碳化钢渣资源化水泥基材料及其耐久性研究进展

陈德鹏; 刘畅; 吴旻; 吕忠; 项腾飞

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504227

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (20) :8452-8463 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504227

第二十八届中国科协年会学术论文专题

碳化钢渣资源化水泥基材料及其耐久性研究进展

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Research Progress on Durability of Cement-based Materials Utilizing Carbonized Steel Slag

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摘要

钢渣作为冶金工业典型固废产物,因含有游离氧化物导致体积安定性不足,严重限制了其在水泥基材料中的资源化应用。碳化技术通过CO₂与钢渣中活性组分反应生成方解石等稳定矿物,不仅显著改善了钢渣的体积安定性,还能实现CO₂的矿化封存。从碳化处理制备钢渣建筑材料的角度出发,分析了碳化反应机理,综合评述了碳化处理对钢渣建筑材料的干燥收缩性、抗冻性、氯盐及硫酸盐侵蚀方面的影响及应用。最后,针对研究现状和存在的问题进一步提出改善方法,有助于实现钢渣作为二次资源的合理利用,推动建材行业“双碳”目标。

Abstract

Steel slag is a typical solid waste from the metallurgical industry. Its use in cement-based materials is severely limited because free oxides cause poor volume stability. Carbonation technology is applied to react CO₂ with reactive components in steel slag. Stable minerals such as calcite are formed. The volume stability of steel slag is therefore significantly improved, and CO₂ is mineralized and stored. The carbonation mechanism was analyzed from the perspective of producing steel-slag-based construction materials by carbonation treatment. The effects and applications of carbonation treatment on drying shrinkage, frost resistance, and chloride ion penetration resistance, and sulfate attack resistance of steel-slag-based construction materials were systematically summarized. Finally, based on the current state of research, existing problems were identified and improvement strategies were proposed. The rational utilization of steel slag as a secondary resource is thereby promoted, and the dual-carbon goals of the construction materials industry are supported.

Graphical abstract

关键词

碳化 / 钢渣 / 水泥基材料 / 耐久性

Key words

carbonation / steel slag / cement-based materials / durability

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陈德鹏, 刘畅, 吴旻, 吕忠, 项腾飞. 碳化钢渣资源化水泥基材料及其耐久性研究进展[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(20): 8452-8463 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504227

CHEN De-peng, LIU Chang, WU Min, LÜ Zhong, XIANG Teng-fei. Research Progress on Durability of Cement-based Materials Utilizing Carbonized Steel Slag[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(20): 8452-8463 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504227

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钢渣是炼钢过程中产生的重要冶金固废物,其年产量随着钢铁工业的发展持续增加。作为典型的大宗工业固废,钢渣的长期堆存不仅占用大量土地资源,还可能引发环境污染与资源浪费问题^[1-2]。在“双碳”目标背景下,如何实现钢渣的高效稳定化处理与利用,已成为钢铁行业绿色低碳转型的重要研究方向。

在材料组成方面,钢渣的矿物相组成受炉型与冷却制度等影响显著,通常由以C₂S为主的硅酸盐相、少量C₃S、铁酸盐相(C₂F、C₄AF)、RO相(MgO、FeO)以及游离氧化物(f-CaO、f-MgO)等共同构成^[3-4]。由于与水泥具有相似的化学与矿物特征,钢渣被认为是潜在的辅助胶凝材料或骨料,成为冶金固废资源化的重要载体^[5]。然而,钢渣中f-CaO和f-MgO在水化过程中会生成Ca(OH)₂与Mg(OH)₂易引发体积膨胀与开裂^[1],且RO相等惰性组分会进一步削弱其反应活性与稳定性,严重限制其规模化应用^[6-7]。针对上述问题,CO₂矿化技术为钢渣改性与资源化利用提供了新的技术路径。研究表明,碳化反应可促使钢渣中活性钙、镁组分转化为稳定碳酸盐,从而降低体积不稳定风险^[8-9],且碳化过程中形成的碳酸盐沉积层还可以重构颗粒表面结构并提供成核位点,有利于后续水化反应与界面结合性能的提升^[10]。因此,钢渣碳化不仅能够实现材料稳定化处理,还可通过矿物固碳途径实现资源化利用,逐渐成为近年来固废利用与碳减排研究的重要方向。

