空气石灰中的CO2矿化作用使得可利用基性采石场废料

《Geomechanics for Energy and the Environment》：CO2 mineralization in air lime renders incorporating mafic quarry waste

　　摘要：本研究探讨了基性岩（辉绿岩）采石场废料对空气石灰砂浆的碳酸化行为及其物理力学性能的影响。研究使用了来自塞浦路斯特罗多斯蛇绿岩杂岩体中辉绿岩采石场的细粒废料，以10%、20%和30%的质量分数替代部分石灰粘结剂。这些砂浆在实验室常温条件下固化，分别在28天、56天和90天后从物理力学性能和微观结构角度进行评估。开放孔隙度与毛细吸水率测试表明，加入采石场废料并未显著改变砂浆的整体物理特性。然而，汞压入法孔隙度分析显示，随着固化时间延长至90天，废料含量增加会导致平均孔径减小，说明孔结构变得更加致密。酚酞指示剂试验和热分析结果显示，与对照混合物相比，添加了废料的砂浆碳酸化程度更高，这意味着其在常温条件下具有更强的二氧化碳封存能力。扫描电子显微镜观察进一步发现，含有废料的复合材料的碳酸化区域微观结构更为致密。力学测试结果显示，与对照砂浆相比，废料含量为20%的砂浆强度最高，而30%废料含量的砂浆也表现出良好的力学性能。研究结果表明，辉绿岩采石场废料可有效作为石灰的部分替代品用于空气石灰砂浆，有助于促进碳酸化反应，推动石灰基建筑材料中采石场副产品的可持续利用。将基性岩采石场废料引入空气石灰砂浆中，可增强其碳酸化反应，从而有助于在常温条件下封存大气中的二氧化碳，进而减少作为主要二氧化碳排放源的建筑行业的碳排放。

引言：过去十年间，人们越来越重视开发更可持续的建筑材料。这一趋势源于在保持建筑材料性能和耐久性的同时，减少建筑行业对环境的影响。在此背景下，工业副产品及矿物废料的再利用引起了广泛关注，因为这类材料可以替代传统原材料，有助于构建建筑行业的循环经济体系。在全球产生的各类废料中，采石场细粒废料尤为常见。在采石和骨料加工过程中会产生大量细颗粒，这些颗粒不仅带来环境问题，还给处理带来经济压力。已有不少研究探讨了将采石场细粒废料用于建筑材料的可能性，尤其是作为水泥基复合材料的替代填充剂或辅助成分。不过，近期研究指出，某些采石场废料，尤其是来自基性岩的废料，由于其矿物组成特点，可能具有额外优势。基性岩（如辉绿岩）通常含有大量的钙、镁和铁硅酸盐矿物，这类矿物能够与二氧化碳发生反应生成稳定的碳酸盐矿物。这一过程被称为矿物碳酸化，因其生成的碳酸盐相在地质时间尺度上具有稳定性，因此被广泛视为长期碳捕获与封存的可行途径。将矿物碳酸化理念应用于建筑材料是相对较新的研究方向。传统建筑材料可为此类反应提供合适的载体，从而实现材料生产与二氧化碳封存的同步进行。其中，石灰基复合材料尤为重要。几千年来，石灰基材料一直被用作建筑材料，应用于各种大型建筑和普通建筑中，作为抹面材料、灰泥及接缝砂浆。它们之所以长期被使用，是因为其与砌体基底具有良好的相容性，具有较高的蒸汽渗透性，还能适应结构变形。与水泥基复合材料相比，石灰基材料通常更柔软且孔隙更多，这些特性使其能够在历史砌体结构中起到牺牲层的作用，同时有助于水分传输，降低可溶性盐结晶或机械应力差异造成的损坏风险。正因如此，石灰抹面材料和砂浆在建筑保护领域仍被广泛使用，而且由于相比波特兰水泥基材料具有更低的环境影响，它们在现代建筑中也重新受到重视。石灰抹面材料和砂浆可以使用水硬性石灰或空气石灰作为粘结剂。水硬性石灰抹面/砂浆的强度主要通过水化反应产生，而空气石灰抹面/砂浆则主要通过碳酸化作用硬化。在初步干燥后，氢氧化钙会与大气中的二氧化碳反应生成碳酸钙，逐渐提高材料的力学强度，同时改变其孔结构。碳酸化进程主要取决于两个相互关联的机制：二氧化碳在孔隙网络中的扩散，以及溶解的二氧化碳与钙氢氧化物之间的反应。尽管空气石灰基复合材料具有诸多优势，但在常温环境下，其碳酸化反应速度相对较慢。因此，空气石灰基复合材料的凝固和硬化过程可能需要很长时间，这限制了其在现代建筑中的应用范围。已有不少研究探讨了影响碳酸化速率的因素，包括温度、相对湿度、二氧化碳浓度等环境条件，以及与复合材料孔结构相关的固有因素。在碳酸化过程中，碳酸钙的沉淀会逐渐改变孔径分布，进而影响二氧化碳在材料中的扩散路径。尤其是直径大于约0.1微米的孔隙，对二氧化碳的传输起着关键作用，因此在控制碳酸化速率方面具有重要意义。虽然空气石灰基复合材料的碳酸化行为已得到广泛研究，但针对如何在常温环境下加速碳酸化反应的策略研究相对较少。有一些实验尝试通过将石灰基材料置于富含二氧化碳的环境中来加速碳酸化过程，但这样的环境并不一定符合实际使用条件。因此，在自然固化条件下提升碳酸化效率仍然是一个重要的研究课题。一种有前景的方法是引入能够与二氧化碳发生反应或改变石灰基复合材料孔结构的矿物添加剂。近期研究表明，某些来自基性岩的矿物，当加入石灰基材料中时，可以促进碳酸化反应。例如，Westgate等人发现，在石灰砂浆中加入橄榄石骨料可以加速碳酸化并提高抗压强度。Rigopoulos等人以及Kyriakou等人则进一步研究了将球磨处理的基性岩采石场废料用于石灰抹面材料的效果，他们的研究也表明，这类废料的加入能够促进复合材料的碳酸化，原因在于它有助于改善大气中的二氧化碳在复合材料孔结构中的扩散，同时该废料本身也能吸收二氧化碳。尽管已有相关研究，但将基性岩采石场产生的细粒废料作为添加剂用于空气石灰基复合材料的应用仍需进一步探索。基于此，本研究探讨了将来自塞浦路斯特罗多斯蛇绿岩杂岩体中辉绿岩采石场的细粒废料用于空气石灰抹面材料的情况。在那些辉绿岩采石活动会产生大量目前尚未得到充分利用的细粒废料的地区，使用这类废料具有特殊意义。本研究中的采石场废料以10%到30%的质量分数替代部分石灰粘结剂，用于制备砂浆混合物。本研究的主要目的是评估这种特定的辉绿岩采石场废料对在常温条件下固化的空气石灰抹面材料的碳酸化行为及性能的影响。为实现这一目标，研究采用了多种分析方法。通过酚酞指示剂试验、热分析（TG/DTA）和X射线衍射（XRD）来检测碳酸化程度，而微观结构变化则通过扫描电子显微镜（SEM）进行分析。此外，还使用了汞压入法孔隙度分析来研究孔径分布，同时测量了开放孔隙度、表观密度和毛细吸水率等物理性质，以便更好地了解孔结构与碳酸化之间的关系。通过这项研究，旨在进一步了解基性岩采石场废料在常温条件下对空气石灰抹面材料碳酸化反应的影响，以及其在帮助封存大气二氧化碳方面的作用。同时，用采石场细粒废料部分替代石灰，也有助于减少原材料消耗，推动建筑行业中对采石场副产品的可持续利用。

