评估桉树纸浆、矿物掺合料和碳化在挤压纤维水泥中潜在用途的研究

《Case Studies in Construction Materials》：Assessment of the potential use of eucalyptus pulp, mineral additions and carbonation in extruded fiber cement

　　

本研究调查了一种生产低碳挤压纤维水泥的创新方法，利用桉树纸浆、铜尾矿和加速碳化养护的结合。所确定混合物的理想配比为10%桉树纸浆结合27% Sossego铜尾矿和63%普通硅酸盐水泥。该配方实现了12.74 MPa的弯曲强度，该值显著高于参考样的8.87 MPa，且高于巴西对非结构构件的要求。在物理方面，包含10%纤维使初始表观孔隙率增加了103%。纤维创造了通道，使得碳化效率比无纤维基体高33%。在含63%铜尾矿的混合物中达到的最大碳化程度为54.3%。通过碳化养护促进了孔隙堵塞效应，由于方解石的形成占据了比氢氧化钙更大的摩尔体积，使得表观孔隙率平均降低了25%。碳化通过将表面pH降低21%来保护纤维素纤维，减轻了碱性降解。X射线衍射（XRD）和微观结构分析证实了方解石相的形成，有助于基体中的孔隙细化。这些发现通过开发环保产品对环境做出了贡献。

论文解读：《评估桉树纸浆、矿物掺合料和碳化在挤压纤维水泥中潜在用途的研究》

研究背景与意义

硅酸盐水泥工业贡献了约6%至8%的人类温室气体（GHG）排放，主要源于高能耗、每生产1吨熟料释放约0.6至1吨二氧化碳（CO₂），以及该材料在全球范围内的高消耗量。为减少环境足迹，利用工业废弃物如铜尾矿作为辅助胶凝材料部分替代水泥成为研究热点。铜尾矿是铜矿选矿过程中产生的细颗粒废物，全球年产量约36.8亿吨，其传统填埋处置加剧环境负担。加速碳化养护技术能将CO₂封存于水泥基材料中，同时降低孔隙率并提升耐久性。然而，将铜尾矿、植物纤维与碳化技术结合用于低碳挤压纤维水泥的研究仍处于起步阶段。因此，研究人员开展此项研究，旨在开发一种新型环保建材，通过部分替代普通硅酸盐水泥（OPC）并采用加速碳化，实现废弃物资源化与碳减排的双重目标。该论文发表在《Case Studies in Construction Materials》。

主要技术方法概述

研究人员采用来自巴西的漂白桉树纸浆（纤维长0.78 mm，宽17.54 μm）、高早强波特兰水泥（类似ASTM C150类型III）、石灰石以及Sossego和Salobo矿的铜尾矿。通过实验室挤出机（螺杆直径75 mm，长100 mm）成型截面200×50×15 mm³的平板。样本经2天密封初凝后，分为两组养护：非碳化组进行5天60°C湿热养护；碳化组进行1天加速碳化（温度60°C，相对湿度90%，CO₂浓度20%）后接4天湿热养护，总龄期7天。性能测试涵盖表面pH、吸水率、表观密度、表观孔隙率（依据ASTM C-948）以及四点弯曲力学性能（跨距135 mm，加载速率5 mm/min）。微观表征采用X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）和激光粒度分析等。

研究结果

1. 1.
   引言
   研究人员指出，全球铜尾矿产量巨大且传统处置方式环境危害严重。普通硅酸盐水泥生产碳排放高，而利用铜尾矿作为辅助胶凝材料可减少熟料用量。植物纤维（如桉树纸浆）能改善水泥基复合材料的力学性能并提供生态效益。加速碳化养护可降低基体碱度，保护纤维素纤维免受降解。然而，将铜尾矿与碳化技术结合用于挤压纤维水泥的研究尚少，本研究旨在填补这一空白并开发具有生物接收潜力的材料。
2. 2.
   材料与方法
   2.1 原材料表征
   研究人员对普通硅酸盐水泥、石灰石、Sossego和Salobo铜尾矿进行了X射线荧光分析。结果显示，Sossego尾矿中CaO含量7.50%，Fe₂O₃ 23.20%；Salobo尾矿中CaO 1.39%，Fe₂O₃ 57.60%。比表面积（BET法）测定值分别为水泥1.47 m²/g、石灰石1.13 m²/g、Sossego尾矿1.20 m²/g、Salobo尾矿1.25 m²/g。真实密度（氦气比重法）为水泥3.06 g/cm³、石灰石2.72 g/cm³、Sossego尾矿3.11 g/cm³、Salobo尾矿3.67 g/cm³、桉树纸浆1.56 g/cm³。桉树纸浆纤维素含量88.81%，半纤维素6.07%，木质素1.00%，低木质素有利于吸水与保水。

2.2 纤维水泥生产

研究人员设计了两组配合比。第一组变化桉树纸浆体积分数（0%、6%、8%、10%），固定水泥63%、石灰石27%，水胶比随纤维量增加从0.16调至0.31。第二组固定纸浆10%，变化水泥与铜尾矿替代量：用Sossego或Salobo尾矿27%或63%完全替代石灰石，或水泥降至27%并用尾矿63%替代。所有混合物添加1%高效减水剂（ADVA）和1%羟丙基甲基纤维素（HPMC）。通过挤出成型制备试样。

2.3 养护过程

样本密封初养2天后，非碳化组60°C热养5天；碳化组在气候室中60°C、90%相对湿度、20% CO₂下养护1天，再热养4天。总养护期7天。

2.4 物理与化学测试

依据ASTM C-948测定吸水率（WA）、表观密度（AD）和表观孔隙率（AP）。表面pH用pH计测量。力学测试采用四点弯曲，得出断裂模量（MOR）、比例极限（LOP）、弹性模量（MOE）和比能量（SE）。

2.5 力学测试

四点弯曲试验跨距135 mm，加载速率5 mm/min，按RILEM规程计算MOR、LOP、MOE和SE。

结论与讨论

研究人员得出结论：最佳配比为10%桉树纸浆、27% Sossego铜尾矿和63%普通硅酸盐水泥，其弯曲强度达12.74 MPa，显著高于参考样8.87 MPa，满足巴西非结构构件要求。添加10%纤维使初始表观孔隙率增加103%，但纤维形成的通道使碳化效率比无纤维基体提高33%。含63%铜尾矿的混合物最大碳化度达54.3%。碳化养护因生成方解石（占据比氢氧化钙更大的摩尔体积）产生孔隙堵塞效应，使表观孔隙率平均降低25%。碳化将表面pH降低21%，有效保护纤维素纤维免受碱性降解。XRD和微观分析证实了方解石相形成及孔隙细化。该研究通过废弃物利用与碳封存，为建筑行业提供了环保且高性能的纤维水泥解决方案，具有重要环境与经济效益。