通过原位二氧化碳矿化实现钢渣升级利用制备可持续碳封存胶凝材料：水化动力学与热力学分析

《Sustainable Materials and Technologies》：Upcycling steel slag for sustainable carbon-sequestering binders via in-situ CO 2 mineralization: Hydration kinetics and thermodynamic insights

　　

摘要

通过原位混合将CO₂整合到胶凝体系中，是一种高效降低工业碳足迹的碳捕获、利用与封存策略。钢渣由于其富含游离CaO和C₂S，是矿物碳化的理想前驱体，但其工业化利用因水化反应活性低而受到限制。本研究通过耦合实验表征和热力学建模，探讨了原位CO₂混合与钢渣掺入对碳封存能力及微观结构演化的协同效应。结果表明，与纯胶凝体系相比，钢渣掺混体系在CO₂混合条件下显著提高了CO₂固定量，在10%和20%钢渣替代率下，单位水泥的CO₂封存效率分别提高了25.6%和52.8%。此外，钢渣的掺入有效缓解了CO₂混合通常引起的可操作性损失。水化动力学分析表明，原位形成的CaCO₃起到了有效的填充剂作用，而热力学建模表明，CO₂混合完全抑制了一硫矾的生成，转而形成半碳铝酸钙和单碳铝酸钙，稳定了钙矾石。此外，虽然钢渣反应缓慢通常会导致常规体系中强度显著降低，但原位CO₂混合克服了这一障碍。值得注意的是，CO₂混合的10%钢渣体系早期性能超越了纯水泥对照组，在56天时仍保持了98%的相对强度。这些发现为原位CO₂矿化与钢渣再利用的整合提供了动力学和热力学理解，为实现可持续、碳封存材料的发展提供了一条协同路径。

引言

全球水泥制造业是人为温室气体排放的主要贡献者，2021年产生约29亿吨CO₂，约占全球总排放量的7%[1]。仅石灰质原材料的煅烧过程，每吨熟料就会产生约800-850千克CO₂[2], [3]。为减轻这一环境影响，碳捕获、利用与封存已成为关键策略[4], [5], [6]。在众多CCUS方法中，矿物碳化——即将CO₂以热力学稳定的碳酸盐矿物形式永久封存——被认为是降低建筑材料碳足迹的高效途径[7], [8], [9]。

实现矿物碳化的方法通常分为两类：(i)硬化混凝土的碳化养护和(ii)新鲜状态下的原位混合。尽管这两种方法都得到了广泛研究，但原位CO₂混合被特别认可为一种适用于预拌混凝土应用的实用高效技术。与需要专用腔室的养护后方法不同，原位混合是在混凝土配料和搅拌阶段直接注入CO₂[10], [11]。注入的CO₂与钙硅酸盐熟料中的溶解钙离子反应形成CaCO₃。该方法通过利用现有预拌基础设施并确保CO₂与胶凝基质均匀相互作用而具有独特优势。以往研究表明，CaCO₃纳米晶的快速形成可通过作为成核位点来加速凝结时间并提高早期抗压强度[12], [13]。然而，这种反应性通常会导致流动性降低，并可能因钙硅酸盐的早期消耗而损害后期强度[11], [14]。因此，虽然原位CO₂混合是CO₂利用的可行方案，但开发策略以减轻相关缺点同时最大化碳化效率至关重要。

为充分利用该技术的潜力，近期研究已将原位CO₂混合的范围扩展到掺入硅灰、稻壳灰和粉煤灰等矿物掺合料的体系[13], [15], [16]。这些研究表明，矿物掺合料的掺入可提高整体CO₂封存效率并减轻流动性损失。在各种工业副产物中，钢渣尤为值得关注。尽管储量丰富，但由于其固有的体积不稳定性和低水化反应活性，钢渣在高端应用中的回收率仍然较低[17], [18], [19]。然而，导致这些缺点的矿物组成——特别是丰富的游离CaO和C₂S——反过来使钢渣成为矿物碳化的理想前驱体[20]。虽然钢渣的利用受限于C₂S的缓慢动力学和膨胀风险[21]，但碳化可以利用这些矿物对CO₂的高反应活性，高效地将其转化为稳定的碳酸盐[22], [23]。

尽管钢渣的碳化潜力已被广泛认可，但以往文献主要关注硬化钢渣混凝土块的碳化养护。原位CO₂混合在钢渣掺混体系中的应用仍相对未被探索。鉴于游离CaO和C₂S的高丰度，假设掺入钢渣可以提高CO₂封存效率。然而，其对新鲜状态性能、水化动力学和物相演化影响的后果尚未得到充分表征。

本研究旨在探讨钢渣掺混水泥砂浆中原位CO₂混合的可行性。将CO₂混合样品的性能与空气混合对照组进行比较，两者均接受30分钟恒定搅拌时间，钢渣替代率为0、10和20 wt%。通过量化形成的CaCO₃量来评估碳化效率。此外，通过全面分析力学性能、水化动力学和物相演化，系统地阐述其潜在反应机理。

章节摘要

材料

本研究中使用了含有可忽略不计量方解石（<0.5%）的波特兰水泥作为主要胶凝材料。这使得可以明确评估CO₂混合过程中CaCO₃的沉淀情况。钢渣（韩国POSCO）作为原位CO₂混合的反应前驱体掺入以部分替代水泥。图1展示了使用粒度分析仪（英国Malvern仪器）测定的波特兰水泥和钢渣的粒径分布和累积体积，以及它们相应的

CO₂吸收量及新鲜状态特征评估

图3展示了CO₂混合过程中CO₂吸收量的变化以及混合后新鲜砂浆的可操作性。图3(a)特别呈现了CO₂混合样品在手套箱内随时间变化的CO₂体积消耗情况。在1分钟内，所有样品均表现出相当的CO₂消耗速率。然而，从5分钟开始观察到明显差异，S20C样品开始显示出比其他样品更高的CO₂吸收量，并保持这一趋势直到结束

结论

本研究探讨了原位CO₂混合与钢渣掺入对碳封存能力及微观结构演化的协同效应，为克服钢渣掺混水泥砂浆固有局限提供了实验和热力学见解。主要发现总结如下：

• 1.
  在CO₂混合条件下，钢渣掺混体系的CO₂固定量显著高于纯胶凝体系。具体而言，单位水泥的CO₂封存效率

作者贡献声明

Seohyun Kim：撰写-原稿，方法学，调查，数据整理，概念化。Won Kyung Kim：方法学，调查，形式化分析。Juhyuk Moon：撰写-审阅与编辑，验证，监督，经费获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到韩国政府（科学技术信息通信部）资助的韩国国家研究基金会（NRF）支持（编号：RS-2025-23523516）。作者感谢首尔国立大学国立跨校研究机构中心协助进行SEM（JSM-7800F Prime）分析。

Seohyun Kim|Won Kyung Kim|Juhyuk Moon

首尔国立大学土木、城市与环境工程系，韩国首尔市冠岳区冠岳路1号，08826