演讲人：迈阿密大学的 Prannoy Suraneni
摘要：将几种钙含量不同的辅助胶凝材料 (SCM) 暴露于 CO2 中，以量化其 CO2 吸收。研究了不同水分含量、温度和室内 RH 下的吸收情况。在 CO2 室暴露之前和之后运行的热重分析 (TGA) 用于量化材料原始质量的吸收。暴露前后的改进 R3 测试运行用于量化反应性。发现环境条件对 CO2 吸收有一些影响，但吸收顺序没有显著变化。钢渣和再生水泥材料的吸收率最高，为 10 – 25%。大多数材料在吸收后的反应性没有显著变化。使用先进的表征技术研究了吸收后形态，并将其与吸收和反应性联系起来。
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我将讨论波罗的海细料的机械化学活化。我博士生Sopan正在主导这项工作，其他作者也在这里列出。所以我真的应该更改这些幻灯片，因为我面前都是同行，所以我不会在这些幻灯片上花太多时间。长话短说，混凝土很好，但混凝土也有一些坏处，因为它对全球二氧化碳排放的贡献为6%到8%。你会看到一些文章说，哦，地球上最具破坏性的材料。实际上，我们应该看看与排放相关的一些数字，从质量的角度来看。如果你看看这些数字，你会发现，与几乎任何其他材料相比，水泥和混凝土的排放实际上相当低。尽管必须承认，水泥仅占混凝土质量的15%，却占混凝土排放的80%到90%。因此，我们必须减少水泥的排放，这一点非常明确。这些天，大家都有一个路线图，这些路线图要求我们在接下来的若干年内将排放减少20%、30%、40%或100%。那么，水泥中的二氧化碳排放来源于哪里呢？制作水泥的过程可以说是非常简化的，你加热石灰石、粘土和一大堆其他材料到大约1500摄氏度来生产普通波特兰水泥。排放的绝大多数来自两个方面：一是石灰石的分解，二是加热和粒度减小的操作。大约60%的排放来自石灰石分解，这一反应是无法避免的，特别是如果你要使用石灰石。因此，许多人，例如Brimstone，正在研究我们是否可以用其他东西替代石灰石。一般来说，如果你减少混凝土中的水泥含量或水泥中的石灰石含量，或者在熟料中减少这些成分，你将减少排放。对我来说，过去几年在美国最好的技术之一是波特兰石灰石水泥，凭借这个小技巧，你可以节省10%的碳排放。这种事情，几个人会不同意我的看法，几个人会和我争论，认为波特兰石灰石水泥是造成世界上所有邪恶的根源，但我认为这是一项非常不错的技术。许多其他较新的技术、技术等在混凝土规模上尚未经过太多测试。值得庆幸的是，DOE决定认真对待并投资于混凝土及其他材料的脱碳。因此，这一切正在到来，现在只是时间问题。
很快补充一下，辅助胶凝材料。这些材料是最终研磨的无定形钙铝硅酸盐，它们非常出色，大家都喜欢，因为你可以用这些辅助胶凝材料替代混凝土中很大一部分的水泥。此外，它们实际上还有助于增强强度和耐久性。并不是说每种辅助胶凝材料都有助于混凝土的每一项性质，但一般来说，使用辅助胶凝材料会使你的混凝土更好。最常用的有粉煤灰、矿渣、硅灰，曾经并继续被使用。这些是工业副产品，但由于工业化趋势的变化，我们对这些材料的短缺正在加剧。因此，现在的问题是我们如何识别这些材料。你们听说过Caline C，这是一项非常出色的技术，许多人正在研究；收集的粉煤灰也是另一种选择；天然材料我认为也有很大的潜力。同时，很多人也在研究制造的SCS，例如Terra CO2，热激活、机械化学激活或CO2矿化可以用于潜在地转化或改善惰性原料为反应性材料。因此，我的重点将放在机械化学激活上，主要讨论火山细料和机械化学激活。简单来说，机械化学激活是高能研磨，我们在行星球磨机中进行。