二氧化碳对不同类型混凝土性能的影响综述

摘要：随着全球对碳排放和气候变化的日益关注，二氧化碳的排放及处理成为当下的主要热点之一。在建筑材料领域，研究探讨二氧化碳与混凝土性能之间的关系则是目前最主要的课题。为此，本文综述了国内外对二氧化碳对再生骨料混凝土、泡沫混凝土、固废轻质混凝土、普通混凝土等性能影响的研究成果，系统归纳和总结了二氧化碳的碳化机理，对混凝土力学性能、耐久性的影响。初步得到了二氧化碳的碳化作用可以提高混凝土的强度和耐久性，但也导致了混凝土裂缝产生、性能劣化等结论，以及二氧化碳在再生骨料、泡沫混凝土等中的不同表现。通过本文，旨在强调在混凝土设计、制备和服役中应考虑二氧化碳影响的重要性，更好地促进混凝土建筑材料的发展和应用。

关键词：二氧化碳；再生骨料；泡沫混凝土；固废；碳化

引言

随着我国经济的快速发展，取得巨大收益的同时我们也付出了极大的环境代价，为了应对全球气候变化，我国提出到2030年实现碳达峰、到2060年实现碳中和的战略目标，在该“双碳目标”背景下，加强对可持续资源的再利用以及减少二氧化碳等气体的排放[1,2]。近年来，国内外关于二氧化碳在混凝土中的碳化、矿化作用进行了大量研究，对二氧化碳浓度、养护压力、养护时间等进行了研究，探讨了二氧化碳对矿渣、粉煤灰、钢渣等固废混凝土性能的影响，开发设计了混凝土二氧化碳养护方法及工艺，极大地促进了混凝土材料的发展[3,4]，而目前关于二氧化碳对不同类型混凝土性能的影响缺少系统地归纳和总结，有待进一步研究和探讨。

本文基于作者长期的工作经验，以及对国内外建筑材料研究的关注和学习，主要综述了二氧化碳对普通混凝土、再生骨料混凝土、泡沫混凝土、固废轻质混凝土等性能影响，分析了二氧化碳在力学性能、耐久性、环境适应性、混凝土微观结构等方面的表现，综合归纳和总结二氧化碳在混凝土性能优化中的潜在应用价值，旨在为二氧化碳在建筑材料领域的研究和实际应用提供一定参考和指导。

1二氧化碳利用

1.1 碳化机理及反应活性

水泥是混凝土中的主要成分，目前常用水泥多为传统硅酸盐水泥。因此，二氧化碳在混凝土中的碳化作用主要表现为与水泥中水化物的反应，而二氧化碳的碳化机理为三阶段[5-7]：（1）水泥水化反应，该阶段水泥中离子析出，水发生反应生成水化产物，主要包括氢氧化钙（Ca(OH)₂）、硅酸钙水合物（C-S-H）等，提供大量的钙离子，硅酸钙水合物占水合物总体积的60%以上，是与二氧化碳反应的主要水合物之一，与二氧化碳发生反应的水化物见图1蓝色部分所示；（2）二氧化碳的溶解吸收，因混凝土是多孔材料，空气中的二氧化碳通过孔隙进入，溶解到混凝土中形成碳酸根离子；（3）碳酸化反应及方解石形成，碳酸根与氢氧化钙、硅酸钙水合物等反应，形成稳定碳酸钙，从而使得混凝土具有较好的稳定性。

二氧化碳的碳化机理，简要概述即二氧化碳在水泥基材料孔隙扩散、溶解和电离，水泥熟料及水泥水化物中钙离子的析出，以及碳酸钙产物的形成，碳化作用下碳酸钙具有很好稳定性，从而能够稳定地封存二氧化碳[8]，相关反应过程及机理见Li,Linkun、Chang,Honglei等学者[9-12]的研究。