欧洲、日本等发达国家较早开展钢渣碳化及其工程应用研究,研究重点主要集中在矿物碳化动力学机制、反应过程强化及生命周期评价等方面,并逐步形成较为成熟的资源化利用体系。这些国家对于钢渣的利用率可以达到80%~90%^[11-12]。相比之下,中国钢渣产量虽长期居全球首位,但综合利用率约为30%,仍显著低于发达国家水平^[13]。近年来,中国研究团队围绕钢渣碳化反应机理、碳化钢渣作为胶凝材料替代组分、人造骨料制备及其耐久性评价等方面开展了系统研究,逐步形成了较为完整的研究体系,揭示了碳化过程中矿物溶解、离子迁移与碳酸盐沉积的演化规律,并在碳化钢渣提升界面致密性及提升抗冻性能方面积累了较为丰富的试验基础^[14-15]。尽管相关研究已取得一定进展,但与国际成熟工业化应用相比,中国在低能耗连续碳化工艺、长期服役环境下的耐久性验证以及碳减排效益的系统评估等方面仍有待进一步完善。特别是在多因素耦合作用条件下碳化钢渣水泥基材料的长期性能演化及其工程适用性方面,仍缺乏系统研究。

基于上述背景,现系统综述碳化钢渣在水泥基材料中的研究进展,介绍钢渣处理工艺、碳化反应机理及微观结构变化规律,探讨碳化钢渣在水泥基建筑材料中的应用及其性能特征,分析碳化钢渣水泥基建筑材料的耐久性能。以期推动该技术的不断创新和优化,助力钢铁行业实现绿色低碳转型和可持续发展目标。

1 钢渣处理工艺

早期钢渣处理技术主要以降低体积膨胀风险为核心目标,包括热泼法、热闷法、滚筒法及风淬法等。其基本原理是通过快速冷却、蒸汽消解或机械破碎等方式,促进游离氧化物水化或实现粒化处理,从而提高钢渣的体积稳定性。然而,每种方法都有其局限性(表1^[11,16-22])。

由表1^[11,16-22]可知,上述方法在一定程度上均能够缓解钢渣的体积不稳定性,但普遍存在能耗高、工艺复杂等瓶颈。为了克服传统处理方法的不足,新的碳化处理工艺逐渐被引入并成为研究的热点。近期研究表明,在富含CO₂的环境中,钢渣表现出较高的碳化反应活性,相比传统方法,碳化处理在实现CO₂矿化封存以及改善孔隙连通性与界面致密性方面表现出更为显著的优势,为后续水泥基材料耐久性提升奠定了微观结构基础。

2 钢渣碳化机理及其影响因素

钢渣碳化是一种将工业固废资源化与CO₂封存相结合的技术,通常可分为直接碳化和间接碳化两种方式,直接碳化可进一步细分为干法碳化和湿法碳化,其主要原理均为通过CO₂与钢渣中钙、镁等活性矿物发生多相界面反应来实现。

直接干法碳化是指钢渣通过直接碳化捕获固定二氧化碳。这种方法通常具有简单、易操作等优点,但通常存在碳化效率较低等问题,其反应方程式为

(1)$\mathrm{CaO}+\mathrm{CO}_{2} \longrightarrow \mathrm{CaCO}_{3}$

(2)$\mathrm{MgO}+\mathrm{CO}_{2} \longrightarrow \mathrm{MgCO}_{3}$

虽然现有研究可通过高温高压等技术加快反应速率,但这一过程需要投入较高的能耗与资源,此外,间接碳化则先通过酸浸或络合等方式将Ca²⁺/Mg²⁺提取,再与C${O}_{3}^{2+}$在溶液中沉淀生成碳酸盐,存在工艺复杂难以规模化应用等问题^[23-26]。因此,湿法碳化成为了更为广泛应用的方法,根据反应动力学特征,该过程可以分为以下几个阶段^[27]。

