基于碳化钢渣的碱激活材料：超早强度与低碳优势

时间：2026年1月31日

来源：Process Safety and Environmental Protection

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碳化钢渣（CSS）与钠硅酸盐（NS）和氢氧化钠（NH）制备三元碱激发材料（AAMs），对比发现NS活化材料抗压强度达152.1MPa（7天），孔隙率超50%，无有害膨胀；NH活化材料因高OH⁻浓度抑制凝胶聚合，导致强度不足和晶相不稳定。生命周期评估显示NSC30碳足迹比NHC30低36%。

杨柳|何冰阳|陈兆后|景晓环|仓大强|唐子安|张玲玲

北京科技大学能源与环境工程学院，中国北京100083

摘要

碳化钢渣（CSS）作为一种可持续的补充胶凝材料前体，受到了越来越多的关注。然而，其在碱激活体系中的反应机制和可加工性仍不甚明了。本文使用CSS、粉煤灰（FA）和高炉渣（BFS）作为前体，通过硅酸钠（NS）和氢氧化钠（NH）进行激活，制备了三元碱激活材料（AAMs），这些材料表现出显著不同的激活动力学。在NS激活的粘合剂中，可溶性硅酸盐化合物与从方解石中溶解出的Ca²⁺离子发生高效聚合反应，形成高度聚合且致密的N-(C)-A-S-H凝胶层。NSC30（NS+30% CSS）在养护7天后达到了152.1 MPa的前所未有的抗压强度，其中无害孔隙占总孔隙率的50%以上。相比之下，NH激活的粘合剂表现出更强烈的放热行为和更高的浆体粘度，导致形成短链C-A-S-H凝胶以及多种不稳定的结晶产物。NH激活剂中的高浓度OH^-不利于高钙CSS的聚合，而副产物Ca(OH)₂可能会引起膨胀。生命周期评估（LCA）显示，NSC30粘合剂的碳足迹较低（225.6 kg CO₂-eq/t），相比NHC30降低了36%。总体而言，CSS-NS路线在机械性能、尺寸稳定性和碳减排方面具有平衡的优势。

引言

钢渣（SS）是钢铁生产过程中不可避免的大量副产品，全球年产量约为188-282百万吨（He等人，2025年）。为了减轻SS对环境的影响，人们广泛探索将其部分替代水泥用于砂浆和混凝土中以减少碳排放。然而，由于体积不稳定性和早期可加工性差，高替代比例受到了限制，因为游离CaO（f-CaO）和游离MgO遇水会水解生成Ca(OH)₂和Mg(OH)₂，从而导致膨胀和开裂（Song等人，2021年）。此外，局部高碱度和高放热反应会引发快速凝固，同时破坏界面粘结和强度的持续发展（Brand和Roesler，2015年；Tian等人，2024年；Wang等人，2017年）。为了解决这些问题，加速碳化被提出作为一种有效的处理方法。生命周期评估（LCA）证实，选择CSS作为水泥熟料的替代品可能显著影响环境评估（Dias等人，2024a；X. Li等人，2023年）。

CSS作为一种建筑材料出现，它结合了固体废弃物的再利用和显著的碳汇效应，近年来成为废物资源化研究的关键焦点（Chen等人，2021年；Li等人，2024年；Zhang等人，2024年）。当碳化程度和粒径分布适当匹配时，水泥砂浆或混凝土的强度可以达到或超过预期水平，特别是当CSS以粉末或细骨料形式使用时（Liu等人，2024a；Wang等人，2024年）。CSS还可以增强浆体-骨料界面，促进早期密实化，改善体积稳定性并减少自收缩（Liu等人，2024b；Mo等人，2020年；Wu等人，2022年）。虽然将CSS加入水泥中有明显的好处，但也存在一定的局限性（Liu等人，2023年）。首先，碳化不足无法抑制膨胀，而过度碳化会形成CaCO₃钝化层，减少可溶性Ca和界面离子流动，抑制早期反应和强度发展，只能在后期得到补偿（Zhou等人，2024年）。其次，即使使用CSS，粘合剂仍然以熟料为主。显著的碳减排仍依赖于降低熟料比例、采用替代粘合剂以及部署碳捕获、利用和储存（CCUS）技术。为了优化强度、结构和碳性能，CSS和其他碳化碱固体废物的应用正逐渐转向更环保、低碳的AAMs。

