关于高岭土掺杂再生水泥中二氧化碳封存微观结构的见解：机制与性能

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Microstructural insights into CO 2 sequestration in metakaolin-blended recycled cement: mechanism and performance

本研究系统评估了不同高活性粉末（MK）掺量对再生水泥基材料碳化性能的影响。结果表明，掺10% MK可使7天碳化后的抗压强度提升119.2%，碳化度达82%，微观结构优化归因于MK的物理化学协同效应。

　　

文晓东|季麒麟|冯雷|朱世华|江远

宁波工业大学土木与交通工程学院，中国宁波，315016

摘要

具有二氧化碳封存能力的再生水泥基材料为可持续建筑和循环经济的推进提供了一条有前景的途径。通过有针对性的优化来提升其性能对于充分发挥其碳化潜力至关重要。本研究系统评估了不同掺量偏高岭土（MK）对再生水泥浆体在碳化养护过程中的影响。结果表明，掺入10%的MK后，7天内的碳化性能显著提升。抗压强度相比对照组提高了超过一倍，而碳化程度也从49%提高到了82%。这种提升归因于MK的物理和化学性质的协同作用：其片状颗粒形态和高火山灰活性共同作用，细化了微观结构并加速了碳化反应。从机制上讲，MK促进了稳定方解石（7天时含量从38%增加到72%）的形成，同时抑制了亚稳态球霰石的形成，使得CaCO₃均匀沉积，形成了具有较大孔隙体积显著减少的致密微观结构。总体而言，这些结果表明，最佳的MK掺量可以提高再生水泥浆体的碳化效率、微观结构细化和机械性能，为开发环保型碳封存水泥提供了宝贵的见解。

引言

建筑行业是全球碳排放的主要来源之一，仅水泥行业每年就占全球碳排放量的近8%（Andrew, 2018）。在气候变化加剧和环境保护要求日益严格的背景下，实现建筑行业的碳中和已成为国家可持续发展战略的关键组成部分。对低碳和可持续建筑材料的需求不断增长，进一步推动了绿色建筑新材料的发展（Chu等人，2022），这属于更广泛的碳封存技术组合的一部分，还包括地质储存方法（Zhang等人，2024）。建筑和拆除（C&D）废物的管理带来了重大的环境挑战，尤其是随着废混凝土量的增加。在中国，C&D活动每年产生超过18亿吨的固体废物，其中废混凝土占比超过70%（Jiang等人，2020）。在回收废混凝土的过程中，会产生大量粒径小于0.15毫米的废混凝土粉（WCP）（Jiang等人，2022）。这些粉末中含有超过50%的硬化水泥浆体，占总废混凝土质量的10%至20%（Coleman等人，2005；Liao和Yao，2022）。由于WCP的低反应性和高孔隙率（Li等人，2019；Kim和Choi，2012），它们通常被填埋，导致资源浪费和环境负担。因此，探索WCP的有效利用途径是一个紧迫的研究课题（Duan等人，2020）。

WCP的物理和化学性质及其对水泥基材料性能和微观结构的影响已得到广泛研究（Li等人，2021；Tang等人，2020）。研究表明，将WCP作为辅助胶凝材料（SCM）使用会对水泥和混凝土复合材料的机械性能产生不利影响（Kaliyavaradhan等人，2020）。这主要是由于水化产物的生成减少以及基质内孔隙率的增加（Wu等人，2022）。因此，已经开发了多种WCP再活化策略，包括机械化学活化（Meng等人，2021）和湿法碳化（Shen等人，2023），以生产SCM并推进其资源高效利用的理论和技术框架。同时，热活化也被广泛研究作为将WCP转化为再生水泥的潜在方法。Qian等人（2020）报告称，将WCP加热至650°C可以在不影响抗压强度的情况下替代高达25%的水泥。类似地，Carri?o等人（2021）表明，使用在650°C下热活化的再生水泥制成的混凝土即使在完全替代水泥的情况下也能保持其耐久性。Shui等人（2009）证明，通过在800°C下煅烧制备的再生水泥在28天养护后可以达到普通波特兰水泥浆体60%的抗压强度。这些基础研究确立了使用热处理来利用废混凝土粉末的可行性。最近的研究通过将热活化与超细研磨相结合，进一步提高了所得胶凝材料的反应性（Wei等人，2025）。从机制上讲，当WCP在600–800°C下煅烧时，水化相的脱水分解会导致多形性C₂S矿物（包括β-C₂S和α′_H–C₂S）的形成（Serpell和Zunino，2017）。尽管C₂S的早期强度发展较慢，但其相对较高的碳化活性使其成为碳化固化的有希望的候选材料（Li等人，2023）。碳化固化不仅加速了碳化产物的形成，还提高了再生水泥的碳封存效率和机械性能，从而为开发碳封存胶凝材料提供了途径。

