新型氧化镁基钢管碳化复合桩的固化特性与碳减排效能

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Solidification characteristics and carbon reduction efficacy of a novel magnesium oxide-based steel pipe carbonation composite pile

　　

为应对现有地基处理技术碳排放量大的挑战，研究人员提出了一种新型氧化镁基钢管碳化复合桩（MSCP）技术。研究人员通过开展现场试验、微观结构表征与碳足迹评估，评价其固化特性与碳减排效能。结果表明，MSCP外桩最大温升（ΔTmax）与14天无侧限抗压强度（qu）呈显著正相关，据此可提供基于临界与安全ΔTmax的实时强度控制方法。较高的气体注入流速可显著提升碳化均匀性与充分性。微观观察揭示水合碳酸镁（HMCs）通过致密化、填充、互锁与胶结作用重塑土体微观结构。MSCP单桩碳排放较传统方案降低约30%，主要源于低碳粘结剂使用与工业CO2尾气利用。MSCP技术不仅为软土地基提供了性能可控的新处理方法，也为岩土工程碳封存与减排开辟了新路径。

研究背景方面，传统地基处理依赖大量普通硅酸盐水泥（OPC），其生产每吨排放0.78至0.83吨CO₂，占全球总碳排放5%至7%，能耗占全球12%至15%，严重制约岩土工程绿色转型。氧化镁基粘结剂以活性氧化镁（rMgO）与蛇纹石为代表，煅烧温度仅500℃（OPC需1450℃），生产负担低41.6%，且rMgO可通过后续碳化反应回收54%至76%的碳足迹，蛇纹石储量大、潜在固碳能力强。然而既有研究多停留于室内单元尺度，缺乏足尺现场验证、实时质控指标（如ΔT）量化及碳封存性能评估。为此，研究人员提出新型氧化镁基钢管碳化复合桩（MSCP），在江苏连云港长深高速沿线软土区开展系统研究，论文发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。

主要关键技术方法方面，研究人员在江苏连云港选用10米等长芯复合桩，外桩掺4%蛇纹石与12% rMgO，钢芯兼作CO₂通道；现场布设YSI 44005电阻温度传感器于距芯200、400、600毫米处0、3、6、9米深度，以100与200 Nm³/h两流量注气；14天后钻取试样做无侧限抗压强度（UCS）试验；对原料及试样残屑行X射线衍射（XRD）与扫描电镜能谱（SEM-EDS）分析；依据GB/T 51366-2019生命周期评价（LCA）“摇篮到大门”边界核算材料生产、运输、施工三阶段碳排，对比劲性深层搅拌（SDCM）桩与预应力高强混凝土（PHC）桩。

研究结果如下。3.1 碳化过程热特征：现场监测显示两流量下外桩温度均先快速上升后缓降，100 Nm³/h组峰温50至90℃、峰时4.5至9.0小时，200 Nm³/h组峰温近100℃、峰时3.5至6.0小时且分布更均匀；6米淤泥层ΔT始终最低，高流量显著加快热释放并提升均匀性。3.2 外桩力学性能：q_u介于0.42至2.32 MPa，200 Nm³/h组均值1.25 MPa高于100 Nm³/h组0.93 MPa；ΔT_max与q_u线性相关斜率相近（k_A=0.0241，k_B=0.0250），推得达标14天q_u0.61 MPa对应临界ΔT_max37.7℃、95%保障安全值43.9℃；基于温度预测弱区与实测吻合。3.3 碳化产物与微结构：XRD证实外桩生成水碳镁石（nesquehonite）、水镁石（hydromagnesite）、菱镁矿类（dypingite）等HMCs，原料rMgO与蛇纹石峰消失；SEM-EDS显示HMCs呈片状、花簇状、玫瑰状生长，形成密实三维胶结网，C元素含量显著提升，证实矿物固碳。3.4 碳减排效能：单桩净碳足迹641.8 kgCO₂eq，正排放911.8 kgCO₂eq中生产阶段占97.2%（rMgO煅烧61.7%、钢管31.7%），施工运输各1.4%；固化固碳270.0 kg抵消29.6%，较SDCM与PHC分别减排29.8%与28.7%。

讨论部分指出，6米淤泥层孔隙水阻气致该处ΔT与q_u偏低，高注气流量可改善均质性但阈值待研；ΔT_max-q_u耦合关系受土性、掺量、气温影响须试桩标定，温度监测较传统钻探取样具时效与全覆盖优势；微结构模型分水化（生成Mg(OH)⁺/Mg(OH)₂层）、非均匀碳化（下部先反应放热促上部蛇纹石碳化）、物理固化（致密化、填充、互锁、胶结四机制）三阶段；碳优化端赖低碳粘结剂与工业CO₂尾气利用。

研究结论翻译浓缩如下：MSCP技术通过钢芯注气碳化外桩形成内外协同承载体系，ΔT_max可作实时强度质控指标，临界值37.7℃与安全值43.9℃保障软土高速地基达标；高注气流量提升碳化均匀性；HMCs经致密化、填充、互锁、胶结重塑微观结构；单桩碳排较传统降约30%，固碳270公斤，为岩土工程CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage，碳捕集利用与封存）应用提供足尺验证与理论支撑。