CO₂養護水泥基材料的機理及工藝路線淺析

摘要：傳統水泥基材料的養護一直面臨著養護周期長、能耗高的問題。CO2養護水泥基材料不僅為水泥基材料的高效養護提供了解決方案，而且能夠長期穩定地減少CO2排放，實現水泥基材料養護成本的有效降低。本文綜述了CO2養護水泥基材料的機理和養護工藝，并指出了急需解決的問題，以期為本技術的大規模應用提供理論支撐。

關鍵詞：碳化養護；水泥基材料；養護工藝

中圖分類號：TU528文獻標志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.052

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

水泥基材料生產過程中CO2排放來自以下幾個方面：1）熟料煅燒過程中石灰石原料的高溫分解會產生大量CO2。據估算，這一過程中產生的CO2排放量約占水泥工業總排放量的60%～70%。2）水泥生產中使用的化石燃料，如煤炭和天然氣在燃燒時也會產生CO2，這部分排放量約占水泥工業總排放量的20%～30%。3）水泥生產過程中的礦山開采、生料制備、熟料煅燒、水泥制成等各個環節都需要消耗電力，而發電本身也會產生CO2，這部分排放量約占水泥工業總排放量的10%左右。

水泥工業在全球能源消耗中占比2%，而在CO2排放總量中占比5%。鑒于中國作為全球水泥基材料的主要生產國，占全球產量的60%，水泥工業的CO2排放問題尤為嚴峻。為了應對這一全球性挑戰，提高能效、采用替代原料、發展循環經濟和應用新技術等措施顯得尤為重要。另外，水泥基材料的養護工藝比較復雜，水泥基材料的養護主要包括初期養護、中期養護和后期養護3個階段，每個階段的養護目標和方法有所不同，但共同目標都是為了確保水泥基材料能夠達到設計要求的強度和耐久性。然而，養護過程本身也需要消耗大量原料、能源和時間。為了應對這一問題，研究人員開始探索采用CO2礦化養護水泥基材料，以有效降低養護成本和對環境的影響。利用CO2與混凝土體系中的鈣鎂等多種堿性組分發生反應，不僅可以將養護時間從數天縮短至數小時[1]，還可以通過對水泥基材料黏結相的形貌和結構的調控，實現性能的整體提升[2-3]。

本文綜述了CO2養護水泥基材料的機理和養護工藝，并指出了急需解決的問題，以期為本技術的大規模應用提供理論支撐。

1CO2養護水泥基材料的機理和工藝路線

1.1CO2養護水泥基材料的機理

與傳統的水泥基材料自然養護或者蒸汽養護相比，CO2養護過程是通過高濃度的CO2環境與水泥基材料中的熟料礦物和中間水化產物進行碳化反應，這不僅可以加快體系碳酸化反應的速率，改善水泥基凝膠的微觀結構，還可以降低水泥基材料生產全周期的總體CO2排放量。早在20世紀70年代，科學家們就對CO2養護混凝土進行了較為全面的研究，發現碳化反應后的主要早期產物為硅酸凝膠和碳酸鈣，后期反應比較復雜，最終都碳化為碳酸鈣。

CO2養護水泥基材料過程中的碳化反應可以分為被動碳化和主動碳化。被動碳化是指混凝土在自然環境中，由于大氣中的CO2分壓高于混凝土孔隙中的CO2分壓，導致CO2向混凝土內部擴散，并與混凝土中的水化產物發生反應的過程。被動碳化是在大氣CO2濃度為0.04%左右的自然條件下發生，其缺點在于碳化反應速率極慢，pH易被中和甚至酸化，從而增加內部鋼筋銹蝕的風險，同時由于反應過程中CO2濃度等參數無法得到有效調控，水泥基材料的表層和孔隙結構可能發生不可預測的變化。

如圖1所示，主動碳化是人為地向混凝土中通入高濃度的CO2，以促進混凝土中未水化的水泥顆粒和水化產物與CO2發生反應的過程。主動碳化通常發生在人為可控的條件下，通過將水泥基材料暴露在較高濃度的CO2中，充分利用鈣化合物短時間內的碳化反應，生成強度高、微觀結構得到有效控制的高性能建材。

1.2二氧化碳養護工藝

水泥基材料的碳化養護流程通常包括三個關鍵階段：預養護靜置、主動（高濃度）碳化養護和后續養護。預養護靜置發生在水泥基材料成型后、碳化養護前，旨在促進水泥的初步水化，生成必要的水化產物，為后續的碳化反應奠定基礎。適當的預養護可以有效調整水泥基材料的含水量，提高碳化反應的效率。高濃度CO2養護水泥基材料的制備工藝主要有兩種：一種是利用CO2對水泥基材料進行養護，另一種是將CO2溶解在水中或者制備超臨界流體對水泥基材料進行養護。其中，直接利用CO2進行養護的方法較為普遍，具體操作是將水泥基材料置于密閉容器中，并向容器內通入CO2進行養護。后續養護主要是為了保證水化反應的持續進行，優化水泥復合材料的微觀結構并提高其強度，這一步驟通常在高濕度環境中進行。