在之前的会议中展示了球磨机，行星球磨机略有不同，它具有双重旋转，转速也较高，我们机器的最大转速大约为400 RPM，其他机器的转速可能更高。一般来说，我们讨论过火山细料、矿山尾矿等，但正如我所说，火山细料将是我演讲的重点。机械化学激活中最重要的材料之一是粘土。你之前听说过关于工作性、流动保持的特定问题，一些在碳回收或聚合物领域工作的人展示了机械化学激活可能不会出现工作性问题。理论上，这涉及复杂性，我并不是说你应该对所有的粘土进行机械化学激活，但我想说的是，如果你的粘土的动能含量低于30%，那么机械化学激活它可能具有很大的潜力，无论是在反应性还是工作性改善方面，与Caline CL相比。因此，显然粘土是重点，但其他人也在研究其他材料。我认为Prof Span坐在房间后面，他在使用机械化学激活的多种不同原料方面做了很多出色的工作。其他人也在研究CO2，也就是说，当你在研磨过程中使用高钙和镁的产品时，你加入少量水分，然后用CO2处理。我认为对于某些特定产品，这非常有意义。就我个人而言，我不会对粉煤灰或矿渣这样做，但对于钢渣或回收水泥产品，这可能是一种非常有用的解决方案。
好的，一些结果。我们有一种火山细料，这种材料非常惰性，我们说，嘿，我们要进行机械化学激活，我们改变了BPR，即球与粉末的比率，简单来说，就是充填量与材料量的比率。我们还改变了研磨时间。我们看到一个非常经典的机械化学反应，即比表面积增加，它实际上增加得非常快，然后随着继续研磨而下降。我们认为这与各种聚集、团聚和类似特性有关。我会首先承认，我们还未完全掌握这些聚集体或聚合物的本质，但我们会在某个时刻实现。因此，比表面积从约2增加到5到12之间，所以这是一个非常显著的表面积增加，当然，通过增加表面积，你也提高了反应性。我们看到比表面积随着BPR的增加而减少的趋势。如果你感兴趣，预印本可以在ResearchGate和SSRN上找到，如果你需要，我也很乐意把论文发给你。关于粒度分布，初始粒度分布非常简单，接近正态分布，峰值约为10微米；然后，经过机械化学激活后，这几乎像《分开红海》的行为，得到一个非常复杂的粒度分布，呈现出双模态的特征。因此，我目前的解释是，细料通常小于1微米，当然是通过破碎生成的；而约10微米的颗粒则是未受影响的颗粒或由更大颗粒破碎产生的颗粒；而约100微米的颗粒，则可能是某种聚集体、团聚体等。因此，我们将这些样品放在电子显微镜下，结果与粒度分布的结果相当一致。原始火山细料中，颗粒的形状相当尖锐，大小约为10微米；而经过机械化学激活后，粒度分布显然变得更宽，并且我们确实看到了约10微米的细颗粒和较大的颗粒，这与粒度分布非常一致。我们也看到了某种聚集或团聚行为。我们观察到的一件事是，虽然我们还没有量化这一点，但似乎形态发生了显著变化，即最初的形态为尖锐形状，开始变得有些球形。这对工作性是个好消息，因为你形成了球形或近球形的颗粒。某个时候，我们会投入一些时间，实际上获得一些参数，来说明我们的形状比或球形度的变化，但我们还没有做到。
另一方面，XRD结果对我来说相对容易解释。我们还没有做内部标准的测试，因此我们使用几种不同的方法估算了无定形度。实际上，你可以非常清楚地看到，经过机械化激活后，峰值下降。我意识到，仅仅峰值高度的下降并不一定是定量指标，所以要谨慎对待，但在所有情况下，随着继续研磨，峰值确实是下降的。然而，这里显然存在一些不均匀性，也就是说，有些峰值消失得非常快，而其他峰值则持久存在。我们发现，从定性上讲，峰值消失的难易程度，取决于不同的物质。
在这些颗粒的硬度上，反应性显著地变化。因此，尽管这些只是估算，我意识到这些数据并不完美，但目前这样也可以。
