《Developments in the Built Environment》：Low-Carbon Ternary Binder Bio-Composites via Accelerated Carbonation for Circular Construction
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本研究针对传统水泥基建筑材料碳排放高、资源消耗大的问题，通过耦合生物质（木屑）价值化与加速碳化养护技术，开发了一种集成了页岩灰、钢渣和少量普通硅酸盐水泥的三元粘合剂生物复合材料。研究通过优化配比与养护工艺，使材料在实现显著CO2封存的同时，获得了优于传统木材-水泥复合材料的力学性能。生命周期评估证实其温室气体排放较传统体系降低65%，为构建业提供了兼具结构性能与环境效益的低碳新路径。
当我们仰望城市中鳞次栉比的高楼大厦时，或许很少会想到，这些宏伟建筑的背后，隐藏着一个巨大的环境挑战。作为现代建筑“骨架”的混凝土，其核心胶凝材料——普通硅酸盐水泥的生产，是全球最主要的二氧化碳排放源之一。随着全球城市化进程的加速和基础设施建设需求的持续增长，传统建筑材料的生态足迹日益引起科学与政策界的广泛关注。这不仅加剧了气候变化，也带来了空气污染、资源低效利用等一系列环境与健康问题。因此，开发低碳、可持续的替代性建筑材料，已成为实现建筑业绿色转型和全球可持续发展目标的迫切需求。
在这一背景下，利用可再生资源和工业副产品来替代部分水泥，同时通过技术手段主动吸收和封存二氧化碳，成为了极具潜力的研究方向。近期发表于《Developments in the Built Environment》的一项研究，为我们展示了一条整合了生物质价值化、工业副产物利用与加速碳化技术的创新路径。该研究由Hossein Rahmani、Hamed Rahimpour、Mohammad Reza Hanafi、Augonis Algirdas和Sahar Zinatloo-Ajabshir共同完成。
为探索这一整合策略，研究人员综合运用了材料科学、化学分析与环境评估等多学科技术方法。核心研究手段包括：通过扫描电子显微镜观察复合材料微观形貌与界面结构；利用X射线衍射、X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱系统分析材料的物相组成、表面化学状态及化学键变化，以揭示水化、火山灰反应和碳化过程的机制；依据ASTM标准对材料的抗压强度、弹性模量等力学性能进行测试；最后，遵循ISO 14040/44和EN 15804+A2标准，对优化后的复合材料进行了全生命周期评估，量化其在全球变暖潜能等方面的环境效益，并与传统水泥基体系进行对比。
3.1. 预处理对粘合剂的影响
研究首先评估了纯普通硅酸盐水泥和纯石灰两种粘合剂体系，以及水、硫酸铝、氯化钙和氢氧化钙四种不同的木屑预处理方式对生物复合材料性能的影响。结果表明，纯水预处理的普通硅酸盐水泥基复合材料性能最佳，其抗压强度、弹性模量和密度分别为2.80 MPa、3.70 GPa和1.384 g·cm-3，显著优于石灰基体系。氯化钙预处理对石灰体系有一定改善作用，而硫酸铝和氢氧化钙预处理则会不同程度地降低力学性能。这为后续研究确定了纯水预处理为基准方案。
3.2. 页岩灰和矿渣替代的影响
在确定了最佳预处理方式后，研究系统评估了用页岩灰逐步替代普通硅酸盐水泥，以及在此基础上进一步引入钢渣的影响。研究发现，当页岩灰替代率达到50%（即配比为50%页岩灰，50%普通硅酸盐水泥）时，复合材料抗压强度达到峰值6.10 MPa。在此基础上，用钢渣部分替代剩余的普通硅酸盐水泥，当替代量为20%（即最终配比为50%页岩灰，30%普通硅酸盐水泥，20%钢渣）时，材料性能得到进一步优化，抗压强度提升至7.2 MPa，弹性模量达6.01 GPa。这表明页岩灰的火山灰活性和钢渣的胶凝性产生了协同增效作用。