CaCO₃层是主要的碳化产物，具有较高的表面粗糙度和比表面积，可以提供异质成核位点并改善浆体-骨料界面（Zhao等人，2025年）的研究表明，SS的部分碳化可以实现更平衡的长期水化，而高碳化程度可以增强基于CSS的AAMs的基体强度。此外，碳化过程中形成的硅胶可以进一步生成C-S-H凝胶，但其初始反应会降低孔溶液的碱度（Dias等人，2024b；Ouyang等人，2024年）。过高的激活剂用量通常会导致凝固延迟、凝胶聚合减弱和强度下降，且这种响应对激活剂组成非常敏感（Chen等人，2025年）。总之，颗粒表面的CaCO₃层会削弱Ca-Si-Al物种的有效溶解，稀释孔溶液的碱度和可用硅含量，从而在低碱度或接近中性条件下产生溶解-聚合滞后效应（Duan等人，2024年；Mutti等人，2024年）。因此，在高比例使用碳化固体废物时，机械性能往往会下降，这限制了其在碱激活粘合剂中的应用（Sun等人，2025年）。

先前的研究表明，在NH激活下，CSS中的钙矿物可以增强和细化凝胶网络（Liu等人，2025年）。基于CSS的AAMs可以表现出良好的机械性能，并显著抑制干燥收缩。CSS还可以延迟主要放热峰，使水化过程向扩散控制、更持续的方向发展（Bo等人，2025年）。单独使用NS作为激活剂的效果有限，因为某些成分会与其反应并消耗碱度，从而抑制凝胶聚合并导致强度下降（L. Li等人，2023年）。富含CaCO₃的前体在狭窄的反应窗口内操作，需要精确的激活剂配比，而且早期强度和低收缩并不能保证结构的长久稳定性，因为持续聚合和体积稳定的边界条件尚不明确。因此，要有效利用CSS，关键在于合理耦合CSS的物理化学状态与激活剂中的Na₂O，并优化碱激活路径，以减少碳排放同时满足强度和体积稳定性的要求。碱激活剂的生产和供应往往是环境负担的主要来源，因此改变激活剂类型可以显著改变整体环境影响（Passuello等人，2017年；Robayo-Salazar等人，2018年）。此外，碳化前体对CO₂的吸收也会显著影响最终结果（Liu等人，2025年）。

此外，关于NS-NH激活和强碱NH激活CSS系统的系统比较研究仍然有限，特别是在材料性能和环境影响评估方面的综合评估方面。本研究使用粉煤灰（FA）、高炉渣（BFS）和CSS作为前体，通过NH和NS激活制备了三元粘合剂，旨在阐明浆体的可加工性和凝胶网络的发展。系统研究了包括流变学、抗压强度和高压釜膨胀在内的宏观行为，以及微观结构演变，以阐明不同激活剂如何影响CSS的碱激活特性和反应动力学。同时，进行了以1吨硬化粘合剂为功能单位的从摇篮到大门的LCA分析，计算了单位强度的二氧化碳排放指数，并确定了硅酸钠和氢氧化钠之间的排放差异。

材料

本研究使用的主要原材料包括SS、BFS和FA。CSS采用直接碳化工艺制备，实验设置参考了（Liu等人，2025年）。碳化室温度为20 ± 2 ℃，湿度为70 ± 5%，CO₂浓度为99%，压力为1 bar，碳化时间为12小时。上述原材料的化学成分总结在表1中，而粒径、矿物相和微观结构特征在文中有所介绍。