多目标优化响应面法开发碳汇胶凝材料：基于工业废料的低碳水泥替代品研究

为解决传统水泥生产高碳排放问题，研究人员通过响应面法(RSM)优化开发了一种无水泥的碳封存胶凝材料。该材料以富铁工业废料(60%)为主，结合飞灰、偏高岭土和石灰石，采用草酸活化促进CO2养护下的铁碳酸盐形成。优化配方(2%草酸+3 bar CO2养护14天)抗压强度达62.8 MPa，较传统水泥浆体(25-35 MPa)显著提升，微观结构证实菱铁矿、方解石等稳定碳酸盐相形成。该研究为建筑行业提供了一种可吸收CO2的高性能替代胶凝材料，工业废料利用率超75%，契合循环经济目标。

　　

在全球建筑行业面临严峻碳减排压力的背景下，传统硅酸盐水泥(OPC)生产带来的环境问题日益凸显。作为现代基础设施的核心材料，水泥产业贡献了全球8-10%的CO₂排放，主要源自石灰石煅烧过程和高温窑炉的化石燃料消耗。随着城市化进程加速，如何在满足建设需求的同时实现可持续发展，成为亟待解决的矛盾。当前虽已有研究探索辅助胶凝材料(SCMs)部分替代水泥，但始终未能完全摆脱对熟料的依赖。

在此背景下，研究人员创新性地提出了一种全新的解决方案——利用富铁工业废料完全替代水泥，开发具有碳封存功能的胶凝材料。这项发表在《Results in Engineering》的研究，通过多目标优化设计，成功将钢铁行业产生的含铁废料(占比60%)与飞灰、偏高岭土等材料复合，创造性地采用草酸活化结合CO₂养护工艺，使材料在固化过程中主动吸收二氧化碳，实现了"越坚固越环保"的反直觉效果。

研究团队运用响应面法(RSM)系统优化了六个关键参数：草酸掺量(2-5%)、CO₂压力(0-3 bar)、CO₂养护时间(1-15天)、空气养护时间(1-15天)、水胶比(0.17-0.21)及试件尺寸。通过34组实验构建的二次多项式模型(R2=0.9847)准确预测了材料性能，结合X射线衍射(XRD)、热重-差热分析(TGA-DTG)、场发射扫描电镜(FESEM)等技术揭示了材料微观结构演变规律。

4.1 响应面分析

模型显示CO₂压力与养护时间存在显著交互作用(p<0.0001)，3 bar压力下养护14天使抗压强度提升至62.8 MPa。草酸最佳掺量为2-3%，过量会导致过度螯合而降低性能。水胶比0.17时材料最致密，38×76 mm圆柱试件因高表面积体积比表现最优。

4.3 微观结构分析

XRD证实材料中生成了42%的钙铁榴石(Ca₃Fe₂(SiO₄)₃)和16%的菱铁矿(FeCO₃)。TGA在675°C处的质量损失对应碳酸盐分解，证实CO₂封存。FESEM观察到叶片状菱铁矿晶体与花瓣状纤铁矿(γ-FeOOH)交织形成的致密结构，未发现有害铁氧化物。

这项研究突破了传统胶凝材料体系，创造性地实现了三个创新：工业废料的高值化利用(占比80%)、生产过程的碳负排放(每吨材料封存CO₂约300 kg)、以及超越普通水泥的力学性能(62.8 vs 25-35 MPa)。研究者提出的"草酸活化+加压碳化"工艺为建筑行业低碳转型提供了可规模化推广的技术路径，其建立的RSM模型还能指导不同养护制度下的强度预测，具有重要的工程应用价值。未来研究将聚焦长期耐久性验证和全生命周期评估，推动该技术向产业化迈进。