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Environ. Sci. Technol. : 土木工程材料碳矿化综述：文献计量分析

A Comprehensive Review of Mineral Carbonation of Civil Engineering Materials: A Bibliometric Analysis

土木工程材料碳矿化综述：文献计量分析

出版年份：2025年

来源：Environmental Science & Technology

第一作者：浙江工业大学土木工程学院 ＆ 全省滨海基础设施绿色建造与智能运维重点实验室 宋宇峰 博士后

通讯作者：浙江工业大学土木工程学院 ＆ 全省滨海基础设施绿色建造与智能运维重点实验室 施韬 教授

碳矿化、土木工程材料、文献计量、二氧化碳封存、固废

自工业革命以来，大气中CO₂浓度持续上升。全球年排放量已超过360亿吨，并呈持续增长趋势。CCUS技术是实现CO₂封存的有前景策略，根据国际能源署评估，为实现2050年温室气体排放减半目标，CCUS技术需贡献约20%减排量。CCUS主要包括海洋封存、地质封存和矿物封存三种方式。在海洋封存技术中，捕获的CO₂通过船舶或管道运输至深海海底进行储存，但该方法存在成本高昂、引发海洋酸化等问题，同时海水中高浓度CO₂可导致海洋生物死亡，且溶解的CO₂最终可能重新释放到环境中；地质封存是将超临界CO₂注入多孔渗透性地质构造中，但存在CO₂泄漏和地层变形等风险，且其反应时间可能长达数千年。相比之下，矿物封存因具有永久性、环境安全性高且无需后期监测等优势，近年来受到广泛关注。

碳矿化技术是矿物封存领域的核心技术手段，由Seifritz于1990年提出，其定义为含钙、镁等金属的原材料与CO₂反应生成不溶性碳酸盐的过程。文献调研表明，碳矿化原材料主要可分为两类：（1）富含钙、镁的天然矿石；（2）土木工程材料（包括OPC体系、镁基水泥体系、工业固体废物、建筑固体废物、矿山尾矿等）。已有文献分别围绕上述主题展开了大量探索。

目前仍缺乏对土木工程材料碳封存的全面综述，且研究发展动态缺乏量化分析。

本文基于Web of Science数据库，针对MC-CEM研究（图1a）开展文献计量分析，检索时间范围为2000年1月~2024年5月，最终筛选并分析了MC-CEM领域内的1053篇研究型论文。通过模糊综合评价方法识别了MC-CEM领域的关键期刊，并对17种土木工程材料的CO₂封存量进行了归一化分析，以筛选高碳封存潜力材料。此外，需要说明的是，由于生物炭、沥青、塑料和木材碳封存机制与本文定义的碳矿化机制不同，故未纳入本文研究范围。

在文献计量分析之前，首先分析了1990年以来MC-CEM领域论文年发文量（图1b）和学科分类（图1c）。图1b展示了MC-CEM领域1990年1月~2024年5月的年度出版物数量发展趋势，该过程可分为两个阶段：（1）第一阶段为1990~2012年，年发文量较少；（2）第二阶段为2013年至今，年发文量呈逐步且稳定增长趋势。2019~2024年期间，学术界开始对碳矿化开展系统研究，相关出版物数量急剧增加，该趋势与环境及气候变化议题关注度持续提升相一致。图1c表明MC-CEM具有明显多学科交叉特征，主要涉及工程、材料科学和建筑技术领域。

2000年1月~2024年5月的MC-CEM领域研究论文关键词共现分析见图2a。其中，红色、绿色和蓝色簇分别代表MC-CEM研究中的“材料”、“方法”和“性能”。其中，红色簇包含关键词数量最多，表明可碳矿化材料研究范围日益广泛；绿色簇主要关注碳矿化研究中采用的方法；蓝色簇侧重材料矿化后性能。图2b展示了2000~2024年期间前20个热点关键词。热点关键迭代速度非常快，除“storage”外，其余关键词热点时间均在两年内。而“storage”在2016~2021年长期处于热点状态，表明碳封存是矿化领域内重点研究内容。此外，热点关键词由早期的carbonation、accelerated carbonation，逐步演进至waste、life-cycle assessment，并进一步发展至最新的carbonation curing、mechanical properties等，反映出碳矿化热点研究逐渐深入和细化。