2.1 CO₂溶解与电离

当CO₂与水接触时,CO₂溶解于孔隙溶液中,形成碳酸(H₂CO₃),并随着溶液pH的变化,H₂CO₃进一步离解为HC${O}_{3}^{-}$与C${O}_{3}^{2-}$,反应为

(3)$\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g}) \longrightarrow \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{aq})$

(4)$\begin{aligned} \mathrm{CO}_{2} & +\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{CO}_{3} \longrightarrow \mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-} \longrightarrow 2 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{CO}_{3}^{2-} \end{aligned}$

(5)$\mathrm{CaO}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_{2}$

(6)$\mathrm{MgO}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_{2}$

在此阶段,钢渣中富含的CaO、MgO等碱性矿物会使体系维持较高pH区间,从而促进C${O}_{3}^{2-}$的生成,为后续碳酸盐沉淀反应提供条件^[28]。

2.2 矿物溶解与碳酸盐沉淀

在矿物溶解阶段,钢渣中的主要活性组分硅酸钙(C₃S、γ-C₂S、β-C₂S)及含钙、镁矿物与水发生反应^[29-31],其水解反应遵循缩核模型动力学机制^[32],具体反应如式(7)~式(13)^[28]所示。

(7)$\begin{array}{l} {\left[\mathrm{Ca}, \mathrm{Mg}_{2} \mathrm{SiO}_{4}+4 \mathrm{H}^{+} \longrightarrow 2\left[\mathrm{Ca}^{2+}, \mathrm{Mg}^{2+}\right]+\mathrm{SiO}_{2}+\right.} \\ 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \end{array}$

(8)$\mathrm{Ca}^{2+}+\mathrm{CO}_{3}^{2-} \longrightarrow \mathrm{CaCO}_{3}$

(9)$\mathrm{Mg}^{2+}+\mathrm{CO}_{3}^{2-}+3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \mathrm{MgCO}_{3} \cdot 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$

(10)$\mathrm{Ca}_{2} \mathrm{SiO}_{4}+2 \mathrm{CO}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow 2 \mathrm{CaCO}_{3}+\mathrm{SiO}_{2} \cdot 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$

(11)$\mathrm{Ca}_{3} \mathrm{SiO}_{5}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+2 \mathrm{CO}_{2} \longrightarrow \mathrm{SiO}_{2} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+2 \mathrm{CaCO}_{3}$

(12)$\begin{array}{c} 3 \mathrm{CaO} \cdot 2 \mathrm{SiO}_{2} \cdot 4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+3 \mathrm{CO}_{2} \longrightarrow 3 \mathrm{CaCO}_{3}+ \\ 2\left(\mathrm{SiO}_{2} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\right)+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \end{array}$

(13)$\mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_{2}+\mathrm{CO}_{2} \longrightarrow \mathrm{CaCO}_{3}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$

随着CO₂的进一步渗透,Ca²⁺、Mg²⁺与C${O}_{3}^{2-}$结合,形成碳酸盐,在此过程中,碳酸盐晶核逐渐在矿物表面沉淀,而Si—O基团则通过缩聚反应形成无定形硅胶,形成典型的多孔凝胶结构^[33],随着碳化的进行,钢渣表面逐步形成多层结构,即:外层为碳酸盐沉淀,中间层为无定形硅胶层,内层则为未反应的硅酸钙晶体(图1^[34])。然而,外层的碳酸盐和无定形硅胶层会逐渐封闭矿物表面的孔隙形成扩散阻力,限制了碱或碱土金属元素的进一步溶解或C${O}_{3}^{2-}$的渗透,进而影响碳化反应效率^[34-37]。

