氧化铝副产品增强镁磷酸盐水泥基质的深度表征与可持续性研究

为解决传统波特兰水泥(PC)高碳排放问题，研究人员创新性地将铝工业副产品PAVAL?(PV)掺入低品位氧化镁(LG-MgO)基镁钾磷酸盐水泥(MKPC)体系。通过多尺度表征发现，35wt% PV添加使凝结时间从84.5分钟缩短至16.5分钟，抗压强度提升60%（40.5MPa），并证实铝物种通过物理嵌入和表面吸附影响K-鸟粪石(K-struvite)基质，为工业固废高值化利用提供新思路。

　　

在全球建筑行业面临严峻碳减排压力的背景下，传统波特兰水泥(PC)生产每年产生约44亿吨二氧化碳排放，占全球人为排放的11%。这种环境负担主要源于石灰石煅烧过程，同时伴随着不可再生资源（如粘土和石灰石）的持续消耗。为应对这一挑战，化学键合陶瓷(CBCs)特别是镁磷酸盐水泥(MPCs)因其在室温下通过酸碱反应固化的特性，成为极具潜力的替代材料。其中，镁钾磷酸盐水泥(MKPC)相比镁铵磷酸盐水泥(MAPC)具有无氨挥发、强度发展快等优势，但其原料MgO和KH₂PO₄的生产仍存在1.08-1.60吨CO₂/吨的高碳足迹。

在此背景下，西班牙的研究团队创新性地采用两种工业副产品构建可持续MPC体系：来自钢铁工业的低品位氧化镁(LG-MgO)作为镁源，以及铝回收盐渣处理产物PAVAL?(PV)作为微集料。PV主要含Al₂O₃和Al(OH)₃，其与磷酸盐基质的潜在相互作用可能形成增强相。研究旨在阐明PV在MPC体系中的双重作用：既是加速凝结的微集料，又可能通过铝-磷酸盐反应改善材料性能。

研究采用等温传导量热法(ICC)监测水化过程，结合X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR-ATR)、背散射电子显微镜-能谱(BSEM-EDS)、魔角旋转核磁共振(²⁷Al/³¹P MAS-NMR)和热重分析(TG/DTG)等多尺度表征手段。通过制备含0-35wt% PV的微砂浆，系统评估了材料性能与微观结构的演变规律。

3.1.1 等温传导量热分析
ICC曲线揭示PV35样品在1小时达到最大放热峰，比参比样(PV0)快1.4倍，证实PV显著加速MKPC凝结。累积放热数据显示PV35在70小时后仍保持较高反应活性，暗示铝物种可能参与持续反应。

3.1.2 微观结构表征
XRD未检测到结晶态铝磷酸盐，但BSEM-EDS显示Al颗粒与K-鸟粪石基质边界存在元素信号重叠。FTIR-ATR谱图中986-1023cm^-1区间的峰位移提示可能的Al-O-P键形成。³¹P NMR在PV35样品中检测到-5-5ppm的无定形磷酸盐信号，对应TG/DTG在60°C的质量损失，证实形成4wt%的Mg₂KH(PO₄)₂·15H₂O。

3.1.2.5 热重分析
定量分析显示PV35中Al(OH)₃实际含量(6.8wt%)比理论值(10.3wt%)低3.5%，表明部分铝可能以Al(OH)₄^-形式滞留于基质界面。K-鸟粪石含量随PV添加呈线性下降，最大偏差达7.1wt%。

这项发表于《Sustainable Chemistry and Pharmacy》的研究证实，PV通过异相成核效应加速MKPC凝结，其铝组分可能通过界面反应影响无定形相形成。虽然未明确证实结晶态铝磷酸盐的存在，但PV的添加使材料获得更优的力学性能(40.5MPa)和施工性能(16.5分钟凝结)，为开发低碳建材提供了工业固废协同利用的新范式。研究提出的"物理嵌入-表面吸附-界面扩散"作用机制，为后续设计高性能可持续水泥体系奠定了理论基础。未来研究需结合同步辐射X射线吸收谱(XAS)等高灵敏技术，进一步解析铝物种的化学状态与空间分布。