如果我们再次查看非晶化程度，并将其与研磨时间绘制在一起，似乎有一个非常线性的反应，数据点数量有限，但看起来在某个点上会增加，然后趋于平稳，尽管并不是完全水平的。
我们说，所有这些都很好，但这些材料实际上有用吗？我们是否真的使它们具有了反应性？好消息是，我们绝对在使它们具有反应性。
我们进行了经过修订的R3测试，结果显示，随着BPR和研磨时间的增加，反应性也在增加。从这些测试来看，反应性的阈值大约在每克SC中为100焦耳，你可以看到，只要达到一定的研磨时间或BPR，你就可以轻松超过所需的反应性水平。
因此，随着研磨时间和BPR的增加，反应性也在增加。这是我认为比较有趣的结果。
之前我说过，特定表面积的增加显然导致了反应性的增加，但实际上并非如此。我们将各种粒度和特定表面积的测量值与反应性绘制在一起，并没有看到任何相关性。尽管我们可以争辩说，由于气化等原因，我们对粒度和特定表面积的估算可能不够准确，但我认为这是一个合理的论点。
我认为反应性是由非晶体成分驱动的，因为基本上，你可以取一份惰性粉末开始进行粒度分级，但除非你达到纳米尺寸，否则如果某物是惰性的，通常它会保持惰性，无论特定表面积在某些限制内是什么。
在这种情况下，我认为发生的情况是，超过15分钟后，特定表面积实际上并没有变化。因此，反应性的增加主要受前15分钟的控制。
另一方面，当我们将非晶化程度与热释放绘制在一起时，实际上看到了一个非常好的线性相关性，这表明热释放基本上取决于非晶化程度。我们尝试将特定表面积包括在内，单独绘制时并没有看到任何关系。
因此，我们从中得出的结论是，在较宽的非晶体含量范围内，非晶化控制反应性。至于球磨机是否会产生类似的结果，我不确定，因为行星球磨机是一种非常专业的设备。我不知道如果你只使用标准球磨机并长时间研磨，是否会得到相似的结果。
我们实际上测试了许多其他材料，结果显示MCA一般有效，但有一些注意事项。我们发现，当反应性增加时，初始反应性与反应性之间存在一种指数关系。具体关系并不重要，但基本上可以看到，当你取非常反应性材料时，几乎不会对它们产生影响。
因此，假设这些材料已经具有较高的非晶体含量，反应性实际上没有显著变化，因为你并不会大幅增加这些材料的特定表面积。
总的来说，这对于填充材料和具有非常低反应值的材料非常有效，但向前推进时，做这件事并不实用，尤其是因为这是一种能量密集型技术。
关于水泥和砂浆，我们进行了有限的工作，但再次看到非晶化的明显效果，使得生成的材料具有反应性。在30%的替代率下，控制组的热释放值较高，而MCA材料的热释放明显高于原材料，但低于控制材料。
我们还观察到水泥砂浆的工作性有所改善。经过机械化激活后，流动性没有显著下降，这与预期的情况不同。在巴萨尔细料中，工作性仅稍微下降，这很有趣，因为特定表面积实际上显著增加，因此可以推测生成的球形颗粒在某种程度上起到了补偿作用。
我们在抗压强度方面发现，经过7天的养护，性能显著优于原料补充材料。28天后，我们看到电阻率的显著提高，这再次确认我们生成了具有相当反应性的SCM。
最后，我想总结一下，我们在实验室中研究了巴萨尔细料和其他材料的MCA，物理变化非常复杂，似乎生成了三模态的粒度分布，聚集了球形颗粒。但对于反应性，我几乎觉得这并不太重要，非晶化的程度与相位硬度有关，似乎控制了反应性，而生成的球形颗粒似乎改善了工作性。
这仍然是一个进行中的工作，但我们已经展示了MCA对许多不同材料的有效性，反应性的增加取决于初始反应性。我们在水泥和砂浆中观察到了热释放、流动性、强度和体积电阻率的改善。
感谢我的资助者、研究小组以及在场的各位，感谢大家！
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