2.3 影响碳化效率的因素

钢渣碳化效率受多因素共同影响,提高CO₂压力通常可提升CO₂在液相中的溶解驱动力并促进碳化效率提升,但当外层碳酸盐与硅胶层形成致密阻隔结构后,提高CO₂压力对反应速率的提升效果逐步减弱^[38]。温度升高可加快矿物溶解与离子扩散并提高反应动力学,但同时会降低CO₂溶解度^[39-40],Gomari等^[41]研究表明,当温度由20 ℃升至60 ℃时钢渣的碳化效率也随之提高,但在60~80 ℃区间出现回落,因此应适当提高温度并配合一定CO₂压力可在动力学与溶解度之间取得更好的平衡。粒径减小能够显著增加比表面积并缩短扩散路径,通常可以实现较大幅度的碳化度提高^[38],但粉磨能耗与颗粒团聚等问题也会影响实际应用的可行性,需要在碳化效率与能耗之间进行综合权衡,液固比与搅拌条件也会对碳化效率产生影响,Chang等^[42]研究发现,当液固比<20∶1时,碳化钢渣浆体难以混合不充分,从而导致固液间传质受限;当液固比>20∶1时,因单位体积液体中的钢渣量降低而出现溶液Ca²⁺浓度下降,从而使转化率降低,同时也对后续固液分离与废水处理增加难度。钢渣矿物组成及渣种差异会显著影响碳化潜力,在相同温度与CO₂压力条件下,相较于电炉钢渣(EAFS),转炉钢渣(BOFS)的CO₂吸收量提升约60%^[43],此外,也有研究采用超声或微波破坏钢渣颗粒的钝化层以及动态试验台等手段来加速反应过程,但由于各因素并非独立影响碳化过程^[44-48],因此,钢渣碳化工艺优化不能单纯依赖提高某一参数,而应综合考虑,建立更适用于工程应用的协同优化碳化制度^[49]。

3 碳化钢渣在水泥基建筑材料中的应用

钢渣的应用一般有以下几类:①将钢渣磨成钢渣微粉,作为胶凝材料或掺合料^[50];②破碎并筛分,作为混凝土的粗、细骨料^[51];③制备碳化钢渣砖或用于路基填料^[52], 与未碳化钢渣相比,碳化处理通过降低体积不稳定性并重构颗粒表面与孔隙特征,实现固废利用与固碳效益。碳化改性并不仅以提高强度作为唯一目标,更重要的是在材料安全性、性能稳定性与环境收益之间建立平衡。从以下三个维度系统阐述其应用进展。

3.1 胶凝材料的替代

钢渣粉体作为胶凝材料替代组分的应用长期受到两方面约束:一是反应活性相对不足导致强度贡献有限,二是潜在的不稳定组分遇水反应可能引发体积变化并带来开裂风险^[8],为突破这些限制,研究者们通过碳化改性对钢渣进行稳定化处理。栾宁等^[53]采用掺入30%的碳化钢渣水泥净浆试件,发现其28 d的抗压、抗折强度相较未碳化组分别提高了11.9%和14.8%,并且碳化后形成的碳酸盐产物具有填充与成核作用,可促进水化产物生成并改善界面致密性。Liu等^[54]进一步从微观层面研究发现,碳化处理后,钢渣表面形成了厚度为5~10 μm的碳酸化产物层,显著减少了普通钢渣水泥浆体可能出现的蒸压开裂风险,如图2^[54]背散射电子显微镜(backscatter electron microscopy,BSEM)所示。但碳化处理并不一定会导致强度增加,其效果受碳化方式、碳化程度以及替代率等显著影响。有研究在比较不同碳化方式时发现,不同碳化方式会改变碳酸盐产物的形貌与分布特征,从而影响浆体早期反应过程与强度发展。在工程可持续性评价方面,Shao等^[55]研究发现,使用湿法碳化的BOFS替代20%的水泥时,对水泥浆体强度降低的影响最小,且可使全球变暖潜势(global warming potential,GWP)降低24.1%,体现出碳化预处理在减碳与性能之间的平衡潜力。此外,针对碳化速率与反应程度受限的问题,文献[56]采用加压碳化工艺与磷石膏协同活化工艺,通过在加压环境下引入磷石膏催化体系,使碳化效率显著提升并可优化界面结构。在经济效益方面,该工艺实现了每立方米混凝土吸收100 kgCO₂的碳封存效果,与普通混凝土相比可降低材料成本75.8%。上述研究分别从力学性能、微观结构及生态效益3个层面,系统论证了碳化钢渣在水泥基建筑材料领域的应用可行性,为碳化钢渣在建筑材料领域的应用提供了有效的科学依据。

