不同材料组成与养护工艺下钢渣基泡沫混凝土的固碳性能研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0965

摘要/Abstract

摘要：

为明确钢渣基泡沫混凝土（SSFC）的固碳性能与力学性能调控规律，拓展钢渣资源化利用路径及新型固碳建筑材料的研发方向，本文研究了钢渣掺量、碳化时间和碳化压力对钢渣基泡沫混凝土的CO₂吸收率和抗压强度的影响，并提出了通过预养护和早强剂协同提升钢渣基泡沫混凝土固碳性能的技术途径。结果表明：随着钢渣掺量提升、碳化时间延长和碳化压力增大，SSFC的CO₂吸收率逐渐增大，抗压强度随着钢渣掺量增加先增大后减小（当钢渣掺量为70%（质量分数）时达到峰值），且抗压强度随着碳化时间延长而增大。此外，预养护与早强剂的协同作用能显著提升钢渣基泡沫混凝土的固碳性能，其中，当钢渣掺量为70%时，Li₂CO₃掺量为0.4%（质量分数）并标准养护5 d后，于0.3 MPa压力下碳化24 h，SSFC的CO₂吸收率可达到13.0%，抗压强度为6.9 MPa。该研究为新型固碳泡沫混凝土的研发提供了新思路。

关键词: 钢渣, 泡沫混凝土, 碳化养护, CO₂吸收率, 抗压强度

Abstract:

To elucidate the regulatory mechanisms governing the carbon sequestration performance and mechanical properties of steel slag-based foamed concrete （SSFC）， and to explore innovative pathways for the resource utilization of steel slag as well as the development of novel carbon-sequestering building materials， this study investigates the effects of steel slag content， carbonation time， and carbonation pressure on the CO₂ absorption rate and compressive strength of SSFC， and proposes a technical approach to enhance its carbon sequestration performance through of SSFC the synergistic use of pre-curing and an early-strength agent.The results indicate that increasing steel slag content， prolonging carbonation time， and elevating carbonation pressure progressively enhance the CO₂ absorption rate of SSFC. The compressive strength initially increases and subsequently decreases with higher steel slag content （peaking at 70% steel slag content by mass fraction）， and the compressive strength increases with the increase of carbonation time. Moreover， the synergistic effect of pre-curing and early-strength agents significantly improves carbon sequestration performance of SSFC. Under optimal conditions （70% steel slag content， 0.4% Li₂CO₃ content （mass fraction）， 5 d standard curing， and 0.3 MPa pressure for 24 h carbonation）， SSFC achieves a 13.0% CO₂ absorption rate with 6.9 MPa compressive strength， this study provides novel insights for developing next-generation carbon-sequestering foamed concrete.

Key words: steel slag, foamed concrete, carbonation curing, CO₂ absorption rate, compressive strength

中图分类号:

TU528.2

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图/表 12

表1 原材料化学组成

Table 1 Chemical composition of raw materials

Raw material	Mass fraction/%
Raw material	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	K₂O	Na₂O	SO₃	LOI
Steel slag	44.17	8.68	1.56	33.90	3.07	0.10	0.33	0.17	1.67
Cement	63.43	20.84	4.68	3.56	3.29	—	0.55	2.30	1.48

图1 钢渣的XRD谱

Fig.1 XRD pattern of steel slag

表2 发泡剂性能指标

Table 2 Performance indicators of foaming agent

Foaming agent	1 h sedimentation distance/cm	1 h bleeding volume/mL	1 h bleeding rate/%	Foam density/（g·L^-1）	Foaming multiple
Indicator	0.3	28.3	29.7	25.5	40

表3 钢渣基泡沫混凝土配合比

Table 3 Mix proportion of steel slag-based foamed concrete

Sample No.	Steel slag mass fraction/%	Mix proportion/（kg·m^-3）
Sample No.	Steel slag mass fraction/%	Steel slag	Cement	Water	Superplasticizer	Foam
C-24-50	50	333.3	333.3	133.3	6.7	20.2
C-24-60	60	400.0	266.7	133.3	6.7	20.2
C-24-70	70	466.7	200.0	133.3	6.7	20.2
C-24-80	80	533.3	133.3	133.3	6.7	20.2

图2 SSFC制备流程

Fig.2 Preparation process of SSFC

图3 钢渣掺量对SSFC的CO2吸收率和抗压强度的影响（常压碳化24 h）

Fig.3 Effect of steel slag content on CO2 absorption rate and compressive strength of SSFC （carbonation at normal pressure for 24 h）

图4 碳化时间对SSFC的CO2吸收率和抗压强度的影响（常压）

Fig.4 Effect of carbonation time on CO2 absorption rate and compressive strength of SSFC （normal pressure）

图5 碳化压力对SSFC的CO2吸收率和抗压强度的影响（碳化时间24 h）

Fig.5 Effect of carbonation pressure on CO2 absorption rate and compressive strength of SSFC（carbonation time of 24 h）

图6 开裂的SSFC

Fig.6 Cracked SSFC

图7 标准养护时间和碳化压力组合对SSFC的CO2吸收率和抗压强度的影响（碳化时间24 h）

Fig.7 Effect of standard curing time and carbonation pressure combination on CO2 absorption rate and compressive strength of SSFC （carbonation time of 24 h）

图8 早强剂对SSFC的CO2吸收率和抗压强度的影响（碳化压力0.3 MPa，碳化时间24 h）

Fig.8 Effect of early strength agent on CO2 absorption rate and compressive strength of SSFC （carbonation pressure with 0.3 MPa， carbonation time of 24 h）

图9 泡沫混凝土SEM照片

Fig.9 SEM images of foamed concrete

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