MC-CEM研究中发文量排名前三的期刊（图2c）分别为Construction Building Materials（119篇）、Journal of Cleaner Production（81篇）和International Journal of Greenhouse Gas Control（74篇）。综合考虑平均被引量、发文量及是否开源等参数的模糊综合评价方法，对相关期刊进行排序后，排名前三的期刊分别为Cement Concrete and Research, Journal of Cleaner Production 和Renewable & Sustainable Energy Reviews，表明上述期刊适合读者获取MC-CEM领域重要研究进展。

论文发表数量最多的国家为中国（图3a和3b），共发表388篇，且与其他国家合作关系也最为密切，表明其在碳矿化研究领域具有重要地位和影响。但中国论文平均标准引用次数为1.05（经过发表年份校正的可公平比较指标），尚未进入全球前十。发文数量第二名和第三名的国家分别为美国（182篇）和英国（99篇）。中国出版物数量最多，且近年来稳步增长（图3g），并与多国保持密切合作，这得益于中国2020年提出的“双碳”战略和大量科研资金投入。欧盟、美国和日本已经分别于1990年、2007年和2013年实现了碳达峰，并计划到2050年实现碳中和。因此，上述国家平均年出版增长率较低。

在高被引论文方面（图4），Scrivener的论文被引频次最高，该研究总结了水泥基材料行业中降低CO₂的潜在解决方案，并阐述了碳矿化养护混凝土的方案。Pan的研究聚焦于废弃物碳矿化的CCUS技术，与可视化关键词一致。此外，其他高被引论文的研究内容还涵盖水泥基复合材料的碳矿化养护和生态水泥等。

土木工程材料的CO₂封存量与其氧化钙/氧化镁含量及存在形式相关。本文对62篇论文中的17种土木工程材料CO₂封存量数据进行了归一化比较，从而加深对不同材料矿化潜力的深入理解。如图11b所示，依据东南大学冯攀教授的研究，不同土木工程材料可根据CO₂封存量水平划分为极高活性（>200 g/kg）、高活性（100~200 g/kg）、低活性（50~100 g/kg）和极低活性四类（<50 g/kg）。

电石渣、RMC和β-C₂S属于极高活性材料，这归因于上述材料可碳化组分含量高。例如，电石渣中Ca(OH)₂含量高达85~95%，因此表现出最高的CO₂封存量（平均值为517.8 g/kg）；RMC和β-C₂S中分别富含可碳化Mg(OH)₂和C₂S。

胶凝材料方面，RMC的CO₂封存量（平均值297.1 g/kg）显著高于OPC（平均值101.2 g/kg）。尽管RMC生产过程中碳排放量高于OPC，但其优秀的碳封存能力使其净碳排放量较OPC降低约73%。由于RMC体系中可碳化Mg(OH)₂含量更高，氯氧镁水泥、硫氧镁水泥和磷酸镁水泥的CO₂封存量明显低于RMC。此外，与RMC相比，上述三类镁基水泥体系的早期强度更高且微观结构更致密，限制了CO₂扩散，导致其CO₂封存量低于RMC。

固废方面，粉煤灰、矿渣、尾矿的CO₂封存量普遍较低（<50 g/kg），因而需采取活化措施以激发其矿化潜力。在碳拌合（CM）技术中，CO₂在混凝土中的溶解与扩散速度较慢，且碳矿化时间通常有限，导致CM的CO₂封存量同样偏低。有必要开发合适的添加剂或改进碳矿化装置与工艺，以提高CO₂封存量。然而，上述措施往往伴随着成本和能耗增加。

本文对土木工程材料碳矿化研究进行了全面综述，通过对2000年1月~2024年5月期间发表的1053篇相关论文开展了文献计量分析，阐明了水泥基材料、工业固废、建筑固废和矿山尾矿等材料经碳矿化后的性能演化规律及影响因素。主要结论如下：