3.2 骨料的替代

钢渣作为骨料的资源化利用具有消耗量大、应用场景广的优势,为了进一步拓展碳化钢渣在建筑材料中的应用,常钧^[57]首先在0.5 MPa,100%CO₂,碳化时间为2 h的条件下,制备碳化钢渣人造骨料及混凝土,结果表明,碳化钢渣骨料混凝土的强度约为普通混凝土的90%,验证了碳化钢渣骨料在工程应用中的基本可行性。Mo等^[58]提出钢渣-粉煤灰-水泥三元协同碳化法,利用加压碳化工艺将钢渣中的游离成分转化为方解石和文石,消除了钢渣体积膨胀的风险。研究发现,碳化8 h后,骨料的CO₂吸收量达9.46%,且体积稳定性显著优于未碳化骨料;进一步微观分析表明,碳化产物对孔隙具有填充与细化作用,孔径分布由以粗孔为主逐步向细孔转变,总孔隙率降低16%~23%,骨料内部逐渐形成了致密CaCO₃-C-S-H复合界面,从而显著提升了骨料与水泥浆体之间的界面结合性能,所制备的混凝土28 d抗压强度可达45.5 MPa。目前多数较优效果多建立在高压、高纯CO₂、较短时间快速碳化的条件上,实际推广仍受成本等条件制约。因此,有研究从工艺过程入手,通过改善气体传输与反应条件等方面来提升CO₂固定效率。Yang等^[59]引入乙二胺四乙酸(EDTA)作为催化剂提高钢渣的CO₂吸收率,发现CO₂吸收率随着EDTA的增加呈线性增长,最高可达到未催化组的3.27倍。但其经济性仍是限制因素。相比之下,在生物炭与钢渣复合制备人造骨料的研究中^[60],尝试用多级孔道结构提升气体扩散与富集能力,实现了在较低CO₂浓度环境下进行碳化与固碳,使低CO₂浓度环境下的吸收率提升至传统骨料的3.7倍,并在碳化后保持稳定的力学性能,为低碳条件下钢渣骨料的碳化利用提供了新思路。

尽管上述研究在提升碳化钢渣人造骨料性能方面取得了显著进展,碳化钢渣人工骨料的制备仍面临挑战,如高压碳化工艺依赖高纯度CO₂气体导致工艺能耗较高;碳化效率也随着反应时间延长而逐渐下降^[61]以及CaCO₃晶型分布不同也可能导致界面力学性能波动^[62-63],未来研究可以聚焦于低碳工艺的创新等方面,以优化性能和成本的平衡,推动碳化钢渣骨料的规模化工程应用。

3.3 成型制品的制备

除作为胶凝材料或骨料替代外,碳化钢渣还可用于钢渣砌块等成型制品的制备。该方法主要通过在材料成型后引入CO₂养护,使钢渣中活性组分转化为稳定碳酸盐相,从而在实现结构稳定的同时提升强度。文献[64]在CO₂浓度为30%和常压条件下,比较多种化学添加剂对碳化钢渣砌块的影响,发现通过添加化学添加剂总体能够提高CO₂固定量并提升钢渣砌块的抗压强度,且EDTA及其钠盐衍生物对强度的提高最为显著,该研究为解决实际工程应用中常压和低CO₂浓度提供了可行性;但在实际应用场景中,气源往往除CO₂外,还携带残余温度与水汽,为解决这一问题,Lei等^[65]研究了烟气碳化养护中温度与相对湿度的耦合影响。结果表明,在湿度大于40%的条件下,提高养护温度总有利于强度增长,原因在于碳化产物形成更加充分并使结构更致密;但当环境极干燥(湿度约为2%)时,高温与持续气体流动会加剧水分损失,导致表层碳化反应不足并削弱结构完整性,从而降低固碳效率和抗压强度。因此,实际应用中需要将温度与水汽供应作为共同控制参数,而不能仅以CO₂浓度作为评价依据。此外,成型制品的抗压强度不仅取决于总体碳化程度,还与颗粒之间以及胶结相与骨料之间的黏结有关。研究表明,若骨料或颗粒表面过早形成连续碳化层,可能会削弱与胶凝材料之间的黏结,导致多孔的界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)的形成,使得碳化砌块的抗压强度相对较低^[66]。