采石场废料的选择与特性：塞浦路斯的特罗多斯蛇绿岩杂岩体是全球保存最为完好的蛇绿岩序列之一，形成于大约9200万至9000万年前的超俯冲带环境中。该杂岩体覆盖面积约为3200平方公里，约占塞浦路斯总面积的三分之一，由超基性岩浆岩构成，其上覆盖着累层基性岩单元、辉长岩、片状岩脉群以及枕状熔岩。属于片状岩脉群的辉绿岩分布广泛。

粉末X射线衍射分析：图2展示了经过90天固化后的对照砂浆和改性砂浆的X射线衍射图谱。在2θ=9°左右处的绿泥石峰强度随着废料含量的增加而上升，这反映出所使用的皮尔加辉绿岩中含有绿泥石矿物。斜长石也呈现出类似的趋势，其在2θ=28.1°处的峰随着废料含量的增加而更加明显，这说明废料中的长石质组分已经融入到了砂浆中。

结论：本研究评估了辉绿岩采石场废料掺入对石灰基抹面材料的物理性能、微观结构、力学性能及碳酸化过程的影响。研究结果表明，所使用的这种特定废料并未显著影响硬化后砂浆的开放孔隙度或毛细吸水率，说明这些复合材料的整体物理性能保持相对稳定。然而，在固化90天时，平均孔径出现了变化……

作者贡献声明：Myrto Kalofonou：研究工作、数据整理。Ioannis Rigopoulos：研究方法设计、研究工作、资金申请、概念构思。Elli Symeou：文章撰写与修改、初稿撰写、结果可视化、验证、项目管理、研究方法设计、研究工作、正式分析、数据整理。Hassan Jaber：研究工作、数据整理。Ioannis Ioannou：文章撰写与修改、监督工作、资源协调、项目管理、研究方法设计、资金申请。

关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明：在准备本论文时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来优化文本语言。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表的文章内容负全责。

利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系：Ioannis Ioannou表示获得了塞浦路斯研究与创新基金会的财政支持。其他作者则声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究是在GreenRenders项目的支持下完成的。GreenRenders项目（编号EXCELLENCE/0524/0498）是在“THALIA 2021-2027”社会凝聚力计划框架下实施的，该计划由欧盟通过塞浦路斯研究与创新基金会提供资助。

利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

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