水泥基材料的CO₂強化技術研究綜述

摘要：本文分析了水泥基材料的CO2強化技術的三個研究方向：CO2養護技術、CO2強化再生骨料技術、內摻CO2強化技術。得出了如下結論：用CO2養護技術制備混凝土制品的生產周期大幅度降低，能顯著提高產品的生產效率，改善水泥漿體的孔隙結構；廢棄混凝土再生骨料經CO2強化后性能明顯提升；內摻CO2強化技術可以改變水泥水化過程，對水泥基材料的綜合性能產生一定的提升作用。

關鍵詞：CO2強化技術；水泥基材料；耐久性

中圖分類號：TU528文獻標志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.048

基金項目：遼寧省創新能力提升聯合基金項目（2022-NLTS-12-2）。

0引言

溫室氣體排放導致的全球變暖趨勢是當今世界面臨的最大環境問題，而CO2排放量的增加是造成地球溫度升高的重要因素之一[1]。水泥制造行業作為我國CO2的主要排放源，在水泥生產過程中不僅消耗大量電力能源，還因其生產工藝特點，不可避免地排放大量CO2。據統計，生產1噸普通硅酸鹽水泥的CO2排放量約為0.8～1噸。因此，水泥行業的脫碳問題一直是全球關注的焦點。隨著我國城鎮化進程的加速，對水泥的需求也會不斷增加，水泥行業的碳減排壓力日益增大。

為了積極應對水泥行業排放的CO2對環境造成的影響，世界各國先后開展了CO2在水泥基材料中的應用研究。研究主要涉及三個方向：一是CO2養護技術，該技術利用CO2這種酸性氧化物與水泥中的CaO等堿性氧化物發生化學反應，生成硬質碳酸鈣，從而加速水泥產品的固化和成型[2]；二是CO2強化再生骨料技術，該技術通過CO2與廢棄混凝土骨料表面的氫氧化鈣和水化硅酸鈣反應，生成碳酸鈣和硅酸鹽，填充骨料縫隙，提高再生骨料的密實度并降低吸水率；三是內摻CO2強化技術，該技術將CO2、碳酸鹽、碳酸氫鹽的一種或多種混合物直接摻入混凝土中，以提升混凝土的綜合性能。

1CO2養護技術

CO2養護技術的化學反應機理：CO2溶于水后電離形成碳酸根或碳酸氫根離子，這些陰離子與水泥熟料中的鈣離子發生化學反應，形成穩定的碳酸鈣礦物質，進而促進水泥基材料的硬化與強度發展。利用CO2養護技術制備的水泥基材料具有較好的尺寸穩定性[3]。

CO2養護技術的基本流程：將待處理混凝土制品放入特殊設計的壓力容器中，當容器中的真空度達到600 mmHg時，保持壓力2 min，然后通入一定量的CO2，根據混凝土制品的尺寸調節容器內壓力，并通過調節器控制CO2流量。研究表明，不同的養護工藝參數，如預處理條件、養護時間和CO2壓力，均會對混凝土制品養護的結果產生影響。

各國研究機構和學者對CO2養護技術進行了大量細致的研究，主要集中在CO2狀態、混凝土微觀結構和性能的影響方面。Short等[4]研究表明，超臨界CO2表現出混相特征，加速了混凝土的強化效果和碳化過程，極大地提高了混凝土的致密度，降低了材料的孔隙率。并且，混凝土材料的強度增長與超臨界CO2的強化效果息息相關，超臨界CO2的強化效果對強度大的材料不明顯，反而對強度較小的材料有明顯的增強作用，在最佳的養護條件下，其強度可提升75%。CO2養護技術對混凝土的微觀結構也產生了顯著的影響，得益于CO2在水泥中的水解作用，水泥顆粒可水化成C-S-H凝膠和鈣礬石晶體，消耗掉了初期產生的碳酸鈣，改善了水泥砂漿的孔隙率和孔徑。有研究表明，CO2養護技術可以顯著提升砂漿和混凝土的綜合性能，具體表現在經適當養護工藝處理后，1天齡期的水泥砂漿的早期強度顯著增加，吸水率降低15%～30%，抗滲性能明顯得到改善[5]。另外，適當的預養護工藝也會提升混凝土制品的抗壓強度、斷裂韌性和凍融耐久性等性能，并能縮短產品的生產周期，提高生產效率。

2CO2強化再生骨料技術

廢棄混凝土骨料表面的水泥中含有氫氧化鈣和水化硅酸鈣，這些成分與CO2反應，生成碳酸鈣和硅酸鹽，這些生成物填充了骨料中的縫隙，提高了再生骨料的密實度并降低了吸水率，改善了再生混凝土的抗滲性、抗凍性、抗碳化和抗氯離子滲透性等性能。Zhan等[6]研究指出，CO2強化技術可以增加再生骨料的性能，提高再生骨料的致密度，降低孔隙率，抑制吸水率的增加。應敬偉等[7]則研究了強化技術對再生骨料表觀密度、堆積密度、吸水率和壓碎指標的影響，并得出經CO2強化處理后的再生骨料性能全面得到提升的結論。

