基于水泥窑粉尘（CKD）-钢渣粉尘（SSD）-粉煤灰粉尘（FAD）混杂矿物碳化的增强CO2封存下一代低碳混凝土：TOPSIS多准则优化

《Next Materials》：Developing next-generation lower-carbon concrete with enhanced CO? sequestration through hybrid CKD-SSD-FAD systems

　　

建筑行业是CO₂排放的重要来源，并负责传统混凝土生产中的大部分内含能（Embodied Energy, EE）和内含碳（Embodied Carbon, EC），这主要归因于熟料密集型水泥。这促使研究人员寻求可持续替代方案，以满足日益增长的碳减排需求和工业副产物利用需求。然而，大多数研究聚焦于生产低碳排放混凝土，而非实现净负碳平衡。因此，本研究旨在利用包括水泥窑粉尘（Cement Kiln Dust, CKD）、钢渣粉尘（Steel Slag Dust, SSD）和粉煤灰粉尘（Fly Ash Dust, FAD）在内的废粉尘，通过矿物碳化（mineral carbonation）开发具有增强CO₂封存能力的低碳混凝土，从而考察其各项性能。研究人员配制了单掺和混杂混凝土配合比，以0%、5%、10%、15%和20%等不同水平部分替代水泥。掺入CKD、SSD和FAD后，力学性能显著改善。特别地，含7.5% CKD和7.5% SSD的NECKS15配合比表现出优异性能：与对照配合比（NECC0）相比，在7、28和56 d时抗压强度分别提高15.62%、18.8%和19.2%，劈裂抗拉强度分别提高23.1%、21.1%和19%，抗折强度分别提高15.8%、18.2%和18.3%。此外，掺入7.5% CKD和7.5% SSD后，耐久性能也显著改善。NECKS15配合比的内含能和内含碳分别为1875 MJ/m³和300 kg CO₂/m³，而对照配合比（NECC0）具有最高内含能和最高内含碳，分别为2215 MJ/m³和381 kg CO₂/m³。CO₂封存随替代水平增加而增加，NECKS20配合比在56 d时表现出最高CO₂封存量为46 kg/m³，而NECKS15配合比在56 d时达到39 kg/m³。因此，NECKS20配合比表现出优越的CO₂封存以及较低内含能和内含碳，而NECKS15配合比在力学、耐久性和环境性能之间提供了更好的平衡。进一步，基于TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，逼近理想解排序法）的多准则决策分析确定NECKS15配合比为基于综合性能标准的总体最优配合比。因此，该研究得出结论：NECKS15配合比是生产具有最佳综合性能平衡的低碳混凝土的最佳配合比。

研究背景与问题：建筑行业是CO₂排放的重要来源，传统混凝土因熟料密集型水泥贡献大量内含能（Embodied Energy, EE）和内含碳（Embodied Carbon, EC）。为应对气候变化和净零目标，需要低碳或负碳材料。矿物碳化（mineral carbonation）可利用碱性废物中CaO/MgO形成稳定碳酸钙（CaCO₃），实现CO₂封存。水泥窑粉尘（Cement Kiln Dust, CKD）、钢渣粉尘（Steel Slag Dust, SSD）和粉煤灰粉尘（Fly Ash Dust, FAD）含高CaO/MgO、粒径细、来源广，但多被填埋；现有研究多分别关注材料替代或CO₂养护，缺少将矿物碳化废粉尘与CO₂矿化养护整合的统一体系。因此，J Amirtharaj、S Vishnuvardhan、Ramkumar K.B等开展研究，目标开发增强CO₂封存的低碳混凝土，采用CKD、SSD、FAD单掺与混杂替代水泥，评估力学、耐久、环境性能及多准则优选。意义在于促进工业废物利用、CO₂捕集与利用（Carbon Capture and Utilization, CCU）、减少普通波特兰水泥（Ordinary Portland Cement, OPC）依赖，并提供可扩展低碳基础设施方案。