1.2 反应系统及处理

二氧化碳碳化系统可分为二氧化碳养护反应系统和二氧化碳直接碳化反应系统[13]。根据二氧化碳碳化过程中材料的暴露环境，碳酸化可分为气固碳酸化和水性碳酸化反应，气固碳酸化一般是在相对的湿度、温度条件下进行二氧化碳的封存；水性碳酸化是将二氧化碳气体注入水中，在水中与矿物反应进行二氧化碳的封存，见图1所示。

泡沫混凝土碳化反应装置常见由二氧化碳气瓶、耐压管路、吸液泵、搅拌桶等构成，可在一定的封闭空间进行制备或养护，从而对二氧化碳浓度、养护压力等有很好地调控，混凝土的二氧化碳养护一般可结合干燥预处理等工艺，从而探讨了二氧化碳在不同温度、湿度条件对混凝土的碳化反应程度及对混凝土内部环境的影响，可根据碳化变量实现对混凝土致密化处理，实现对混凝土力学等性能的调控[14-16]，反应装置参见图2所示。

2不同类型混凝土

2.1普通混凝土

硅酸盐水泥是目前制备混凝土的最主要材料，硅酸盐水泥的应用已经比较成熟。Phung Q T等[17]研究了干硬性混凝土在二氧化碳养护下性能变化，得到了经二氧化碳养护后混凝土孔隙率明显下降，生成结晶度较高的碳酸钙，混凝土微观结构得到明显改善，但混凝土孔隙中碳酸盐沉淀的积累也会降低二氧化碳碳化速率。邵一心等[18]发现波特兰水泥2h碳化吸收了14%二氧化碳后的强度与7d传统养护的强度相差不大，故而表明了二氧化碳碳化可显著增强混凝土强度。同时，二氧化碳养护可以使硅酸盐水泥混凝土更早成型，缩短混凝土养护周期，有效固化二氧化碳气体。此外，二氧化碳在硅酸盐水泥中的自然碳化受到气体扩散速率的影响，相对湿度在50%～70%条件下可以实现碳化最大化，对二氧化碳碳化封存率高达25%以上[19]。

综上所述，二氧化碳碳化作用会改变混凝土微观结构，混凝土中形成大量碳酸盐沉淀，混凝土强度得到了提升，同时有效缩短了混凝土养护周期，节约了养护成本，实现了对二氧化碳气体的有效利用。

2.2再生骨料混凝土

再生骨料混凝土是由废弃建筑垃圾经过破碎、筛选之后得到的不同颗粒级配的粗细骨料，与水、胶凝材料等混合制备的混凝土[20]，由于再生骨料混凝土表面存在原有砂浆等成分，与天然骨料相比具有孔隙率高、表观密度低、含水率和吸水率高等不足，导致再生骨料混凝土性能低于天然骨料混凝土[21]。为此，国内外学者针对二氧化碳对再生骨料混凝土的强化作用进行了深入地研究和探讨，研究思路见图3所示。

二氧化碳对再生骨料的强化机理，表现为二氧化碳通过粘附砂浆的孔隙与氢氧化钙及未水化水泥熟料钙、镁离子等发生碳酸化反应，形成稳定致密碳酸钙和硅胶填充水泥浆体的孔隙和空隙[22-24]，强化了骨料与砂浆的界面过渡区，改善了骨料收缩率、抗渗率、吸水率等物理性质，实现了对废弃建筑物旧骨料的再利用。

