提升67.4%，且不破坏C-S-H凝胶结构。该研究为工业固废增值利用和碳减排提供了双赢方案。

　　

全球水泥行业贡献了8%的人为CO₂
排放，而铜冶炼每年产生3770万吨铜渣(CS)，其低反应性和潜在重金属风险制约了资源化利用。传统机械活化方法能耗高且效果有限，亟需开发兼顾环境效益与性能提升的新技术。在此背景下，国外研究人员在《Journal of CO2 Utilization》发表研究，探索了碳化养护对OPC-CS基砂浆的协同增强机制。

研究采用多尺度技术路线：通过激光衍射分析原料粒径分布，X射线荧光光谱(XRF)测定化学成分；设计0/10/20%CS替代率的砂浆试件，采用0.069MPa压力进行2小时至2天的梯度碳化；结合超声脉冲速度(UPV)无损检测、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)等表征碳化产物；建立质量增益模型计算CO₂
吸收率，并开展全生命周期成本效益分析。

【材料与方法】
选用美国Asarco Mining LLC提供的CS，经球磨后过200目筛。通过预干燥控制试件含水率为初始的65%，在95%CO₂
浓度下进行梯度时长碳化养护。

【结果与讨论】
3.1 抗压强度
碳化时长与强度呈正相关，CS20组48小时碳化后3天强度提升67.4%，28天仍保持36%增幅。短时碳化(2小时)因预干燥导致水化不足而强度降低。

3.2 XRD分析
CS20组12小时即耗尽钙矾石和氢氧化钙(CH)特征峰，而纯OPC组48小时后仍有CH残留，证实CS促进CO₂
扩散。

3.3 TGA表征
碳化产物包含无定形(pCC)和晶体态(cCC)碳酸钙，CS20组cCC含量较OPC高32%，归因于CS的成核位点效应。

3.4 FTIR光谱
1420cm^-1
处碳酸根振动峰随碳化时长红移，表明单碳铝酸盐形成；966cm^-1
处硅氧键位移揭示C-S-H脱钙聚合。

3.5 UPV与CO₂
吸收
UPV与强度强相关(r>0.9)，CS20组12小时CO₂
吸收达22.6%，较OPC组高35%。

3.6 SEM观察
碳化48小时后纤维状C-S-H完全转化为棱柱状方解石，界面处碳酸钙优先成核。

3.7 环境效益
CS20组每吨胶凝材料净减排319.61kg CO₂
，成本仅增加5.94美元。

【结论】
该研究创新性地证明：碳化养护可同步实现CS资源化与CO₂
封存，CS的物理填充作用促进碳酸盐成核；延长碳化时间(≤48小时)不会削弱力学性能，且能维持C-S-H总量稳定；UPV可作为碳化混凝土质量监控的有效手段。研究成果为开发低碳建材提供了关键技术支撑，若结合工业废气直接碳化可进一步降低成本。未来需重点评估重金属浸出风险及不同活性掺合料的协同效应。