关键技术与方法：按IS 12269、IS 383、IS 10262、IS 516等标准，以OPC-53、CKD、SSD、FAD、M-Sand、花岗岩粗骨料和超塑化剂制备混凝土。设置对照NECC0及单掺/混杂替代5%～20%水泥的试件。脱模后于碳化室进行CO₂养护：抽真空至0.01 MPa，CO₂压力0.2、0.4、0.8 MPa，持时1、3、6 h，温度25±1 °C。测定7、28、56 d抗压、劈裂抗拉、抗折强度；按ASTM C642、ASTM C1585、ASTM C1202、EN 14630测水吸收、毛细吸水率（sorptivity）、快速氯离子渗透（Rapid Chloride Permeability Test, RCPT）和碳化深度（carbonation depth）。质量增益法（mass gain method）计算CO₂封存；ICE v3.0数据库按从摇篮到大门（cradle-to-gate）边界计算EE和EC；采用TOPSIS多准则决策。该研究未涉及样本队列来源。

研究结果：3.1 力学性能方面，通过抗压、劈拉、抗折测试，CKD、SSD、FAD均改善强度，混杂优于单掺。NECKS15（7.5% CKD + 7.5% SSD）最佳，7、28、56 d抗压37、57、62 MPa，较NECC0提高15.62%、18.8%、19.2%；劈拉强度较NECC0分别提高23.1%、21.1%、19%；抗折4.5、6.6、7.2 MPa，分别提高15.8%、18.2%、18.3%。20%替代因稀释效应降低。3.2 耐久性能方面，水吸收、毛细吸水率、RCPT、碳化深度测试表明，NECKS15较NECC0在28和56 d水吸收降低约28.8%和34%，RCPT降低50%和55.2%，毛细吸水率和碳化深度显著降低；混杂CKD-SSD因碳化与持续水化协同细化孔隙。3.3 可持续性方面，质量增益法显示CO₂封存随替代水平和龄期增加。NECKS20在56 d最高46 kg/m³，NECKS15为39 kg/m³；对照仅3 kg/m³。EE/EC计算显示NECKS15为1875 MJ/m³和300 kg CO₂/m³，NECKS20为1785 MJ/m³和282 kg CO₂/m³，NECC0为2215 MJ/m³和381 kg CO₂/m³。20%替代环境最优但力学耐久略低。3.4 基于TOPSIS的多准则决策方面，3.4.1 构建决策矩阵，纳入强度、水吸收、EE、EC和CO₂封存；3.4.2 向量归一化；3.4.3 按权重强度0.35、水吸收0.25、EE和EC各0.15、CO₂封存0.20进行加权归一化；3.4.4 确定正理想解（NECKS15强度、水吸收最优；NECKS20 EE、EC和封存最优）和负理想解（NECC0）；3.4.5 计算分离度；3.4.6 计算贴近度；3.4.7 排序。NECKS15贴近度0.717最高，排名第一；NECKS20第二（0.636），NECKS10第三（0.573），NECC0最后。结论为NECKS15综合最优，NECKS20环境最优。

讨论与结论翻译：讨论指出性能提升归因于碳化产物CaCO₃形成引起孔隙细化与颗粒堆积改善，但缺乏扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）、孔隙率等直接微观证据，为研究局限，未来需详细表征验证。结论：使用CKD、SSD、FAD能显著改善力学、耐久和环境性能，促进增强CO₂封存低碳混凝土。NECKS15含7.5% CKD和7.5% SSD，7、28、56 d抗压37、57、62 MPa；劈拉3.1、4.5、4.9 MPa；抗折4.5、6.6、7.2 MPa。结论部分列出NECKS15水吸收、毛细吸水率、RCPT、碳化深度较NECC0分别降低约28.8%和34%、34.4%和36.7%、50%和55.2%、约36.5%和36.3%（28和56 d）。NECKS15的EE和EC为1875 MJ/m³和300 kg CO₂/m³，NECC0为2215 MJ/m³和381 kg CO₂/m³。CO₂封存随矿化进行提高，NECKS15在56 d为39 kg/m³，原文结论称较对照约提高1433%；NECKS20封存更高。NECKS20环境指标更优，NECKS15力学耐久更优，单一配合比不能全优；TOPSIS确定NECKS15总体最优，NECKS20为增强CO₂封存和降低EE/EC的配合比。性能提升可归因于CaCO₃等碳化产物孔隙细化和颗粒堆积，但仍属解释性，因无直接微观证据。未来应加入详细表征。