加速碳化已成为提高热活化再生水泥等替代胶凝材料性能的一种有前景的方法。这种方法不同于传统上通过传统水化途径改善机械性能的策略。为了提高再生水泥基材料在传统水化条件下的机械性能，已经研究了几种策略（Qiu等人，2025）。这些策略包括添加化学外加剂（如分散剂，Zanovello等人，2023）、使用辅助石灰进行活化（Yonis等人，2024），以及最常用的与火山灰材料混合（如粉煤灰（Shui等人，2014）、硅灰（Serpell和Lopez，2013）和偏高岭土（de Lima等人，2024）。再生水泥相重新水化产生的碱度有助于这些SCM的溶解，促进二次钙硅酸盐水化物（C–S–H）的形成，从而细化孔结构（Zanovello等人，2025）。虽然这些以水化为中心的原则已经得到很好的理解，但在加速碳化过程中SCM的作用受到一组不同且更复杂的竞争效应的支配。一方面，SCM的火山灰反应消耗了系统中的主要碱性缓冲剂Ca(OH)₂，这可能会降低材料对pH下降的抵抗力，从而可能加速碳化进程（Shah和Bishnoi，2018）。另一方面，由于二次C–S–H和其他反应产物的形成，精细化的孔结构增加了气体CO₂的渗透阻力（Cai等人，2021）。因此，SCM的净效应取决于其化学反应性和对微观结构发展的影响之间的相互作用。

因此，选择合适的SCM是优化碳化固化的关键因素，因为不同的SCM具有截然不同的特性。例如，粉煤灰（FA）虽然广泛可用，但由于其稳定的玻璃态结构，早期反应性相对较慢（Jang和Lee，2016），不适合需要快速通过碳化实现强度提升的应用。硅灰（SF）由于其高非晶态硅含量而具有极高的反应性（Xu等人，2025），但这种高反应性带来了实际挑战：其细度导致需水量高，可能影响新鲜混合物的流变性和可操作性（Liu等人，2023）。此外，在加速碳化过程中，SF的快速反应倾向于形成致密的、低渗透性的表面层，可能会使底层材料钝化，阻碍CO₂进入材料内部，从而限制整体的碳化程度和CO₂吸收量（Tang等人，2024）。与FA和SF相比，偏高岭土（MK）具有特别适合这一应用的独特属性组合。从物理上讲，MK的关键特征是其片状颗粒形态，这是由高岭石煅烧形成的（Weise等人，2023）。这些各向异性颗粒在基质中的随机排列可以构建更复杂的孔网络。从化学上讲，MK表现出与SF相当的高火山灰活性，能够生成额外的钙铝硅酸盐水化物（C-A-S-H）凝胶，从而增强基质强度。此外，MK的高比表面积为异质成核位点提供了丰富的来源（Huang等人，2025），显著降低了钙碳酸盐（CaCO₃）成核的能量障碍，从而加速了其沉淀。这种内部成核促进了CaCO₃在整个孔系统中的均匀分散结晶，而不是在外部表面集中（Li等人，2025）。这种内部成核对于实现均匀致密的微观结构至关重要，而这对于优化机械性能和CO₂储存能力至关重要。因此，MK的独特物理和化学属性使其成为通过碳化改善再生水泥性能的理想SCM。

然而，仍需要更深入地理解偏高岭土这种极具前景的SCM影响再生水泥系统碳化机制的原理。因此，本研究系统评估了不同掺量偏高岭土对再生水泥浆体在碳化养护过程中的抗压强度、碳化程度、相组成和微观结构演变的影响。目的是阐明MK在这些浆体中改善碳化行为的作用，从而为新型碳封存胶凝材料的发展和应用提供理论基础。

材料

本研究中使用的原材料包括废混凝土粉（WCP）和偏高岭土（MK）。WCP是通过使用P·O 42.5级普通波特兰水泥和0.5的水灰比制备的再生骨料生产过程中产生的副产品。MK由河南?? ?? ?? ?? ??（Henan Gongyi Youxing Mineral Products Co., Ltd.）提供，通过煅烧高岭石后将其研磨成细颗粒制成。

偏高岭土改性再生水泥的物理化学性质

通过XRF分析确定的TARCP、MK10和MK20的化学成分显示出显著差异（表2）。TARCP的CaO含量最高，而随着偏高岭土的掺入，SiO₂和Al₂O₃的比例增加，增强了材料的火山灰活性。颗粒大小分布分析表明，TARCP、MK10和MK20的颗粒大小相当（表3和图5）。

XRD图谱（图6）和Rietveld精修结果（表

结论

本研究系统研究了偏高岭土（MK）掺入对热活化再生水泥（TARCP）在加速碳化养护过程中性能的影响。根据研究结果，可以得出以下结论：

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掺入10%的MK在机械性能方面表现最佳，7天抗压强度达到37.7 MPa，比TARCP对照组提高了119.2%。

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MK的添加显著提高了

作者贡献声明

文晓东：撰写 – 审稿与编辑、研究、资金获取。季麒麟：可视化、研究、数据管理。冯雷：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源协调。朱世华：撰写 – 审稿与编辑、软件应用、正式分析。江远：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了浙江省重点研发项目（项目编号：2024C03826-SD2）和宁波市重点研发项目（项目编号：2023Z148, 2024Z258）的支持。作者感谢宁波工业大学在研究计划（项目编号：2023KQ084）下的财政支持。