贝壳粉碱激发胶凝材料：生物废弃物资源化与土壤改良的绿色解决方案

本研究针对传统水泥高碳排放及贝壳类废弃物处置难题，创新性地以贻贝壳粉(MSP)为前驱体，通过12M NaOH和NaOH+Na2SiO3两种碱激发体系制备低碳胶凝材料(AAB)。研究发现硅酸钠的引入可促进硅酸盐水合凝胶(C-S-H)生成，使抗压强度(UCS)提升至1500.8 kPa，较纯NaOH体系提高20倍，同时碳足迹降低34.6%，为海洋废弃物资源化和土壤稳定化提供了可持续解决方案。

　　

在全球每年产生超过1500万吨贻贝壳废弃物的背景下，这些富含碳酸钙的生物质材料因非生物降解特性成为环境负担。传统水泥生产的高碳排放（每吨排放0.82kg CO₂-e）与土壤改良需求间的矛盾日益突出。意大利那不勒斯费德里科二世大学地球科学与资源系（DiSTAR, University of Napoli Federico II）的研究团队在《Biogeotechnics》发表突破性研究，通过碱激发技术将贻贝壳粉转化为高性能土壤稳定剂，为解决生物废弃物资源化和低碳建材开发提供了双赢方案。

研究采用X射线衍射(XRD)追踪矿物相变，热重分析(TGA)量化反应产物，扫描电镜(SEM)观察微观形貌，压汞孔隙仪(MIP)分析孔隙演化，并结合无侧限抗压强度(UCS)和超声波速(UV)测试力学性能。实验选用意大利塔兰托海域的贻贝壳，经破碎筛分获得D₅₀=6.32μm的粉末，与12M NaOH或NaOH+Na₂SiO₃溶液按0.6液固比混合。

材料特性

贻贝壳粉含73wt%方解石和26.7wt%文石，XRF显示CaO含量达58.57wt%。SEM揭示其独特的"砖-泥"结构（图1b），这种生物源碳酸钙的异质形态显著不同于地质石灰石。

化学演化

12M NaOH体系在7天内使方解石溶解26%，生成29.8%的片钠钙石(Na₂Ca(CO₃)₂·2H₂O)，但28天后UCS下降7%（图4e）。而含硅体系在同期促成35%片钠钙石和9.42wt% SiO₂转化，TGA在160℃出现新失重峰，对应C-S-H凝胶形成（图5b），使UCS提升至1500.8kPa。

微观机制

MIP显示含硅体系孔隙频率降低（图4d），SEM观察到凝胶包裹晶体（图3n）。硅酸钠的加入使CaO消耗量提高17%，证实硅促进碳酸钙溶解并稳定凝胶相。

工程应用

处理塔兰托港疏浚淤泥时，含硅体系使28天UCS提升57倍（74.5kPa），v_p达911m/s（图5e）。碳足迹评估显示该技术较普通水泥减排34.6%（350.2 vs 535.6kg CO₂-e/吨）。

这项研究首次阐明生物源碳酸钙在碱激发过程中的相变规律，揭示硅对凝胶稳定性的关键作用。通过将水产废弃物转化为高附加值建材，不仅实现每年23万吨欧洲贝壳垃圾的资源化，更开辟了土壤改良的低碳路径。研究建立的"溶解-凝胶-结晶"模型（图5c）为设计新型生物基胶凝材料提供了理论框架，对推动循环经济和碳中和目标具有重要实践意义。