3內摻CO2強化技術

3.1直接注入CO2技術

直接注入CO2技術是最直接的強化技術，但由于缺乏對工藝和反應機理的深入研究，處理效果千差萬別。有研究人員采用直接摻加固體CO2（干冰）的方式對廢舊混凝土進行強化。處理結果表明，干冰與Ca（OH）2發生反應形成碳酸鈣，可以在一定程度上提升混凝土的強度，但干冰在水泥水化的過程中會發生氣化現象，使混凝土內部形成孔隙，降低了混凝土的長期強度[8]。為了避免這種氣化現象的發生，查曉雄等[9]在再生混凝土中加入了鋁硅酸鹽，增大了對CO2的吸收量，可以在界面處形成更多的碳酸鈣，從而改善了再生骨料與水泥的界面狀態，填充了再生混凝土的孔隙，使得混凝土整體強度增加，提高了再生混凝土構件的綜合性能。

3.2碳酸鹽化合物摻雜技術

碳酸鹽化合物一般指碳酸鹽/碳酸氫鹽，其摻雜技術的強化機理為：水泥水化過程中碳酸根離子與Ca（OH）2反應產生難溶于水的CaCO3，抑制硅酸凝膠的轉化，進而提升混凝土性能。從已有的研究來看，碳酸鹽/碳酸氫鹽的種類包括碳酸鈣、碳酸鋰、碳酸鈉及碳酸氫鈉等，而且為了更好地增強強化效果，也有將無機-有機化合物復配的研究案例。

納米碳酸鈣摻雜強化技術主要利用納米顆粒的典型物理特性以及對界面性能的改善作用。研究表明，混凝土中摻入納米碳酸鈣可以降低氫氧化鈣在界面處的密集分布和定向排列[10]。納米CaCO3能提供大量的成核位點，形成超高密度C-S-H，進而增強界面區，有助于改善界面的綜合性能，尤其是對超高性能水泥基復合材料的力學性有非常明顯的促進作用。

由于碳酸鋰鹽的化學性質和特殊結構，其強化作用也表現出不同的方式[11]。碳酸鋰可以改變硫酸鋁鹽水泥的水化歷程，抑制水化誘導期，使其直接進入加速期，從而加速了硫鋁酸鹽水泥的凝結。碳酸鋰還可以通過加速水化速率的方式對硫酸鋁鹽水泥的強度產生影響。碳酸鋰的加入使得早期水化放熱量增加，從而提升了早期抗壓強度和抗折強度，但碳酸鋰同時會降低后期水化放熱量，由此導致硫酸鋁鹽水泥的后期抗壓強度和抗折強度下降。碳酸鈉和碳酸氫鈉作為水泥外加劑已經被證實有強化作用，各國研究者們對其強化機理進行了深入的研究。碳酸鈉可以延長水泥凝結時間，提升混凝土早中期強度，但對后期強度影響不大。碳酸氫鈉則可以實現更為均勻的強化效果，由于水解特性，其可以顯著減少水泥砂漿的膨脹，當添加量小于5%時能顯著提升混凝土強度。

由于無機鹽固有的化學特征，單純添加無機鹽對于混凝土的強化效果有限。有研究人員開發了無機-有機強化配方，結果表明，復配外加劑可以增強流動性混凝土的強度，從而對混凝土整體性能有大幅提升[12]。

4結論

本文論述了CO2強化技術，具體包括CO2養護、強化再生骨料、內摻CO2等對水泥基材料整體性能的影響。三種技術各自存在優缺點，還需進行進一步研究，以推動CO2強化技術在水泥行業的應用。

1）CO2養護強化技術可以顯著提升水泥基材料的整體性能，還可以縮短混凝土制品的生產周期，提高生產效率，但此技術吸收的CO2量較少，后續研究工作應重點集中在CO2養護工藝、高效率養護設備的研發。

2）再生骨料強化技術可以提升再生混凝土的抗滲性、抗凍性、抗碳化和抗氯離子滲透性等性能，為再生骨料的大規模應用提供了理論基礎，但對其長期性能的演變規律還缺乏深入研究，后續研究工作應重點關注高性能混凝土耐久性機理。

3）內摻CO2技術是最直接的封存CO2的強化技術，但需要加快研發內摻CO2的工藝和設備；對碳酸鹽/碳酸氫鹽摻雜技術的研究應重點放在經濟性和耐久性的相關聯系上；無機-有機強化配方綜合了無機碳酸鹽和高分子有機物的優點，可以大幅度提升混凝土的整體性能，是一個值得深入研究的方向。

參考文獻

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作者簡介

姜堯，男，1989年出生，工程師，研究方向為混凝土電桿、電力金具等產品檢驗。

（編輯：劉一童，收稿日期：2024-06-19）