4 碳化钢渣水泥基建筑材料的耐久性能

近年来,中国在碳化钢渣资源化利用及其水泥基材料耐久性研究方面取得了一定的进展。早期研究主要集中于通过碳化处理降低钢渣中游离氧化物含量、提高体积安定性,为其作为胶凝材料或骨料替代奠定基础;随着碳化技术的成熟,研究重心逐渐转向碳化产物对孔结构优化、界面特征改善及长期性能演化的影响。在耐久性方面,中国学者围绕干燥收缩、冻融循环以及盐类侵蚀等典型服役环境展开了较为系统的研究,逐步揭示了碳化处理在改善孔隙结构连通性、增强骨料与浆体界面结合等方面的机制。同时,部分研究开始关注碳化程度、钢渣掺量及粒径分布对耐久性能的边界影响。总体来看,中国在碳化钢渣水泥基材料耐久性能方面已形成较为完整的研究体系,但不同耐久性之间如何影响及多因素问题仍有待进一步研究。基于此,以下将围绕其干缩收缩、抗冻性能及盐类环境下的侵蚀行为展开系统分析。

4.1 干缩收缩

混凝土在干燥环境下的收缩主要是由内部与外部的湿度差异导致毛细孔内水分蒸发引起^[67],这种早期收缩现象是造成其性能下降和使用寿命缩短的关键因素。文献[68]研究表明,钢渣经碳化处理后生成的碳酸盐产物,尤其是方解石可以通过拓扑填充效应优化孔径结构,有效阻断水分蒸发路径^[69]。Deng等^[70]研究发现,碳化钢渣制备的可持续加气混凝土(CSSAC),在生命周期评估中的碳足迹相较于传统加气混凝土降低82.69%,为开发零碳和负碳建筑材料提供了一种新方法。然而先前研究视角主要集中于方解石这一单一矿物的孔隙优化作用, 但由于现有技术无法使得钢渣完全碳化,因此钢渣中仍会存在由于碳化不完全而产生的其他含钙矿物。针对这一问题,Liu等^[71]通过将碳化钢渣与NaOH激发剂结合制备碱激发材料,系统揭示了多矿物协同作用机制。研究发现,在碱激发条件下,碳化钢渣中残余含钙矿物可快速分解释放Ca²⁺并参与形成高聚合度的C-(N)-A-S-H凝胶网络,从化学层面优化了微观结构,将28 d干燥收缩率降低至普通水泥基材料的1/15。这一发现突破了传统研究对方解石主导作用的局限,阐明了物理填充与化学活化协同增效的机理。俞涵均等^[72]采用钢渣砂替代天然砂制备钢渣砂浆进行梯度实验发现,砂浆的干燥收缩与养护龄期之间存在紧密联系,其结果如图3^[72]所示,研究表明,钢渣砂浆的干燥收缩主要发生在28 d之前,28 d后,干燥收缩过程明显变缓。当养护龄期为90 d时,钢渣掺量30%和45%的砂浆的干缩值相较于未碳化钢渣分别减少了14%和9%。进一步对比未碳化与碳化钢渣体系可发现,碳化处理能够在各龄期条件下进一步降低砂浆的干燥收缩水平,并显著改善其长期体积稳定性。综上所述,碳化钢渣通过孔结构物理填充、含钙矿物化学活化及界面特性改善等多重机制,在水泥基材料体系中均表现出显著的干燥收缩抑制效果。这种体积稳定性的提升不仅有助于减少早期微裂缝的产生,也为后续抗冻性与抗氯离子侵蚀等耐久性能的改善奠定了基础。