李烨等[25、26]利用废弃硬化水泥浆制备再生胶凝材料，通过二氧化碳养护可提高水泥浆体力学性能，但浆体抗渗性却有所降低，骨料吸水率降低，浆体碱度下降导致钢筋锈蚀风险的增加。程雄飞等[20]介绍了二氧化碳养护可以增加混凝土的强度和耐久性、改善了混凝土的性能，同时介绍了温度、湿度、养护时间、养护压力及二氧化碳浓度等养护条件对再生骨料混凝土性能的影响，以及再生骨料种类、胶凝材料、水胶比等影响因素。关于再生骨料混凝土抗氯离子渗透性等问题，宋宝仓等[27]研究了碳化对二氧化碳强化再生骨料混凝土氯离子抗渗性能的影响，结果表明二氧化碳强化混凝土的抗氯离子渗透性能，对全再生骨料混凝土，性能提升了11.3%，碳化反应后混凝土密实度大幅提高。关于二氧化碳浓度、养护压力等对碳化作用的影响，赵增丰等[28]进行了测试和分析，表明了碳化程度随着浓度的增加而增加，而高浓度的二氧化碳使得再生骨料表面快速形成致密结构降低了扩散率，碳化作用反而有所降低；加压有利于碳化反应的进行及骨料的强化，但过高的压力也会导致骨料的性能受到破坏；此外，碳化时间也是影响碳化速率的关键因素，时间过长也会影响碳化速率的增长，而碳化时间一般在24h～72h就可以获得较高的碳化程度。Liang,Chaofeng等[29]分析骨料粒径与二氧化碳碳化效率之间的关系，发现小粒径骨料具有较高的碳化效率，进一步表明碳化可以改善旧骨料的孔隙结构和界面过渡区，有利于再生骨料混凝土性能增长。Tam,Vivian等[30]表明经过碳化处理的再生骨料混凝土抗压强度、抗折强度和抗弯强度等比原始混凝土低10%，但比未经碳化处理的再生骨料混凝土高20%，再一次表明碳化处理可以提高再生骨料混凝土的力学性能。

综上所述，二氧化碳碳化处理可以有效改善再生骨料混凝土力学性能、耐久性等，有效固定了二氧化碳减少碳排放量，同时对废弃建筑材料等进行了再利用，大幅度减少对自然资源的消耗。但目前关于二氧化碳碳化处理的研究仍存在不足，对再生骨料进行的碳化过程中，可以考虑二氧化碳浓度、压力、相对湿度等多因素耦合研究，寻找到最佳碳化效率。此外，二氧化碳碳化处理后降低了混凝土内部的碱度，不利于混凝土内部钢筋的抗锈蚀，因对本问题进行着重考虑。

2.3泡沫混凝土

泡沫混凝土是由水泥、水、发泡剂、骨料等为原材料，通过机械搅拌或化学发泡，经过浇筑成型和养护得到的一种轻质混凝土，具有密度小、隔热隔音性能优越等特点，但也存在吸水率大、强度低等不足[31]，为此，使用二氧化碳碳化技术对泡沫混凝土进行强化处理是可行的。

苏运辉[31]研究表明经适当碳化处理后，生成的碳酸钙结晶物会填充到孔隙中，泡沫混凝土孔隙率减小，孔结构得到优化，从而增强了混凝土的强度，但过度强化反而导致强度下降和孔隙率的增大，这主要与过度碳化导致混凝土产生裂缝有关。梁淑哲等[32]在进行发泡前对混凝土进行碳化预处理，见图4所示，进一步表明二氧化碳碳化可以增强混凝土的早期强度和28d强度，且可以有效改善混凝土孔隙结构，提高发泡剂的发泡效果。

由于发泡混凝土的高孔隙率，使得发泡混凝土具有优越的固碳能力，固碳率高达6.27%～10.36%[33]，经碳化处理后发泡混凝的有害孔数量减少，气孔结构更细，混凝土强度也得到了增长[34]。对于发泡混凝土的固碳机理，与传统混凝土固碳机理是类似的，二氧化碳与混凝土中水化物等发生反应。此外，发泡混凝土对二氧化碳的封存体现在混凝土的骨架固碳、混凝土中气孔储碳两方面，表现出极大的二氧化碳吸收能力[35]。国外学者Liu,Qiong等[36]也研究表明经过碳酸化处理的混凝土孔隙尺寸从150～1200微米显著减小到50～600微米，碳化产生碳酸钙沉淀填充孔隙使得混凝土强度得以提高。

Zhang,Yiming等[37-39]研究泡沫混凝土的孔隙结构和性能，表明了二氧化碳引入可以加速水泥水化，使水泥快速硬化，使得新鲜混凝土在气泡在消失之前得到有效利用，起到了稳定泡沫的能力，增强了C-S-H凝胶的密度，细化了混凝土微观结构等。

