评估胶凝材料组分对Ferrock型胶凝材料中碳酸亚铁形成的影响

《Journal of the American Ceramic Society》：Evaluating the Effect of Binder Constituents on Ferrous Carbonate Formation in Ferrock-Type Cementitious Binder

　　

多种工业副产物、工艺残渣和天然提取资源富含铁，为探索其作为胶凝材料的潜力提供了坚实基础。以碳酸亚铁为主要结合相的胶凝复合材料在过去十年中已被间歇性研究。Ferrock胶凝材料体系（Ferrock binder system）使用富铁材料、硅源和草酸，随后进行CO₂养护，提供了一种具有较低CO₂排放潜力的有趣替代胶凝途径。该体系中的主要结合相被认为是碳酸亚铁（菱铁矿，siderite）；然而，促进该相形成的机制尚不明确。在本研究中，研究人员通过使用四种不同的硅源、改变草酸浓度和不同的碳酸盐源，研究了Ferrock胶凝材料体系中各组分对碳酸亚铁形成的影响。用作填料的结晶硅源倾向于促进菱铁矿形成；具有高比表面积的硅源则使弱结晶的针铁矿（goethite）类相更为显著。增加草酸浓度并未对菱铁矿形成产生积极影响，因为增强的螯合作用和表面钝化可能降低了游离Fe²⁺离子的可利用性。总体而言，研究结果表明，Ferrock胶凝材料体系有可能简化，即减少组分数量，同时维持或增强促进菱铁矿沉淀的关键机制。

水泥和钢铁行业是全球CO₂排放的重要来源，合计占比超过14%，其脱碳是实现碳中和目标的关键。传统辅助胶凝材料（SCMs）的替代潜力有限，促使人们探索基于地壳中丰富元素（尤其是铁）的新型胶凝化学。Ferrock是一种以菱铁矿（siderite，FeCO₃）为主要结合相的铁基CO₂养护胶凝体系，由铁粉、硅源、石灰石及草酸组成。尽管已有研究报道该体系抗压强度超过50 MPa，但各组分对碳酸亚铁形成的影响机制尚缺乏量化认识。为此，研究人员系统评估了硅源类型、草酸浓度及碳酸盐源对菱铁矿形成的影响，旨在明确各组分的作用并探索简化体系的可行性。相关论文发表在《Journal of the American Ceramic Society》。

研究人员使用四种硅源（粉煤灰、偏高岭土、硅灰、石英粉），分别与铁粉复合，并设置不同草酸浓度（0、1、2 M）及外加方解石或碳酸氢钠的配方，在100% CO₂、25°C、70%–75%相对湿度下养护4天。通过X射线衍射（XRD）定量、热重分析（TGA）和扫描电镜（SEM）等手段表征产物。结果表明，结晶性石英粉最有利于菱铁矿形成；