（1）MC-CEM研究关键词可归纳为“材料”、“方法”和“性能”三类。近二十年来，MC-CEM领域关键词迭代迅速，表明该方向为研究热点，且近年取得显著进展，其中“封存”（storage）作为热点关键词的持续时间最长。发文量排名前三的期刊分别为Construction Building Materials（119篇）、Journal of Cleaner Production（81篇）和International Journal of Greenhouse Gas Control（74篇）。基于模糊综合评价方法的期刊排序结果显示，排名前三的期刊分别是Cement Concrete and Research、Journal of Cleaner Production和Renewable & Sustainable Energy Reviews，表明上述期刊是获取MC-CEM领域重要研究进展的主要来源。

（2）按发文量排序，中国（388篇）、美国（182篇）和英国（99篇）位居前三，这与各国碳政策及研发投入密切相关；而按平均标准引用次数排序，瑞士、英国和日本位列前三。尽管中国发文量近年来保持稳步增长，但其平均标准引用次数（1.05）仍未进入全球前十。

（3）在碳矿化养护条件下，水泥基材料中生成钙/镁碳酸盐，从而实现早期强度快速提升并改善耐久性；建筑固废经CO₂养护后，再生骨料和再生粉体性能得到优化，同时可部分抵消施工过程产生的CO₂。

（4）工业固废方面，钢渣、赤泥、电石渣、煤矸石、粉煤灰、石膏和高炉矿渣等已被广泛用于碳矿化研究，其中钢渣碳矿化最受关注。生命周期评估表明：碳矿化具有环境效益，但可能对经济效益产生负面影响；廉价易得的矿山尾矿虽具碳矿化潜力，但多数尾矿CO₂封存量较低。

（5）综合而言，电石渣、RMC和β-C₂S的CO₂封存量高（>200 g/kg），而粉煤灰、矿山尾矿和碳拌合的CO₂封存量较低（<50 g/kg）。需通过适宜添加剂、优化碳矿化装置与工艺等活化措施激发其矿化潜力，但会造成成本与能耗提高。

MC-CEM研究的文献计量分析结果表明，矿化对象、矿化方法、碳矿化后的材料性能和环境评估是当前重点关注内容。然而，MC-CEM研究中存在的诸多评估方法和学术名词（如CO₂封存率、矿化程度和矿化效率等）可能引发理解偏差和概念混淆，有必要进行方法规范化和概念厘清。同时，需对生命周期评价方法进行改进，使其不仅限于从“摇篮”到“大门”的系统边界，还应关注分配方法和不确定性分析对碳矿化产品生命周期评价结果的影响。

MC-CEM技术在工程应用中面临经济性、环境效益和可拓展性方面挑战。例如，碳矿化OPC体系pH低于原始OPC体系，可能导致钢筋腐蚀；与OPC系统相比，镁基水泥体系pH更低，同样不利于钢筋钝化，且其原材料成本更高。固体废物来源特性不稳定性会影响碳矿化效果，并阻碍标准化碳矿化方案开发。此外，CO₂捕获、碳矿化材料运输和高能耗养护工艺会产生不可忽视的费用和能耗。例如，生产碳矿化混凝土的成本较常规混凝土高出约35%。受高昂成本和不成熟工艺链限制，相关技术仍处于实验室阶段，且由于缺乏相关标准，MC-CEM的大规模商业应用受到阻碍。因此，需要制定基于性能的产品标准和评价指标，以支持MC-CEM的使用。相关材料可先应用于非承重或低承重构件，逐步提升应用信心。此外，应统筹优化拆除、回收、CO₂获取和施工现场布局，以实现经济和环境效益。通过建立信息平台、加强合作论坛和有效经济激励措施，可促进政府监管机构、企业和研究机构等多方协同，推动MC-CEM技术的工程应用。

翻译：

宋宇峰         博士后           浙江工业大学

刁秀腾         博士生           浙江工业大学

校核：

高宇飞         硕士生           沈阳建筑大学

排版：

王晓雨         硕士生           湖北工业大学

施   韬         教   授           浙江工业大学