利用赤泥制备绿色多孔混凝土实现二氧化碳封存

利用赤泥制备绿色多孔混凝土实现二氧化碳封存

前言：

该论文于 2025 年发表于 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 上。这篇文献虽然没有将赤泥制备为轻骨料，但该研究却提出了一种基于 CO?养护的多孔赤泥植被混凝土（RMVC），该材料创新性地将富含营养元素但碱性较高的工业副产物赤泥，转化为高性能、可持续的结构材料。通过 CO?碳化作用中和赤泥体系的高碱性并改善其微观结构性能，RMVC 实现了二氧化碳固封与低碳功能性混凝土制备的有机融合。该文献的研究切入点十分精准，重点聚焦于生态混凝土的应用场景，具有较强的工程针对性。尤其是最后关于植物生长性能的试验部分，设计新颖，令人耳目一新。整体研究成果可为赤泥基轻质骨料的碳化机理分析及工程应用提供重要的学术参考与引用价值。

研究背景：

绿色植被混凝土兼具承载与生态功能，因其多孔结构可实现雨水下渗、径流调控及地下水补给，广泛应用于生态边坡、路堤及透水铺装等领域。植物根系可穿透混凝土层，与土体形成稳定结构，同时孔隙中的空气为微生物提供生长环境，促进氮、磷等污染物的自然降解，提升生态系统多样性。将赤泥、矿渣、脱硫石膏等工业固废用于植被混凝土，不仅可实现固废资源化，还可赋予材料低碳与生态属性。然而，赤泥的高碱性限制了其直接应用。CO?养护通过碳酸化反应生成碳酸钙，能有效降低体系碱度并改善结构致密性。对高孔隙率的植被混凝土而言，CO?养护尤具优势，可兼顾碳固封、强度提升与生态适应性，为赤泥基绿色混凝土的可持续应用提供新途径。
创新点：

§ 提出CO?养护调控赤泥碱度的绿色固碳方法。

§ 构建赤泥基植被混凝土力学与生态双功能体系。

§ 揭示CO?碳化与水化协同增强的微观机理。

研究内容：

本研究对所采用的原材料分别进行了XRD、SEM与PSD分析。普通硅酸盐水泥和赤泥的中值粒径分别为 16.5 μm 和 6.0 μm。两者的主要粒径范围均集中在 0.5–50 μm 之间，但相比之下，赤泥中粒径小于 1 μm 的超细颗粒比例更高。

 

配合比设计中，该研究采用体积法混凝土配合比设计。对于RMP（浆体）样品，浆体体积为100%。对于RMVC（混凝土）样品，浆体体积过大容易导致浆体在模具底部沉积、堵塞孔隙，而浆体体积过小则会引起蜂窝状缺陷，从而降低抗压强度。试验结果表明，当浆体体积占比超过35%时，试样底部出现沉积现象。成型后的RMVC立即转入碳化养护箱（CO?体积分数20%，相对湿度70 ± 5%，温度20 ± 2 °C）。

赤泥替代OPC的比例设为 5%、10% 和 20%，碳化养护龄期分别为 5小时、10小时、1天和3天。根据这两个变量组合制备 RMP 与 RMVC 样品，共设计 24 组试验。

 

结果部分：

（1）PH测试

为评估碱度释放情况，将RMVC试件浸入与其质量相同的水中，静置24小时后，使用 FE28 型 pH 计测定周围溶液的 pH 值。
结果较为明显：RMVC滤液的pH值随赤泥掺量增加而升高；CO?养护显著降低了RMVC的碱度。

（2）XRD

XRD结果显示，CO?养护初期（5h）样品中仍存在较多未反应C?S，CaCO?主要由CO?与碱性熟料反应生成。赤泥的加入提高了Al含量和体系碱性，促进钙矾石形成并加速石膏反应。3d后，C?S基本消失，体系以CaCO?为主，P20和P10样品中仍有少量未碳化Ca(OH)?，而P5样品几乎完全碳化。

总体而言，CO?养护加速了水化与碳化反应协同进行，体系碱度显著降低，为后期植物生长提供了稳定环境。

 

（3）FTIR

FTIR测试发现整体红外吸收谱带分布相似，表明虽然水化、碳化程度不同，但生成的C–S–H及凝胶类产物类型一致。值得注意的是，CO?养护促进了RMP体系中水化与碳化反应协同进行；高碱性（高掺量赤泥）样品早期水化活性更高，而低碱性样品后期碳化更充分，产物类型相似但碳化程度差异明显。

 

（4）TG-DTG

在研究目的下，热重分析需要重点评估不同试验组中 Ca(OH)? 与 CaCO? 的生成与转化特征。结果表明，随着养护时间延长，Ca(OH)? 与 CaCO? 的晶化程度不断提高，CO? 固封效率显著增强。总体而言，适量赤泥掺量（约10%）能够有效平衡水化速率与碳化深度，实现更高的反应活性与固碳性能。

