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文献速读 碱式硫酸镁水泥中用于增强碳化的多级孔隙结构：从改性到碳化后演变的机理  题目 Hierarchical pore structure for enhanced carbonation in basic magnesium sulfate cement: Mechanisms from modification to post‑carbonation evolution 碱式硫酸镁水泥中用于增强碳化的多级孔隙结构：从改性到碳化后演变的机理 关键词 碱式硫酸镁水泥；孔隙结构；碳化；机理；可持续性 来源 出版年份：2025年 来源：Cement and Concrete Research 第一作者：西南交通大学土木工程学院游俊杰博士生 通讯作者：西南交通大学土木工程学院杨成副教授&北京交通大学土木建筑工程学院张艳荣教授&中国建筑西南设计研究院有限公司宋谦益高级工程师 研究背景 全球建筑行业导致约37%的温室气体排放，其中水泥生产占7%。传统硅酸盐水泥的高碳排放问题亟待解决，而碱式硫酸镁水泥（BMSC）作为一种新型低碳胶凝材料，凭借其低煅烧温度、优异的耐火性和力学性能备受关注。然而，BMSC中未反应的游离MgO在长期水化中会转化为Mg(OH)2，引发体积膨胀和微裂纹，从而导致材料耐久性下降。为解决上述问题，可采用碳化技术将MgO/Mg(OH)2转化为稳定碳酸盐，但BMSC碳化策略面临两大瓶颈：孔隙结构单一和碳化-水化竞争。碳化产物易堵塞孔隙通道，阻碍CO2扩散，导致碳化效率降低。此外，增强碳化（如提高CO2浓度或压力）虽能加速碳化，但可能分解BMSC的主要强度相（5·1·7相），导致抗折强度下降。因此，在不牺牲力学性能的前提下提升碳化效率，成为碳化BMSC大规模应用的核心挑战。 研究出发点 基于“多尺度孔隙调控”策略，通过纤维复合改性构建多级孔隙网络，优化CO2扩散路径与产物沉积空间，同时利用纤维增韧效应抵消碳化对力学性能的负面影响。 研究内容 本文提出了一种通过玄武岩-生物基复合纤维改性与碳化增强协同整合以提高镁基胶凝材料力学性能和碳封存效率的新策略。具体为：采用BMSC、循环木纤维（RWF）和玄武岩纤维（BF）设计具有多级孔隙结构的BMSC基复合材料（BMSC、RWF-BMSC和BFB-BMSC）；采用抗压/抗折强度试验研究BMSC基复合材料在强制碳化过程中力学性能变化；采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、拉曼（Raman）光谱、X射线衍射仪（XRD）、热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析BMSC基复合材料在强制碳化过程中微观结构和物相变化；采用比表面积法（BET）、压汞法（MIP）和X射线计算机断层扫描（X-CT）表征BMSC基复合材料孔隙结构；通过生命周期评价（LCA）评估BMSC基复合材料的环境效益和CO2吸收。 总结 本文通过多级孔隙结构调控和纤维增强效应，成功开发了一种具有高效CO2捕获能力和优异力学性能的碳化增强型碱式硫酸镁水泥（BMSC）复合材料；建立了生物基环保复合材料与碳化增强之间的协同促进机理，成功减轻了碳化对BMSC长期抗折强度的负面影响；此外，所开发碳化生物基硫酸镁（CBMS）水泥克服了碳化后CO2扩散限制问题，多级孔隙结构演化与碳化行为之间的耦合机理进一步实现了碳化程度提高。主要结论如下： （1）多尺度孔隙结构建立与优化：通过生物基和环保复合纤维 （循环木纤维（RWF）和玄武岩纤维（BF））的协同作用开发了多级孔隙网络结构，创建了从纳米到宏观的多级体系。与BMSC相比，未碳化BFB-BMSC的孔隙率和比表面积分别增加了23％和2％。多级孔隙结构为CO2扩散创造了相互连通的通道，毛细孔（10-100 nm）增加了33%，大孔（>100 nm）增加了450%，为碳化产物沉积提供了充足空间。这种多孔结构和纤维增韧的协同作用显著提高了自碳化性能和力学性能。未碳化时，优化后BMSC的CO2封存率和抗折强度分别提高了65.4%和84.1%。 （2）碳化动力学及效应：在强制碳化过程中，多级孔隙结构演变经历了三个不同阶段：压力驱动溶解、填充定向重建和自调节演变。增强的CO2压力会增加溶解度并促进碳酸根离子形成，导致碳酸盐在多维孔隙内定向沉淀。当CO2压力从0 MPa升高到0.5 MPa时，BMSC基材料的碳化程度和碳酸镁含量分别增加了145.2%和255.8%，而孔隙率降低了15.3%。这些变化导致抗压强度和抗折强度分别提高了78.5%和35.17%，同时实现了806.5 kg的CO2吸收量。 （3）碳化养护影响：碳化养护影响水化产物（例如5·1·7相）进一步发展，归因于水化产物和碳化产物之间具有竞争和耦合演化。虽然碳化产物的填孔作用提高了抗压强度，但5·1·7相含量的降低对抗折强度有负面影响。碳化试件的延长空气养护导致BMSC基材料抗压强度增加39.40%，但抗折强度降低34.43%。值得注意的是，多级孔隙结构和纤维增强的协同作用可有效提高碳化过程中长期抗折强度发展。与BMSC相比，优化后BFB-BMSC的抗折强度即使在极端碳化条件下仍高20.1%。 （4）可持续性优势：碳化BMSC基材料在多性能方面表现出显着的可持续性优势，包括力学性能、CO2吸收、微观结构和环境影响。与非碳化BMSC相比，CBMS水泥的CO2封存率和吸收率分别增加了215.3%和204.5%，全球变暖潜势（GWP）降低了59.9%。同时，抗压强度和抗折强度分别提升了19.1%和79.3%。 综上所述，本文不仅解决了传统BMSC在碳化过程中抗折强度下降问题，而且显著提高了其环境可持续性，为低碳、高性能建筑材料在工程中的应用提供了新思路和科学依据。未来，随着CO2排放量不断增加和镁资源进一步开发，基于多级孔隙结构调控的碳化增强策略有望在全球建筑行业的低碳化进程中发挥重要作用。 作者深度思考 从微观化学力学机理中观察到的演化规律及思考 从上一篇关于5·1·7相复合材料的研究开始（Cement Concrete. Compos. :玄武岩纤维-生物基-碱式硫酸镁水泥的力学性能和微观结构），已观察到孔隙结构变化对XRD碳化相影响，那么是否存在特定孔隙结构能强化碱式硫酸镁水泥（BMSC）的碳化能力？好奇心成为后面研究工作的缘起。 从设计碳化试验到建立表征方法，整个求证过程长达一年半，多轮试验后，碳化样品的抗折强度发展趋势始终与碳化速率无法对应，连续两周重复制样甚至令我们怀疑基本假设是否存在错误。直至通过XRD、SEM重新实施动态观察，发现碳化会持续抑制5·1·7相发展，导致抗折性能削弱。换言之，并不是碳化越强，强度越强。这个新的碳化机理可完美解释之前的现象——长期看，有两种化学力学机理在“并行”，一种机理是碳化产物填充部分孔隙，导致抗折强度增加；另一种机理是碳化过程会抑制5·1·7相发展，导致抗折强度降低。上述两种过程对抗折强度起相反作用，演化机理同时发生，作用结果此消彼长。因此，抗折强度并非呈现出单调递增或递减规律，而是表现出先增后减的涨落规律。简而言之，抗折强度受碳化过程影响，是一个非单调且存在明显波动的过程。然而，抗压强度不具有上述涨落规律，归因于碳化产物占据孔隙提升抗压强度是主要作用。换言之，上述两种机理中，抗压强度一直以“涨”为主。 审稿人提出的总计33个问题中，有8个涉及BMSC碳化机理与产物形成条件，7个问题聚焦于体积稳定性和孔隙结构演变机理。为解释MgO-MgSO4体系与传统RMC碳化行为差异，重新梳理了5年来相关的87篇文献，最终通过多级表征技术和热力学边界条件分析，补充描述了一个碳化产物“选择性形成”机理的理论框架。还特别感谢审稿人提出“BMSC完全碳化后对体积稳定性影响机理”的好提议，促使我们深入研究碳化产物在多级孔隙结构中的沉积行为，发现合理构建的多级孔隙结构网络可有效平衡碳化带来的体积变化。这又是一个典型的此消彼长过程，多级孔隙结构网络在这里起到了一个体积控制“鲁棒稳定器”的作用。最后非常感谢审稿人的质疑深度和水平，帮助我们构建更具包容性的理论模型。 最后，附上吴军《态度》第29封信的话：科学不是找到正确答案，而是保留证伪的可能性。 深度思考分享人： 游俊杰 博士生 西南交通大学 |
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