序贯碱激发与碳化协同优化钢渣基土壤砌块的固废资源化研究

针对建筑弃土资源化利用率低及钢渣(SS)活性不足的难题，浙江大学团队创新性提出序贯碱激发(AAM)与碳化(AAC)协同策略。研究发现6% Na2O浓度的Na2SiO3活化配合后期碳化可使抗压强度提升至17.4 MPa，通过形成蜂窝状C-(A)-S-H凝胶及文石相碳酸钙实现微观结构优化，为建筑固废高值化利用提供新范式。

　　

随着城市化进程加速，我国每年产生数十亿吨建筑弃土，传统填埋处理不仅占用土地，更造成资源浪费。与此同时，钢铁工业副产品钢渣(SS)全球年产量超1.7亿吨，但我国利用率仅20%，其游离CaO导致的体积稳定性问题长期制约资源化应用。现有研究虽证实碱激发材料(AAM)可固化土壤，但常规原料矿渣(GGBS)和粉煤灰(FA)多被水泥行业消耗；而SS因γ-C₂S相反应惰性，单独水化仅能形成针状C-S-H（水化硅酸钙），强度不足1.8 MPa。如何通过工艺创新实现"固废治固废"，成为环境材料领域的重要课题。

针对这一挑战，浙江大学团队在《Materials Today Communications》发表研究，系统考察Na₂O浓度、碱激发剂类型和养护制度对SS基土壤砌块性能的影响。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等表征手段，发现序贯碱活化-碳化策略可使抗压强度提升近10倍，其中Na₂SiO₃活化配合后期碳化形成三角形文石相的结构最优。该研究为建筑弃土和钢渣协同资源化提供了可工业化的技术路径。

关键技术方法包括：采用杭州基坑开挖的粉质土（含水率21.4%）与转炉钢渣(BOF-SS，比表面积420 m²/kg)混合；设置2-8%梯度Na₂O浓度，对比NaOH与Na₂SiO₃活化效果；设计立即碳化、中期碳化(7天后)和后期碳化(28天后)三种养护方案；通过压汞法(MIP)分析孔隙结构演变。

【材料特性】
原状土液限为32.1%，塑性指数12.5，属低活性硅质材料。钢渣主要矿物为γ-C₂S（惰性相）和RO相（MgO-FeO固溶体），其碱激发反应活性仅为GGBS的1/3，但CaO含量达45wt%，具备碳化潜力。

【碱活化浓度影响】
Na₂O浓度超过6%时，高浓度OH^-会抑制Ca²⁺与Si⁴⁺扩散，导致拌合时结团。6% Na₂SiO₃组形成的蜂窝状C-(A)-S-H（钙铝硅酸盐凝胶）具有三维网络结构，其Ca/Si比(1.2)显著低于普通水泥C-S-H(1.7)，更易碳化分解。

【活化剂类型差异】
NaOH活化产物结晶度较高，碳化后生成粒径5-10μm的方解石；而Na₂SiO₃组因[SiO₄]^4-参与反应，碳化产物为1-3μm的文石，其交错排列使孔隙率降低37%。

【碳化时机选择】
立即碳化组因OH^-竞争导致C-(A)-S-H生成不足；后期碳化(28天)使碱活化反应充分进行，碳化产物更均匀，强度达17.4 MPa，比方解石主导的NaOH组高29%。

该研究证实：序贯处理中碱活化创造反应界面，碳化则通过CaCO₃沉淀实现孔隙填充与相变增强。特别值得注意的是，文石相的形成需要[SiO₄]^4-作为形核模板，这解释了Na₂SiO₃组的性能优势。从工程应用角度看，后期碳化方案更符合实际施工节奏，6% Na₂O浓度既能保证反应效率又避免工艺难题。

这项工作的创新性在于揭示了碱活化-碳化的协同机制：碱活化产物C-(A)-S-H作为"碳化前驱体"，其低Ca/Si比特性加速CO₂渗透；而碳化产物又反过来强化基体，形成正反馈循环。该技术路线使建筑弃土和钢渣两种固废产生协同增值效应，以杭州年产300万吨基坑土计算，若全部采用该技术，每年可减少CO₂排放约45万吨。研究团队Yunliang Cui指出，下一步将重点优化碳化工艺参数，推动该技术进入工程示范阶段。