CO2养护胶结磷石膏充填体中的水化-碳化相互作用机制及其对地下碳封存的优化研究

《Results in Engineering》：Hydration–carbonation interactions in CO 2-cured cemented phosphogypsum backfill for underground carbon storage

本研究针对矿山充填材料碳封存效率与力学性能难以协同提升的难题，系统探讨了不同粘结剂含量（10-30 wt%）磷石膏基充填体在CO2养护下的水化-碳化相互作用机制。通过多尺度表征发现，20 wt%粘结剂含量是实现强度发展与CO2吸收协同优化的关键阈值，28天CO2吸收量达41.1 kg/t，为传统养护的3倍。该研究为矿山充填碳中和技术提供了理论依据和设计指导。

　　

随着全球工业化进程加速，采矿活动规模不断扩大，充填采矿法因其在保障矿产安全开采、提高资源回收率和减少地表沉降等方面的重要作用而日益受到重视。与此同时，采矿行业也被视为碳捕获、利用与封存（CCUS）策略中潜在的碳汇。磷石膏（PG）是磷肥工业产生的大宗固体废弃物，其堆存不仅占用土地，还可能造成环境污染。将磷石膏用于矿山地下充填，既可实现固体废弃物的资源化利用，又能为采空区提供结构支撑，是一种可持续的采矿方法。然而，充填体中粘结剂含量对水化反应和碳化反应的平衡调控机制尚不明确，制约了充填材料碳封存效率与力学性能的协同优化。

为解决这一问题，中南大学资源与安全工程学院的研究团队在《Results in Engineering》上发表了题为"Hydration–carbonation interactions in CO₂-cured cemented phosphogypsum backfill for underground carbon storage"的研究论文。该研究通过系统实验，揭示了不同粘结剂含量（10-30 wt%）下磷石膏基充填体中水化与碳化的竞争-协同作用机制，为优化CO₂养护充填体系中的粘结剂用量提供了机理依据和实用设计指导。

研究人员采用多尺度分析方法，包括模拟孔隙溶液法、酚酞试验、热重分析（TG）、定量X射线衍射（QXRD）、无侧限抗压强度（UCS）测试和扫描电子显微镜（SEM）等关键技术，系统表征了胶结磷石膏充填体的碳化行为及其对宏观力学性能的影响。实验材料来自贵州开磷集团，包括磷石膏和由波特兰水泥熟料和固体废弃物组成的复合粘结剂。

3.1. 胶结磷石膏充填体碳化演化

通过孔隙溶液pH值变化和酚酞染色试验，研究发现CO₂养护环境下充填体碳化程度显著高于空气养护。当粘结剂含量为10 wt%时，28天完全碳化度高达91.4%；而30 wt%粘结剂含量的样品完全碳化度仅为15.5%，表明高碱性环境对碳化反应具有缓冲作用。

3.2. 胶结磷石膏充填体的CO₂吸收行为

热重分析表明，CO₂养护28天后，充填体的CO₂吸收量达到4.11 wt%（41.1 kg/t），是空气养护的3倍。定量X射线衍射分析进一步证实，碳化产物方解石（CaCO₃）的含量在CO₂养护下显著增加，且粘结剂含量对水化-碳化相互作用模式有决定性影响。

3.3. 胶结磷石膏充填体的碳封存潜力

研究指出，胶结磷石膏充填体40%的高孔隙率为CO₂扩散提供了理想通道。基于实验室数据推算，全球每年利用磷石膏制备的充填体理论碳封存潜力约为6.165亿吨CO₂，显示出其作为大规模碳封存途径的前景。

3.4. 胶结磷石膏充填体的抗压强度发展

强度测试表明，粘结剂含量是影响碳化充填体力学性能的关键因素。低粘结剂含量（10-15 wt%）下，CO₂养护样品的强度低于空气养护；20 wt%粘结剂含量存在临界阈值，早期呈现协同增强效应，后期转为竞争关系；高粘结剂含量（25-30 wt%）下，水化与碳化产生协同效应，强度显著提升。

3.5. 水化与碳化的协同与竞争机制

扫描电镜观察揭示，低粘结剂含量时，碳化反应竞争性消耗Ca²⁺和OH^-，抑制水化产物生成；20 wt%粘结剂含量时，早期协同后期竞争；高粘结剂含量下，碳化产物CaCO₃可作为水化产物成核位点，促进水化反应，形成协同增强效应。

该研究明确了粘结剂含量对胶结磷石膏充填体中水化-碳化相互作用的关键调控作用，为优化CO₂养护充填体系设计提供了理论依据。研究结果表明，通过精确控制粘结剂含量（特别是20 wt%阈值），可以实现充填体碳封存效率与力学性能的协同优化，为推动低碳矿山建设提供了技术支撑。未来研究需关注实际矿山条件下的碳化行为验证、长期碳封存稳定性评估以及经济可行性分析，以促进该技术的大规模应用。