目前，帶有真空泵的封閉式系統能夠提供較高的CO2分壓而被實驗室研究廣泛采用。其具體流程為：將水泥基復合材料儲存在清潔的養護室內，利用真空泵在幾秒鐘內將其壓力降至低于大氣壓0.05～ 0.1 MPa左右，然后保持2～10 min，同時在反應器上連接一個儲氣罐，通過安全閥和調節器將內部壓力調節到所需的水平（0.1～0.5 MPa），隨著試樣開始吸收CO2，氣壓計探測到的壓力逐漸降低。達到指定的時間后，需要再次手動注入氣體以保持壓力恒定。另外，有研究將混凝硅酸鈣水泥漿體樣品暴露在壓力為3.8 MPa的調壓室中，不隨著時間進行額外CO2的補充，也能獲得較好的碳化反應。總的來說，CO2的濃度和分壓的增大能夠加快氣體擴散的速度。因此，加壓工藝能夠顯著提高碳化反應的效率和程度，此類工藝流程的固化時間通常在2～24 h的范圍內。

在非加壓密閉反應器中，固化過程中的氣體維持在大氣壓水平。CO2固化對透水混凝土力學和耐久性特性有顯著影響，但透水混凝土對過度碳化非常敏感，因而需要嚴格控制碳化時間。這種固化方法的優點在于簡化了脫模過程，并且免除了預固化處理的需要。

此外，流通式反應器在常壓和氣體流量（通常為CO2或CO2與空氣混合物）下具有高碳化率。在大多數情況下，流式法可以實現氣體在腔室兩側的內部循環，通過控制CO2流動以提高氣體向水泥基材料內部傳輸的速度，建議的流量為0.5～4 L/min，CO2濃度不低于20%。在采用流式法加速碳化養護時，對壓實水化水泥砂漿樣品中CaCO3的沉淀分布和CO2的吸收情況進行了研究，結果表明，該方法的CO2吸收率大約為68%。

常壓下的煙氣碳化技術為降低CO2排放提供了一種潛在的解決方案，并解決了CO2凈化和液化過程中的高能耗問題。2009年，已有研究團隊探索將可流動的煙氣反應器應用于干混預制混凝土的固化過程，實現了超過16%的碳化效率，并顯著降低了能耗。水泥基材料在0.5 MPa下，在5 h內進行7次煙氣循環，吸收了近5%的CO2，得到的水泥基產品與純CO2循環得到的產品有相近的強度。盡管煙氣養護是實現CO2低成本回收固化的有效方式，然而煙氣中微量的NOx和SOx可能會阻礙CO2的吸收速度。因此，煙氣固化的大規模應用在工藝方面還有一定的難度，未來的研究應著重于改進供氣源的選擇性。

2結論

盡管目前對于CO2養護水泥基材料的機理和工藝已經有了較為深入的研究，但本領域仍然存在一些急需解決的問題：

1）與傳統氧化技術相比，在某些條件下，碳化過程中的CO2固存量不能達到理論最大值。不同的材料特性，對CO2環境相關工藝參數有不同的響應。因此，建立標準化的評價指標、創新處理工藝對實現高效碳化養護是十分必要的。

2）目前對于CO2在養護過程中的時空分布特征和傳輸路徑報道較少，導致碳化養護的均勻性較差。應用適當的數學模型來計算氣體在水泥基質中的滲透深度并對其養護工藝進行有效優化，有可能是解決該問題的有效方式。

3）少數的離子組分（K+、Na+、Al3+、SO24？和Fe3+）對水泥材料基體和界面過渡區的化學穩定性影響有待進一步研究，有必要應用基于生命周期評價的方法，在施工階段對CO2養護大型混凝土的潛在環境影響（即碳足跡）以及在外加荷載下的長期使用性能進行評價。

參考文獻

[1]WANG T，HUANG H，HU X T，et al.Accelerated mineral carbonation curing of cement paste for CO2 sequestration and enhanced properties of blended calcium silicate[J]. Chemical Engineering Journal，2017，323：320-329.

[2]GUO M Z，TU Z J，POON C S，et al.Improvement of proper？ ties of architectural mortars prepared with 100% recycled glass by CO2 curing[J].Construction and Building Materials，2018，179：38-50.

[3]ZHANG D，GHOULEH Z，SHAO Y X.Review on carbon？ ation curing of cement-based materials[J]. Journal of CO2 Utilization，2017，21：119-131.

作者簡介

宋篪，男，1980年出生，高級工程師，碩士，研究方向為電力金具和電力水泥桿的研發、測試和檢驗。

（編輯：于淼，收稿日期：2024-06-17）