《Journal of the Indian Chemical Society》：Thermal and chemical pretreatment effects on phase evolution and microstructure of biogenic CaCO
3-derived CaO materials
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•通过化学处理和煅烧可调整钙在废蛋壳粉中的反应性。•富含钙且多孔的蛋壳能提升混合水泥体系的活性。•磷酸处理可实现可控的钙释放，从而提升材料的耐久性。引言自20世纪中叶以来，快速的城市化和基础设施建设推动了全球水泥需求的持续增长，使得水泥成为全球使用最广泛的建筑材料之一。目前全球每
• 通过化学处理和煅烧可调整钙在废蛋壳粉中的反应性。
• 富含钙且多孔的蛋壳能提升混合水泥体系的活性。
• 磷酸处理可实现可控的钙释放，从而提升材料的耐久性。
引言 自20世纪中叶以来，快速的城市化和基础设施建设推动了全球水泥需求的持续增长，使得水泥成为全球使用最广泛的建筑材料之一。目前全球每年水泥产量超过40亿吨，水泥行业也因此成为能耗最高、碳排放最多的行业之一[1,2]。普通波特兰水泥的制造过程中，每生产一吨熟料会释放约0.8–0.9吨二氧化碳，约占全球人为二氧化碳排放量的5–8%[3,4]。这些环境问题促使建筑行业加大了对低碳粘结剂以及降低熟料用量策略的研究力度。
为减少水泥生产对环境的影响，飞灰、粒化高炉矿渣、稻壳灰等辅助胶凝材料被广泛用作部分替代熟料的材料[[5], [6], [7], [8], [9]]。虽然这些材料有助于降低二氧化碳排放并提升材料的长期耐久性，但过高的替代比例会导致早期强度下降，同时由于钙含量不足，水化反应也会延迟。在含有低钙辅助胶凝材料的混合水泥体系中，充足的钙含量以及适宜的孔隙溶液碱度对于促进硅酸盐和铝酸盐相的溶解、维持火山灰反应和潜在水化反应至关重要。因此，这类高辅助胶凝材料的性能在很大程度上取决于含钙相的存在及其反应性。
蛋壳废弃物是一种丰富的、未被充分利用的生物源钙资源，来源于食品和农业领域。蛋壳主要成分是碳酸钙，纯度通常超过95%，其化学性质与水泥生产中常用的天然石灰石相似[10,11]。2023年全球鸡蛋产量超过9700万吨，由此产生的蛋壳废弃物每年达800多万吨，其中大部分被填埋或焚烧处理[12,13]。近年来，人们开始探索利用蛋壳提取的钙材料，将其应用于催化剂、肥料、陶瓷以及部分水泥体系等领域，证明了其作为可持续钙来源的潜力[14,15]。
然而，在大多数与建筑相关的研究中，蛋壳粉主要被用作直接替代水泥的材料或惰性填充物，对其钙含量、相组成以及微观结构反应性的控制较为有限。这限制了其在含有低钙辅助胶凝材料的混合水泥体系中的应用效果，而在这种体系中，精确控制钙的释放速率和溶解动力学对于水化和强度发展至关重要。
先前的研究表明，用酸性或碱性溶液对蛋壳粉进行化学预处理，可以去除有机膜、改变表面化学性质，并影响其热分解行为[13,14,16,17]。同样，煅烧温度也会影响碳酸钙向氧化钙的转化，进而改变材料的相组成、结晶度和颗粒形态[[18], [19], [20], [21], [22]]。不过，现有研究大多单独探讨化学处理或煅烧温度的影响，较少关注二者共同作用对混合水泥体系中的相演变、微观结构发展以及钙反应性的影响。尤其是，预处理化学方法在调控钙的可用性及溶解行为、从而激活粒化高炉矿渣和稻壳灰等低钙辅助胶凝材料方面的作用，目前仍不够明确[15]。
因此，本研究旨在探究化学预处理和煅烧温度共同作用对蛋壳衍生钙材料的化学成分、相演变以及微观结构特性的影响。研究中对经过柠檬酸、氢氧化钠和磷酸处理的蛋壳粉进行了500至800℃范围内的煅烧处理，并运用XRF、XRD、FTIR、SEM和EDS等技术对其进行了系统分析。本研究的目标是：（i）阐明预处理化学方法与热分解过程之间的相互作用；（ii）确定优化处理条件，以调控钙的可用性和反应性；（iii）评估经处理的蛋壳衍生钙材料作为未来激活低钙辅助胶凝材料的潜在应用价值。
章节要点 原材料 蛋壳废弃物是从当地的食品加工企业收集而来，先用蒸馏水彻底清洗，以去除残留的蛋白和表面杂质。清洗后的蛋壳在105℃下烘干24小时，随后在实验室球磨机中粉碎并研磨成细粉。最后通过筛分，确保所得粉末的颗粒大小均能通过75微米的筛网，从而为后续的化学预处理做好准备。
所使用的普通波特兰水泥符合ASTM
C150 I型标准。
经处理与未处理蛋壳粉的物理外观 图4a展示了未处理及经化学处理后的蛋壳粉在煅烧前后的物理外观。未处理的蛋壳粉在煅烧前呈浅米色，随着煅烧温度的升高，由于有机物被去除以及碳酸钙发生分解，颜色逐渐变为更白的颜色。
经过化学预处理后，蛋壳粉在颜色和质地方面出现了明显差异。经过柠檬酸和氢氧化钠处理的样品呈现出
结论 本研究可得以下结论：
1. 化学预处理显著影响了蛋壳粉的脱碳行为和钙的可用性，其中柠檬酸和氢氧化钠处理方式相比未处理方式，更能促进碳酸钙的分解，提升氧化钙的纯度。
2. 煅烧温度决定了材料的相变情况，在700至800℃之间，碳酸钙会大量转化为氧化钙；而在较低温度下，材料则以方解石为主，非晶态成分占比更高。
数据可用性声明 本研究的相关数据可在合理请求下从对应作者处获取。
作者贡献说明 Turki S. Alahmari： 数据整理、定量分析、项目管理、结果验证、论文撰写与修改。Tareg Abdalla Abdalla： 研究构思、资金申请、项目管理、资源协调、研究指导、论文撰写与修改。Babatunde Olawale Yusuf： 数据整理、资金申请、研究方法设计、资源调配、软件应用、结果验证、数据可视化、论文撰写与修改。
利益冲突声明 • 作者声明，本研究不存在任何利益冲突。
Turki S. Alahmari|Tareg Abdalla Abdalla|Babatunde Olawale Yusuf
