碳化电石渣作为可持续部分水泥替代材料的研究进展

《Next Materials》：Advances in carbonated calcium carbide residue as a sustainable partial cement replacement material

　　

为降低普通硅酸盐水泥(OPC)生产碳足迹的需求日益增长，使得富含钙的工业副产品作为部分水泥替代材料受到更多关注。电石渣(CCR)是乙炔生产的副产品，因其具有矿物碳化潜力并可在胶凝体系中加以利用而受到关注。然而，碳化不仅封存CO₂，还会改变CCR的物理化学特性，进而影响其在胶凝体系中的性能。本文综述了碳化CCR作为部分水泥替代材料的现有研究，重点关注碳化、物理化学特性、新拌性能、水化行为和力学性能之间的关系。现有证据表明，碳化可减小颗粒尺寸并增大比表面积，同时改变CCR的形貌和矿物组成。这些变化使碳化CCR能够通过颗粒填充、C-S-H的非均相成核以及潜在的碳铝酸盐形成发挥作用。碳化CCR还可根据其物理化学特性和替代水平改变胶凝体系的流动性和凝结行为。与未碳化CCR相比，在相同替代水平下，掺入碳化CCR的胶凝体系表现出更好的抗压强度性能，但其相对于OPC的性能从略低到相当或略高不等。本文论证了碳化将CCR转化为部分水泥替代材料的潜力，同时指出了支持其在低碳胶凝体系中应用的关键挑战和进一步研究领域。

1. 引言

水泥生产是人为二氧化碳(CO₂)排放的重要来源，主要源于石灰石煅烧和熟料生产的高能耗。部分替代普通硅酸盐水泥(OPC)是降低碳足迹的实用策略。电石渣(CCR)是乙炔生产的富钙副产品，年产量巨大但利用率低，填埋和露天堆放带来环境风险。CCR主要含氢氧化钙Ca(OH)₂，可作为钙源与火山灰材料反应，但其自身胶凝活性有限。矿物碳化可封存CO₂并改变CCR的物理化学特性，使其成为更有潜力的部分水泥替代材料。本文综述了碳化CCR的相关研究，重点分析碳化引起的性能变化及其对胶凝体系的影响。

2. 综述方法与文献检索策略

本综述为批判性综述，检索了ScienceDirect和Scopus数据库中2015至2026年的文献，使用与材料、碳化及水泥应用相关的关键词组合。纳入涉及CCR直接碳化及后续用作部分水泥替代材料的研究，包括预碳化CCR-火山灰混合物和相关生命周期评价(LCA)研究；排除了碳化养护、地聚合物及CCR作为碱激发剂等研究。

3. 电石渣的物理化学特性

3.1 化学与矿物学特性：X射线荧光(XRF)分析显示CCR中CaO含量为65.80~95.54 wt%，SiO₂和Al₂O₃含量较低，表明其内在火山灰活性有限。X射线衍射(XRD)分析表明主要矿物相为氢氧化钙Ca(OH)₂，并常检测到方解石，说明储存或处理过程中发生了部分自然碳化。

3.2 物理特性：中位粒径(D₅₀)约为6.9~129.8 μm，BET比表面积为0.03~9.61 m²/g，孔隙体积约0.0020~0.0530 mL/g。扫描电子显微镜(SEM)显示CCR形貌为不规则光滑颗粒，部分研究报道为六方板状晶体。这些特性因原料来源和预处理方式而异。

4. 电石渣的直接碳化

4.1 碳化反应：直接碳化是CCR直接与CO₂反应生成稳定CaCO₃的一步过程。在有水条件下，碳化遵循溶解-沉淀机理：CO₂溶解形成碳酸，解离出碳酸根离子(CO₃^2-)，同时Ca(OH)₂溶解释放Ca²⁺和OH^-，随后Ca²⁺与CO₃^2-结合沉淀CaCO₃。水相路径降低了活化能，可在常温常压下实现快速碳化。

4.2 直接碳化方法及现状：现有CCR研究均采用水相碳化，半干法和干法尚未被用于制备碳化CCR。其他富钙废料如转炉钢渣(BOFS)和电弧炉渣(EAFS)则已有多种碳化方法研究。水相碳化有利于CO₂和Ca(OH)₂的溶解，但耗水量大且可能产生废水；半干法和干法则水资源需求低，但可能需要更长的反应时间或更苛刻的条件。

4.3 影响CO₂吸收和CaCO₃多晶型的因素：现有研究几乎都在常温（20–25 °C）和常压（1 bar）下使用纯CO₂，反应时间6–60 min。液固比5–10 mL/g，CO