综上所述，二氧化碳碳化作用可以减少泡沫混凝土的孔隙率，细化混凝土微观结构，从而有利于混凝土强度的提高，同时二氧化碳在泡沫混凝土中可以发挥稳定泡沫的作用，加速水泥的凝结和硬化，但目前关于二氧化碳碳化作用对泡沫混凝土隔热隔音、抗渗研究较少，故而二氧化碳对泡沫混凝土性能的影响机理未形成一个完整的框架。

2.4固废轻质混凝土

固废轻质混凝土是以工业固体废物为主要原材料，制备的混凝土，常见的固废有粉煤灰、矿渣、钢渣、电石渣、生物炭等，结合二氧化碳养护技术，不仅可以实现对工业固废的资源化利用，同时也能实现对二氧化碳的有效固定，满足低碳绿色的发展理念[40]。

孙一夫[41]以粉煤灰和钢渣为主要原材料，探讨了养护压力对混凝土强度的影响，结果表明随着压力的增加，强度也随着增加，但是压力的过度增大使得混凝土内部反应过快，碳化反应后的产物体积膨胀使混凝土结构受到破坏，导致混凝土强度的下降，这与普通混凝土受养护压力的机理相同。刘晓琴[42]以粉煤灰和矿渣为原材料，对比两者碳化程度，研究发现单掺50%粉煤灰试件的碳化程度比单掺50%矿渣高，且粉煤灰混凝土经过碳化后，强度的增幅随着碳化程度的增高而增高；轻骨料强度性能在粉煤灰掺量20%～40%时达到最佳，且合适的水胶比可以提高粉煤灰骨料的固碳率，较低的养护压力也能有效避免微裂纹的产生，从而有效提高骨料混凝土的力学性能[43]，同时碳化可以有效抑制重金属离子Cu、Pb、Zn的析出，避免对环境造成污染[44]。刘日鑫等[45]研究了二氧化碳养护对电石渣固废混凝土性能的影响，得到试件经过碳养护1h后，抗压强度高于自然养护7d的强度，接近28d的强度，明显增强了混凝土的早期强度。电石渣作为产量巨大的工业固体废弃物，含有大量钙离子可与二氧化碳形成碳酸钙，具有较高的二氧化碳吸收能力，从而实现了“以废治废”的目标[46,47]。

Tang,Yihong等[48]以生物炭为原材料，研究也表明生物炭可以封存大量二氧化碳。Cheng,Xu等[49]以钢渣为原材料，搅拌过程中引入二氧化碳可以和钢渣协同提高混凝土的早期强度，增强了混凝土早期水泥水化。钢渣的引入提高了碳化固化程度，并减轻了二氧化碳碳化对混凝土的不利影响，同时也观察到干燥预处理时间对钢渣混凝土碳化程度的影响，见图5所示，图中紫色表现越明显越表明混凝土没有受到碳化作用。

综上所述，不同类型固废制备的混凝土在二氧化碳碳化作用下，对碳化作用表现形式存在部分相同特征。但是细化到对养护浓度、时间、压力上却存在差别，对混凝土性能的贡献及影响程度不一。为此，可以在评价固废重金属污染条件下进行合理的选择，进而对固废进行最大化处理和综合应用。

3结论和展望

本文综述了二氧化碳浓度、养护压力、湿度、干燥预处理等条件对普通混凝土、再生骨料混凝土、泡沫混凝土、固废轻质混凝土等性能的影响，明确了二氧化碳碳化机理及对混凝土力学性能、微观性能、耐久性能等的影响机理，通过对机理的分析和研究有助于开展二氧化碳与混凝土材料之间的研究。通过本文综述，我们可以发现目前的研究多集中于碳化作用对力学性能、耐久性、环境适应性方面的研究，而针对二氧化碳多因素耦合研究较少，且与近年来使用广泛的外加剂、掺合料等结合研究相对较少，为此，广大学者可以针对此方向进行深层次的探讨和学习。

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