掺入碳化城市生活垃圾焚烧底渣水泥砂浆的性能、微观结构及水化研究

《Journal of Building Engineering》：Performance, microstructure and hydration of cement mortar incorporating carbonated municipal waste incineration bottom ash

　　

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  IBA的碳化以快速CH碳化和缓慢CSH碳化为主导。
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  研究了碳化IBA对水泥砂浆性能的影响。
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  碳化IBA加速了水泥砂浆的硬化速度。
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  碳化减轻了IBA引起的强度损失。
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  碳化IBA在硬化浆体中实现了稳定的CO₂封存。

引言

随着全球城市化的快速发展，城市固体废物焚烧量持续增加，产生大量焚烧底灰（IBA），约占焚烧残渣总量的80%–90%，全球年产量超过1亿吨[1]，[2]。IBA主要含有CaO、SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，以及氯化物、硫酸盐和Zn、Cu、Pb等重金属。其主要矿物相为石英、方解石和Ca(OH)₂，组成复杂且区域差异显著[3]，[4]，[5]。目前，大量IBA仍被堆存或填埋，导致土地占用和重金属浸出等环境问题[3]。与此同时，水泥工业贡献了全球约8%的CO₂排放。用工业固废替代水泥已成为建材行业碳减排的核心策略之一，因此IBA的建筑材料高值化利用受到广泛关注[6]。

近期研究表明，将IBA作为天然骨料或胶凝组分的部分替代材料掺入水泥基材料是可行的。IBA已成功应用于自密实砂浆和UHPC体系中，显示出减少自然资源消耗和改善环境可持续性的潜力[7]，[8]，[9]，[10]。然而，由于其多孔结构、高吸水率、非均质组成以及相对较低的本征反应活性，直接掺入IBA可能对水泥基材料的和易性、力学强度和耐久性产生不利影响。尽管改性方法（如将Al₂O₃微粉掺入含IBA砂浆中）可以通过优化基体密实度来改善强度发展和耐久性[10]，[11]，[12]，但IBA有限反应活性仍是一个主要挑战，尤其是当其作为辅助胶凝材料替代水泥时[13]。

水洗和机械预处理常用于改善IBA的利用性能。水洗可以去除可溶性盐并降低重金属浸出风险[14]，而机械研磨可以减少金属铝杂质并提高IBA的细度[15]。然而，原始IBA固有的低反应活性仍限制了其作为水泥替代材料的大规模应用，特别是在高替代率下可能出现显著强度劣化^[9]。因此，对IBA进行适当的预处理或改性对于提高其作为潜在水泥替代材料的适用性至关重要。

碳化养护技术是当前水泥基材料领域的研究热点之一。在碳化过程中，CO₂与含钙相反应生成稳定的CaCO₃，实现碳封存与微观结构优化的协同作用[16]，[17]。碳化动力学研究表明，在温和条件下（≤80 °C），反应受产物层扩散控制。生成的纳米CaCO₃微晶通过填充孔隙和细化孔径分布来提高基体密实度，并为C-S-H凝胶提供异质形核位点，加速水化过程[17]，[18]，[19]。

近年来，碳化养护技术应用于IBA改性的研究逐步展开。Sun等[20]以粒径小于1.18 mm的细IBA骨料为研究对象，经加压碳化后制备压实圆柱试件，测得无侧限抗压强度从67 kPa提高到691 kPa，CO₂吸收量为6%；Tang等[21]利用IBA和混凝土浆体废弃物制备冷粘结轻骨料（CBLAs）并进行碳化养护，骨料碳封存能力达3.5%–4.1%；Fan等[22]对IBA颗粒（< 4.75 mm）进行搅拌碳化处理，当该研究中的研磨IBA作为辅助胶凝材料（SCM）替代50%水泥时，新拌浆体的流动度提高了36%。现有研究多集中于通过加压/湿法碳化处理粗IBA颗粒或骨料。对于常压干法预碳化如何影响细IBA作为潜在水泥替代材料的反应活性及其后续性能，尚缺乏系统认识。碳化养护时间与IBA掺合水泥砂浆宏观力学性能及和易性之间的定量关系尚不明确，且缺乏关于碳化生成的CaCO₃微晶如何优化孔隙结构的系统论证。

为应对这些挑战，本研究系统探讨了碳化IBA对水泥砂浆和易性、力学性能和碳封存性能的影响及机理。采用FTIR、XRD、TGA和SEM等表征手段评估碳化时间对IBA相组成、微观结构和化学稳定性的影响。同时考察了IBA和碳化IBA掺量（0%至30%）对砂浆流动度、凝结时间、抗压强度和水化热的影响。此外，采用压汞法（MIP）分析碳化IBA制备的水泥砂浆的孔结构，并结合XRD和TGA揭示水化产物的演变。总体而言，本研究旨在为IBA的高值化利用提供理论依据。

章节片段

原材料

本研究以强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥（OPC）作为主要胶凝材料。原料城市垃圾焚烧底灰（IBA）购自上海黎明资源再利用有限公司，经预处理后用作部分水泥替代材料。制备过程详见第2.2节。选用粒径小于5 mm的天然河砂作为细骨料。砂浆拌合采用实验室自来水。

FTIR

如图2所示，未碳化IBA在3642 cm^-1处显示出明显的游离-OH伸缩振动特征峰[33]，[34]，这是IBA中Ca(OH)₂的关键标识。碳化养护后，该峰在碳化1天内完全消失，表明IBA中的Ca(OH)₂在短时间内已完全参与碳化反应。在900–970 cm^-1范围内，未碳化IBA的光谱显示出一个宽肩峰，对应于

结论

本研究考察了城市垃圾焚烧底灰（IBA）碳化预处理对水泥砂浆性能和微观结构的影响。主要结论如下：

• (1)
  IBA的碳化改性以Ca(OH)₂的快速碳化为主导。Ca(OH)₂在碳化1天内基本转化为方解石型CaCO₃。少量类C-S-H物质在整个过程中发生持续的缓慢碳化，其

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致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（批准号：52308276）和中央高校基本科研业务费的资助。

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