4.2 抗冻性

在严寒气候条件下,混凝土结构常常遭受冰冻的影响,冻融循环是寒冷地区混凝土结构劣化的主要原因^[73],频繁冻融会导致结构表层剥落、裂缝蔓延甚至结构崩溃。吴昊泽等^[74]采用碳化钢渣集料制备透水混凝土,发现在质量损失方面,碳化钢渣透水混凝土表现出较小的变化;在强度损失方面,随着钢渣取代量的不断增大,碳化钢渣透水混凝土的损失率明显低于未碳化组。该研究表明,在适当的掺量和处理条件下,碳化钢渣作为骨料可以有效提高透水混凝土的抗冻融性能,使其在寒冷地区的应用更具潜力。Pang等^[75]的研究进一步从微观结构角度验证了碳化钢渣骨料(CSA)在改善抗冻融性能方面的效果。通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)分析不同骨料的ITZ发现, 与普通骨料(NA)相比,碳化钢渣骨料的ITZ未出现明显的裂缝(图4^[75]),骨料与水泥浆体之间的界面结合更为紧密。这种更加的致密结构对于抵抗冻融循环起到了关键作用,使得碳化钢渣骨料混凝土的抗冻性显著高于普通骨料,约为其5倍。在成型制品方面,Hou等^[76]对CO₂养护钢渣砖进行冻融试验发现,在合理粒径分布与碳化时间条件下,试件在循环后仍保持较高的强度保持率与体积稳定性。但是钢渣颗粒粒径与碳化程度对抗冻性能具有双重影响。当颗粒粒径适度降低时,碳化反应更为充分,有利于形成均匀的碳酸盐沉积层并改善界面结构;但当颗粒过细时,材料吸水速率提高,更易达到较高饱水度从而加剧冻融损伤^[77]。因此,钢渣粒径的选择既要保证碳化反应充分,也要避免因吸水能力增强而提高冻融风险。

4.3 盐类环境下的侵蚀

在盐类环境中,无论是氯盐侵蚀还是硫酸盐侵蚀,混凝土劣化过程均始于外部侵蚀性离子向材料内部的迁移,从而导致结构性能下降。近年来,碳化钢渣作为一种较有潜力的替代材料^[78],逐渐受到研究者的关注。因此,分别讨论碳化钢渣水泥基材料在氯盐环境下的钢筋钝化与腐蚀问题,以及硫酸盐环境下的体积稳定性与结构破坏问题。

氯离子侵入混凝土后,可破坏钢筋表面的钝化状态并诱发腐蚀反应。Ghouleh等^[79]研究发现,碳化钢渣的加入显著提升了混凝土的抗氯离子渗透性,微观结构分析显示,碳化后钢渣表面形成了更加致密且粗糙的结构特征,明显增强了其与水泥浆体之间的机械咬合作用,碳化处理后混凝土的ITZ厚度缩减至15~20 μm且微裂纹密度降低了62%,这些结果表明,碳化钢渣通过致密化微观结构与强化界面过渡区,有效抑制了有害介质的渗透, 提升了混凝土的耐久性。在此基础上,逄博^[80]的研究进一步将碳化钢渣由胶凝材料体系拓展至骨料尺度,结果表明,当钢渣以骨料形式应用于混凝土中时,碳化处理同样显著抑制氯离子迁移。如图5^[80]所示,采用碳化钢渣人造骨料制备的混凝土(CSC)其快速氯离子迁移系数和电通量均显著低于天然骨料混凝土(NAC)和破碎钢渣骨料混凝土(SSC),表明单纯采用未碳化钢渣骨料对抗氯离子渗透性能的改善有限,而碳化过程是实现显著提升的决定性因素。从机理角度分析,碳化过程中生成的碳酸钙填充并细化了人造骨料内部孔隙结构,同时改善了骨料-浆体界面过渡区的致密性,从而减少连通孔隙与界面缺陷所构成的“快速通道”,有效延长其迁移路径并降低氯离子迁移效率。然而,离子传输速率降低并不意味着腐蚀风险完全消除。Wu等^[81]在针对碳化养护条件下掺钢渣体系的钢筋钝化行为指出,碳化养护不利于早期钝化膜形成与稳定;但在后续湿养护过程中,含10%的钢渣配比组的钢筋钝化状态可逐步接近普通硅酸盐水泥体系,而较高掺量可能引起钝化膜局部缺陷。这表明碳化钢渣体系在降低氯离子传输方面表现出积极影响,但其对钢筋腐蚀风险的影响还取决于钢筋周围碱度与钝化环境的维持能力。