结合 pH 测试、XRD、FTIR 及 TG 分析结果可知，赤泥通过调节体系碱度影响RMVC内部的化学反应过程。这种碱度变化改变了原料的反应消耗速率。总体而言，随着赤泥掺量的增加，RMVC在CO?养护过程中的原料反应速率得到加快，从而提升了体系的整体反应效率。

（5）SEM/BSE-EDS

通过SEM分析可知：各组样品的骨料与浆体界面结合紧密，未出现明显的孔隙或晶体聚集现象。在距骨料边缘50 μm范围内，浆体结构与远离界面区域基本一致，说明赤泥掺量的变化并未显著影响ITZ的显微形态特征。为进一步确定ITZ特征，结合显微硬度测试与BSE-EDS元素线扫分析。结果显示：

VC5?3d样品中，骨料处显微硬度最高，向浆体过渡区硬度迅速下降并趋于稳定，未出现传统混凝土中典型的“先降后升”规律；

BSE成像表明界面区亮度均匀，无明显Ca(OH)?或AFt富集带；

Si与Ca线扫结果显示，Ca在浆体中迅速升高而Si下降，整体变化平稳，进一步验证了界面组成与结构的连续性。

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综合SEM、显微硬度与BSE-EDS结果可知，RMVC在CO?养护3d后几乎不存在明显的ITZ结构。其原因主要包括：

高孔隙率结构与薄浆层促进了CO?的快速扩散，使水化与碳化反应在整个浆体中充分进行；

赤泥掺入形成高碱环境，加速了水化产物与碳酸盐生成，反应产物在界面处致密化；

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赤泥中细微颗粒的填充效应进一步减小了骨料与浆体间的孔隙。

该反应机理如下图所示，总体来看，尽管体系中未掺入轻质骨料，但其形成机理与轻骨料领域主流研究描述一致—与传统混凝土相比，赤泥基混凝土的ITZ过渡更为均匀、结构更为致密，界面弱化现象显著减轻。

 

（6）宏观性能

研究表明，随着赤泥掺量由5%增加至10%，浆体显微硬度与抗压强度同步提升，体现出良好的水化与碳化协同效应；当掺量进一步提高至20%时，因颗粒堆积疏松与活性组分稀释，强度反而下降。约10%的赤泥取代率可实现颗粒级配最优、结构最致密。

各组孔隙率保持在19%–22%之间，均高于植物生长所需的15%阈值。既保证了植物生长所需的渗透性，又维持了良好的结构强度。总体而言，赤泥基CO?养护生态混凝土在力学性能与生态功能间实现了平衡，展现出作为绿色基础设施材料的应用潜力。

 

（7）重金属浸出测试

赤泥掺量20%的样品在CO?养护过程中，重金属离子浓度随龄期显著下降，3 d后去除率分别达72.2%、16.3%、89.0%。Pb??和Mn??主要通过C–S–H凝胶及碳酸盐包裹固化，Cr??去除率略低。植物营养元素N、P亦显著降低，但仍保留一定磷含量，有利于植被生长。总体表明，CO?养护显著提升了RMVC的环境稳定性与生态适应性。

 

（8）植被生长试验

在植被试验中，将天然土壤与水混合制成高流动性的泥浆，均匀浇覆在 RMVC 试块表面，利用泥浆自重使其自动填充表层孔隙。随后在 RMVC 上铺设约 3 cm 厚的土层，并播撒常见于中国北方地区的高羊茅草籽。通过定期观察根、茎、叶的生长情况，评估高羊茅在 RMVC 上的适应性与生长表现。

选择 pH 约为 10、力学性能最优的 VC10–7d 样品作为基底，在秦皇岛夏季（21–30 °C）室外条件下种植高羊茅。

结果显示，植株于 3 d 发芽，7 d 生根，1 个月后适应良好，3 个月时生长旺盛、根系发达。剖面观察表明，根系可穿透 RMVC 深达 10 cm 以上并与基体紧密结合，体现出良好的植物相容性与生态功能。

CO?养护后的 RMVC 不仅有利于植被固定与坡面稳定，还能有效减少径流侵蚀、助力海绵城市建设；同时，残余熟料的缓释水化对植物生长无不利影响，验证了其在生态工程中的应用潜力。

作者选择铺设高羊茅是因为它具有较强的耐碱性（可耐受 pH≈9–10）、根系发达、适应性广泛的特征，能够真实反映赤泥基植被混凝土的生态适配性与工程可行性。然而，在实验设计上若能设置对照组（如在常规土壤环境下生长的高羊茅），并通过生长速率曲线进行对比分析，将更有助于定量评估赤泥基体系对植物生长的影响，从而增强研究的说服力与可重复性。