摘要：近日，东南大学刘松玉教授团队在固碳轻质土技术研究方面取得重要进展，相关研究成果发表在《岩土工程学报》。论文链接：刘松玉, 张翔, 蔡光华, 等. 固碳轻质土制备方法与物理力学性能研究[J]. 岩土工程学报.

近日，东南大学刘松玉教授团队在固碳轻质土技术研究方面取得重要进展，相关研究成果发表在《岩土工程学报》。论文链接：刘松玉, 张翔, 蔡光华, 等. 固碳轻质土制备方法与物理力学性能研究[J]. 岩土工程学报.

01成果简介

在“双碳”战略背景下，岩土工程领域正面临向低碳化、绿色化转型的重大挑战。传统泡沫轻质土虽具备优良的力学性能与施工便捷性，但依赖波特兰水泥作为胶凝材料，其生产过程不仅消耗大量能源与资源，还会产生大量二氧化碳(CO₂)气体（生产1t水泥约排放0.95tCO₂）、粉尘、烟尘以及二氧化硫等有毒气体，是CO₂排放的重要来源。寻求低碳环保、可替代水泥的固化剂来制备泡沫轻质土，对岩土工程低碳化发展具有重要现实意义。

为破解这一难题，刘松玉教授团队基于氧化镁（MgO）碳化固化原理，首次提出固碳轻质土（Carbon Sequestration Lightweight soil, C-LS）制备技术。以MgO和工程废渣土完全替代水泥作为固化材料，创新性地使用CO₂泡沫替代传统空气发泡，直接大幅吸收固定CO₂，固碳的同时消纳固废，实现材料性能与环境效益的双重提升。通过开展室内试验研究，揭示了MgO掺量、湿密度、水固比和碳化时间对C-LS物理力学性能与固碳效果的影响规律，论证了C-LS技术的轻质、高强、低碳的优越性。

本研究首先提出了C-LS的室内制备方法（见图1）：①试验前将土晒干、粉碎和烘干，将MgO和干土按照称量好的比例搅拌均匀，按设计好的水固比添加自来水至固体混合物中，搅拌至混合均匀制成浆液。②同时制备CO₂泡沫，用改装的空压机与CO₂气瓶相连接，将发泡剂与水按1:40的比例混合，制备密度为50kg/m³左右的CO₂泡沫。③将CO₂泡沫加入浆液中直至达到设计的湿密度，制备C-LS浆液。④将C-LS浆液浇筑入模具中，制样完毕后48小时之后脱模，然后按照设计时间进行养护。

C-LS的制备配合比和养护条件如表1所示。研究揭示了MgO掺量、湿密度、水固比和碳化时间对C-LS物理力学性能与固碳效果的影响规律，确定了最优配比（MgO掺量50%、湿密度800kg/m³、水固比0.65），如图2所示，其28天抗压强度可达1.18MPa，碳化养护5天后强度可达1.86MPa。C-LS在一般条件下至少可固碳约65kg/m³；在碳化时间延长至5天的情况下，C-LS试样的CO₂固碳量显著提高，固碳量增至160kg/m³。

图3为C-LS的微观结构模型示意图。MgO、土和水混合后，MgO发生水化反应，生成氢氧根离子(OHˉ)，形成碱性环境；随后加入CO₂泡沫，CO₂泡沫遇水溶解生成碳酸根离子；由于酸碱中和反应，碱性环境会促进碳酸根离子的生成，提高CO₂泡沫的溶解度，使镁离子 (Mg2+)与碳酸根离子充分发生碳化反应，生成一系列碳化产物，包括水碳镁石、球碳镁石和三水碳镁石；此外，MgO为内部的碳化反应提供了活性位点，可以使得C-LS内部的碳化反应持续发生。与传统的MgO碳化固化技术相比，C-LS内部CO₂泡沫的碎裂就可以发生碳化反应，形成C-LS强度，外部加速碳化可以进一步提高C-LS的强度。

固碳轻质土（C-LS）技术不仅满足公路路基等工程填筑强度要求，还可大规模消纳工程渣土和固定CO₂。相较传统泡沫轻质土，其制备全流程实现“碳源→碳汇”的转变。刘松玉教授团队前期在《岩石力学与工程学报》发表了“蛇纹石基固碳轻质土制备与物理力学性能研究”论文（链接：https://rockmech.whrsm.ac.cn/CN/Y2025/V44/I2/472），采用CO₂作发泡气体制备蛇纹石基固碳轻质土(S-LS)，提出了蛇纹石基固碳轻质土的制备和设计应用方法。团队研发的系列固碳轻质土技术在交通、市政、地下空间等领域推广应用前景广阔，为岩土工程行业实现碳中和目标提供全新路径。

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来源：固废利用与低碳建材