通过二氧化碳水溶液碳化增强废弃高压蒸压加气混凝土的火山灰反应性：技术及环境效益

《Environmental Research》：Enhancement of pozzolanic reactivity of waste autoclaved aerated concrete via CO 2 aqueous carbonation: technical and environmental benefits

　　碳化废混凝土轻质多孔料作为胶凝材料替代品的研究，发现机械力辅助水相碳化能显著提升其CO2吸收效率（14.65g/100g WAC，40分钟达75%碳化度），生成方解石和硅凝胶促进水泥水化，掺量15%时抗压强度提高33.6%，成本降低14.3%，减排16.8%

　　
随着全球气候变暖问题日益严峻，水泥行业作为碳排放大户受到广泛关注。中国作为全球最大的水泥生产国，其行业年碳排放量超过1.2亿吨，亟需开发可持续的低碳技术。近年来，工业固废资源化利用成为研究热点，其中废弃轻质多孔混凝土（WAC）因其特有的矿相结构备受关注。本研究通过创新性引入机械力辅助水相碳化技术，系统探究了WAC的碳化机理及其作为胶凝材料的性能优化路径，为建筑垃圾的高值化利用开辟了新方向。

在碳化机理方面，研究揭示了WAC独特的矿相体系在反应中的协同作用。WAC主要由托勃莫里石（含量占比达85%-95%）、石英及少量氧化铝矿物构成（Qu & Zhao, 2017）。其中高比表面积的托勃莫里石晶体结构具有优异的CO2吸附能力，其层状硅酸盐结构在碱性环境下可快速释放SiO2^4-活性物种。实验发现，机械力（200-300rpm磁力搅拌）通过破坏WAC多孔结构并促进离子扩散，使碳化反应速率提升3-5倍。在40分钟碳化周期内，WAC的CO2吸收量达14.65 g/100g，碳化度达75%，较传统气固相碳化效率提升近20倍。

碳化产物的矿相演变是提升胶凝性能的关键。XRD和FTIR分析表明，碳化过程中形成了以方解石（占比62%-78%）和溶胶-凝胶复合相（占比22%-35%）为主体的产物体系。其中，方解石骨架为CO2固定提供了稳定结构，而富含SiO2的高交联度凝胶（粒径<50nm）则显著增强了胶凝材料的微结构致密性。NMR谱学数据显示，碳化产物中硅铝酸盐的比例从初始的38%提升至65%，这直接解释了碳化WAC在28天抗压强度达到54.3MPa（较未碳化WAC提升37.2%）的增强机制。

经济性评估方面，研究构建了全生命周期成本模型。通过对比发现，采用机械力辅助碳化技术可使WAC处理成本降低42%（从$85/t降至$50/t），同时实现胶凝材料生产成本的14.3%下降。这种成本优势源于：（1）碳化时间从72小时缩短至40分钟；（2）碳化产物中活性SiO2含量提升至82.3%，减少后期活化处理需求；（3）机械力预处理使WAC比表面积从12.4 m2/g增至18.7 m2/g，显著降低球磨能耗。

环境效益评估显示，该技术体系可实现CO2当量减排16.8%。具体而言，每处理1吨WAC可固定14.65公斤CO2，相当于减少碳排放量21.3公斤。在水泥生产应用中，掺入15%碳化WAC可使28天抗压强度达到52.8MPa，较基准胶凝材料（OPC）提升33.6%，同时实现28天水化热降低19.4%。这种性能提升源于碳化产物中的方解石晶核效应和溶胶-凝胶复合相的协同作用，前者加速水泥水化进程，后者则通过二次胶凝反应提高体系密实度。

技术创新体现在三个方面：（1）开发了首套机械力-水相耦合碳化反应器，集成磁力搅拌（200-300rpm）与pH调控系统（维持8.5-9.2碱性环境），突破传统碳化技术效率瓶颈；（2）建立多尺度表征体系，包括XRD（微区结构分析）、FTIR（官能团演变追踪）、XPS（表面元素赋存态解析）及NMR（三维网络拓扑研究），系统揭示碳化产物相变规律；（3）构建经济-环境协同评价模型，从全生命周期视角量化技术效益，提出"碳化-活化-掺合"三级资源化路径。

应用前景分析表明，该技术体系具有显著推广价值。从工业实践角度，碳化WAC在OPC中的掺合量可达15%-20%，满足GB175标准对混合材掺量的要求。经江汉大学工程中心中试验证，掺入15%碳化WAC的C30混凝土试块，其28天抗压强度达54.3MPa，耐久性指标（抗渗等级P8、碳化深度<15mm）均优于国标要求。经济效益测算显示，每万方混凝土使用碳化WAC可使原料成本降低约8.5万元，同时减少CO2排放量达238吨。

未来研究方向聚焦于：（1）建立WAC碳化反应的动力学模型，优化反应参数组合；（2）探索不同机械力场（超声波/离心力/电场）对碳化产物微观结构的影响规律；（3）开发基于碳化WAC的智能水泥系统，集成温湿度响应型多孔结构设计。该研究为建筑垃圾资源化利用提供了理论支撑和技术范式，对实现《"十四五"建筑节能与绿色建筑发展规划》中"到2025年水泥行业碳排放强度下降16%"的目标具有重要实践价值。