3.3. 水胶比的作用
针对上述优化配方（50%页岩灰，30%普通硅酸盐水泥，20%钢渣），研究考察了水胶比（水与粘合剂的质量比）对性能的影响。结果表明，水胶比为0.5时，材料表现出最佳的力学性能（抗压强度7.2 MPa，弹性模量6.01 GPa）和适宜的密度。过低或过高的水胶比均会导致性能下降，说明适宜的水分对于保证混合料的工作性、促进反应完全和形成致密微观结构至关重要。
3.4. 养护条件的影响
最后，研究对比了不同加速碳化养护制度的影响。将优化配方的试件在标准潮湿条件下预养护不同时间（0天、1天、2天）后，再置于CO2环境中进行1天或2天的碳化养护。结果显示，立即碳化（0天延迟）会因早期水化产物不足而损害强度。预养护1天后碳化，性能与标准养护持平。而预养护2天后再进行2天碳化养护的效果最佳，抗压强度提升至7.58 MPa，密度增加至1.47 g·cm-3。这表明充分的初始水化为后续有效的碳化反应奠定了基础，两者的结合能最大程度地致密化材料结构。
3.5. SEM与形貌分析
扫描电子显微镜图像直观揭示了不同粘合剂体系微观结构的差异。普通硅酸盐水泥基复合材料显示出更均匀、致密的基质，木屑与基体界面结合良好，裂缝和孔隙较少。而石灰基复合材料则呈现多孔、不均匀的结构，界面处存在明显间隙，这与两者力学性能的显著差异直接相关。
3.6. XRD/XRF分析
X射线衍射和X射线荧光光谱分析从物相和化学组成角度提供了佐证。纯石灰基样品的谱图以石灰石和少量氢氧化钙为主，缺乏硅酸钙水合物凝胶相。而优化配方的复合材料，特别是经过碳化养护的样品，其氢氧化钙特征峰显著减弱甚至消失，方解石的峰则明显增强。化学组成分析显示，掺入页岩灰和钢渣后，材料的SiO2和Al2O3含量升高，CaO含量降低，这种化学组成的再平衡有利于形成低碳钙硅比的硅（铝）酸钙水合物凝胶，并提高了碳化效率。
3.7. FTIR分析
傅里叶变换红外光谱进一步证实了上述化学变化。在碳化样品中，归属于碳酸根离子的吸收峰强度大幅增加，而归属于氢氧化钙的吸收峰几乎消失。同时，硅氧四面体主振动峰向低波数方向移动，表明形成了聚合度更高、钙硅比更低的硅（铝）酸钙水合物凝胶。这些光谱特征共同指向了碳化过程中氢氧化钙的消耗、方解石的形成以及凝胶结构的演变。
3.8. XPS分析
X射线光电子能谱从表面化学状态的角度提供了补充信息。分析表明，不同配方的复合材料表面均呈现有机（来自木屑）与无机（来自粘合剂）的混杂特征。碳化样品表面的碳酸盐信号显著增强，钙-氧键信号保持，而硅-氧键信号依然存在，这说明了表面碳化程度高，但内部仍保留了部分硅酸钙水合物凝胶结构。
结论与重要意义
本研究成功地开发并优化了一种基于木屑、页岩灰、钢渣和少量普通硅酸盐水泥的三元粘合剂生物复合材料，并系统耦合了加速碳化养护技术。优化的材料配比（25%页岩灰，15%普通硅酸盐水泥，10%钢渣，50%木屑）在水胶比0.5、预养护2天后碳化2天的条件下，获得了7.2 MPa的抗压强度和6 GPa的弹性模量，其性能超过了使用更多熟料的传统木材-水泥复合材料。微观分析证实，加速碳化养护促进了氢氧化钙的消耗以及方解石和低碳钙硅比硅（铝）酸钙水合物凝胶的形成，从而实现了基体的致密化。
这项研究最重要的贡献在于其整合性的解决方案和显著的环境效益。根据EN 15804 +A2标准进行的生命周期评估显示，该生物复合材料体系的温室气体排放量相较于基于普通硅酸盐水泥的传统体系降低了65%。这一成果不仅证明了将生物质价值化、工业副产物利用与二氧化碳矿化封存技术相结合，在技术上是可行的，更能同时实现提升材料性能和大幅降低环境足迹的双重目标。它为解决建筑行业的高碳排问题提供了一条创新且实用的路径，有力地支持了循环经济和可持续发展理念在建筑领域的实践，对于推动全球建筑行业向绿色、低碳方向转型具有重要的科学意义和应用前景。