与氯盐侵蚀不同,硫酸盐侵蚀主要表现为外部硫酸根离子进入体系后,与水化产物反应生成膨胀性产物,导致体积膨胀、开裂及剥落,其劣化程度同样受离子迁移速率与孔隙连通性影响。Zhou等^[82]在针对碳化钢渣偏高岭土复掺体系中的研究表明,复掺碳化钢渣与偏高岭土的体系表现出显著的抗侵蚀优势。碳化可以使部分游离或可溶性钙转化为更稳定的碳酸盐,减少了可参与膨胀反应的活性钙源,此外,碳化处理使钢渣形成了三层结构(图6^[82]),并形成了由碳酸钙组成的表面钝化层,减少了硫酸根离子与钢渣中未碳化内核的反应。因此,在长期侵蚀试验中,钙矾石的生成量相比对照体系减少了40%,并且360 d后的膨胀率减少了约85.2%,有效减缓了劣化过程。Li等^[83]提出预碳化和碳化养护相结合的方法,以提升固碳效率与抗硫酸盐侵蚀能力,结果表明,相较于未碳化组,当钢渣掺量为20%时两步碳化在硫酸盐侵蚀180 d后,试件的抗压强度增幅可达48.1%,但当钢渣掺量提高至40%时,过度碳化反而会降低试件的抗硫酸盐侵蚀能力。

5 结论与展望

当前研究在碳化钢渣建筑材料耐久性方面取得了一定的进展,研究表明,碳化处理不仅能够显著改善钢渣的稳定性,还能提升碳化钢渣制品的多项性能,如干燥收缩性、抗冻性和抗氯离子渗透能力等,这些成果不仅为钢渣的资源化利用提供了理论依据还在促进环境友好型材料方面具有重要意义。然而,现有的研究仍存在一些不足之处,主要体现在以下几个方面。

(1)目前中国碳化钢渣水泥基材料研究虽已在碳化反应机理、力学性能调控及耐久性提升方面取得一定进展,但碳化反应程度与材料长期服役性能之间的耦合机制仍不清晰。现有研究多关注碳化程度或强度提升的单一指标,对碳酸盐晶型演变、孔结构重构及界面过渡区致密化等微观缺乏定量分析。未来可建立碳化反应程度—微观结构演变—耐久响应的关联模型,实现碳化制度的精准控制与长期性能的预测。

(2)中国碳化钢渣水泥基材料仍以室内试验研究为主,尚未形成成熟的规模化推广体系,不同研究中所采用的CO₂浓度、压力、湿度和碳化时间差异较大,导致碳化程度和性能数据缺乏可比性,制约了工程应用稳定性。今后应结合室内试验与示范工程实践,形成不同应用场景下的碳化反应控制参数、性能验收指标,及重金属浸出限制的成套标准体系,

(3)在耐久性方面,大多数研究侧重于单一因素(如氯离子侵蚀或冻融循环)对碳化钢渣制品耐久性的影响,而实际工程应用中,耐久性通常是多因素耦合的。户外结构可能同时受到荷载、温湿度变化、冻融循环、盐类侵蚀等共同作用,材料性能演变机理更加复杂。因此,未来的研究应更加注重多因素耦合作用对建筑材料耐久性的影响,建立和完善碳化钢渣建筑材料的耐久性预测模型,同时可以在钢铁、建材企业开展示范工程,对碳化钢渣骨料在桥梁、道路等建筑中的长期性能进行跟踪,为实际工程应用提供更多技术支持。

(4)碳化钢渣资源化利用具有显著的固碳潜力,但目前对其全生命周期碳减排效益分析的系统评价仍较为有限,尤其在考虑运输、碳化能耗及工程替代比例后,其实际减排效果尚缺乏统一测算方法。未来研究可着力于开发电炉粉尘回收、余热利用等低能耗、高收益的碳化工艺,并进一步构建包括原料获取、碳化处理、混凝土生产与服役阶段的全生命周期评价模型,明确不同应用场景下的净碳减排贡献,为政策制定与产业推广提供理论依据。

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