晶体形成与生长对钢包炉渣加速碳化孔隙结构的影响：基于堆积模型的解析

本研究针对钢包炉渣(LFS)在CO2封存(CCS)过程中孔隙结构演变的机制难题，通过汞侵入孔隙法(MIP)和分形分析揭示晶体生长对孔隙特征的调控规律，结合PFC3D堆积模型阐明产物尺寸/形状与孔隙分形维度的关联性，为优化LFS碳化建材性能提供理论支撑。

　　

在全球碳中和背景下，工业副产物的碳封存技术成为研究热点。钢包炉渣(LFS)作为钢铁工业副产品，因其富含Ca、Mg等碱性成分被视为理想的CO₂矿化载体。然而，LFS在加速碳化过程中形成的复杂孔隙网络，既影响CO₂封存效率又决定材料力学性能，这种孔隙结构的演变机制却始终未能阐明。传统研究多聚焦于化学反应过程，而对晶体生长动力学与孔隙形态的关联规律缺乏系统认知。

为解决这一科学难题，邯郸钢铁集团等机构的研究团队在《Materials Today Communications》发表创新成果。研究采用多尺度表征与数值模拟相结合的策略：通过X射线衍射(XRD)和热重分析确定产物类型；利用汞侵入孔隙法(MIP)量化孔隙分布；引入分形理论解析孔隙复杂度；创新性地采用PFC3D离散元模型模拟不同晶体形态的堆积效应。

【材料特性】XRD显示原始LFS主要含C₁₂A₇、C₃S等活性矿物相，添加石膏后碳化产物中单碳铝酸盐(Mc)显著增加，证实石膏能调控产物类型。

【孔隙特征】MIP数据表明：无石膏样品(N-24h)的孔径分布呈双峰特征，而含石膏样品(G-24h)向小孔径偏移，最可几孔径从200nm降至50nm，揭示石膏促进微孔发育。

【分形分析】基于Menger海绵模型的计算显示：G-24h样品凝胶孔(＜10nm)分形维度达2.87，高于N-24h的2.63，说明石膏添加增强了纳米级孔隙的复杂程度。

【数值模拟】PFC3D建立的I型模型(模拟针状AFt)显示：晶体长径比增大1000倍时，孔隙分形维度降低0.15，证实细长晶体能简化孔隙拓扑结构；II型模型(模拟斜方晶系方解石)则显示晶体尺寸扩大使临界孔径增大3倍。

研究结论指出：石膏通过促进Mc形成改变产物组成，进而调控孔隙分布；晶体形态演变是分形特征变化的主因——小晶体生长增加孔隙复杂度，而大晶体形成导致孔径粗化。该发现为定向设计LFS碳化建材的孔隙结构提供了理论框架：通过调控石膏掺量和碳化时间，可平衡CO₂封存效率与力学性能的需求。

这项研究的创新价值在于：首次建立晶体生长动力学-孔隙分形特征的定量关联模型，突破了传统孔隙分析仅关注静态参数的局限。提出的"产物形态调控"策略，为工业固废高值化利用提供了新思路，对推动钢铁行业碳中和具有重要实践意义。