CO₂矿化养护对混凝土性能影响的试验研究

抖音热门 2025年09月26日 18:11 2 aa

摘要

研究了 CO₂矿化养护（预养护条件、CO₂浓度、养护压力和养护时间）对混凝土固碳率和性能的影响，并对养护后混凝土的微观形貌和矿物组成进行了分析。结果表明：通过合理的预养护可以降低试件的剩余水灰比，有效提高试件的表观固碳率；相对于标准和加热干燥预养护，室温吹风为最宜预养护条件；当 CO₂浓度为 99.9%，养护压力为 0.8 MPa，养护时间为 12 h 时，试件的固碳能力较好，28 d 抗压强度达 60.0 MPa，抗氯离子渗透、抗渗和抗冻性能均较好，28 d 碳化深度稍有增加，但 28 d 至 56 d 碳化深度不再增加；CO₂矿化养护会消耗混凝土中的 Ca(OH)₂，生成更多的 CaCO₃产物，改善了混凝土的微观结构。

随着全球气候问题的日益严重，降碳减排已成为全球关注的焦点。建材工业作为典型的资源、能源承载型产业，其能源消耗、CO₂排放总量在工业部门中位居前三，是实现“碳达峰、碳中和”目标的重点领域。混凝土作为使用最广泛的建筑材料之一，其水化过程中生成的 Ca(OH)₂、C-S-H 等产物能与 CO₂反应转化为碳酸盐，实现温室气体的稳定封存，具备较高的固碳潜力。混凝土的养护过程是影响其性能的关键环节，CO₂矿化养护作为一种新兴养护技术，近年来受到广泛关注。目前，已有诸多学者关于 CO₂矿化养护对混凝土性能的影响进行了研究。史才军等研究了 CO₂矿化养护对混凝土性能的影响，结果表明，当预养护后的剩余水灰比为 0.18~0.21 时，混凝土的 28 d 抗压强度相对较高。KASHEF-HAGHIGHI 等研究发现，CO₂矿化养护过程中，大量 4 μm 以下的微孔被 CaCO₃沉淀填充。文献研究发现，在混凝土搅拌过程中通入 CO₂气体会降低混凝土的工作性，提高抗压强度，改善耐久性能。

虽然 CO₂矿化养护的相关研究已经取得一定的成果，但不同 CO₂矿化养护条件对混凝土性能的影响结果不尽相同，仍缺乏系统性研究。鉴于此，本文研究 CO₂矿化养护条件（预养护条件、CO₂浓度、压力、养护时间）对混凝土固碳率、抗压强度、耐久性能的影响，并对养护后混凝土的微观形貌和矿物组成进行分析，以期为 CO₂矿化养护的应用研究提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

平湖南方水泥有限公司生产的 P·O 42.5 级水泥，基本性能和主要化学组成见表 1、表 2；粒径为 5~25 mm 的花岗岩碎石，密度为 2650 kg/m³；河砂，细度模数 2.5；上海建研建材有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率为 25%，含固量为 20%；自来水。

混凝土的配合比见表 3。

1.2 预养护

CO₂矿化反应是随着 CO₂的渗透与混凝土表面接触后进行的，新拌混凝土呈饱和状态，需通过预养护来调整混凝土的含水量，增加 CO₂进入混凝土内部的孔隙通道，确保 CO₂矿化反应顺利进行。因此，本试验先研究预养护条件对水泥净浆试件性能的影响。选取水灰比为 0.35 制备尺寸为 70 mm×70 mm×70 mm 的净浆试件，室温温度 20 ℃，相对湿度（以下简称 RH）50% 养护 6 h 后脱模，对试件进行预养护 6 h，预养护条件如表 4 所示；预养护后将试件放入 20 ℃、RH 为 70%、CO₂浓度为 20% 的混凝土碳化试验箱中进行 CO₂矿化养护 12 h；养护结束后，将试件浸入水中继续养护 3 d、7 d、28 d，进行相关性能测试。

1.3 CO2 矿化养护

成型尺寸为 100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土试件，室温养护 6 h 后脱模；室温吹风预养护 6 h 后进行 CO₂矿化养护，具体条件见表 5；之后将试件放入标准养护室中继续养护 3 d、7 d、28 d，进行相关性能测试，并与全程标准养护对照组进行对比。

1.4 性能测试

预养护阶段试件的质量损失率 α 的计算公式见式 (1)。

α = (M₀ - M₁) / M₀ × 100% (1)

式中：M₀ 为预养护前试件的质量；M₁ 为预养护后试件的质量。

预养护后试件的剩余水灰比 β 计算公式见式 (2)。

β = [1 - (M₀ - M₁) / M_w] × (M_w / M_c) (2)

式中：M_w 为初始用水量；M_c 为试件水泥质量。

CO₂矿化养护后试件的表观固碳率 γ 计算公式见式 (3)。

γ = (C₀ - C₁) / C₀ × 100% (3)

式中：C₀ 为 CO₂矿化养护前试件的质量；C₁ 为 CO₂矿化养护后试件的质量。

抗压强度：参考 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行试件抗压强度测试。

耐久性能：参考 GB/T 50082—2024《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行试件抗氯离子渗透性能、抗渗性能、抗冻性能、抗碳化性能测试。

物相组成和微观结构：取试件破碎成 5 mm 以下的小颗粒样品，放入无水乙醇中 7 d 终止水化，取出后在 60 ℃ 真空干燥箱中干燥 72 h，采用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观形貌；将干燥后的小颗粒研磨成粉，过 0.045 mm 方孔筛，采用 X 射线衍射仪（XRD）测试样品的物相组成；采用 TG-DTG 热分析仪分析样品升温过程中的质量损失，温度范围为 20~1000 ℃，升温速率为 10 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 预养护条件对净浆试件性能的影响

2.1.1 预养护条件对质量损失率、剩余水灰比的影响

不同预养护条件对水泥净浆试件的质量损失率、剩余水灰比的影响如图 1 所示。

由图 1 可知，脱模后预养护前（即图中 6 h 时），试件的质量损失率约为 1.7%，剩余水灰比约为 0.33。经过标准、室温吹风和加热干燥 3 种预养护后（即图中 12 h 时），试件的质量损失率分别为 2.8%、6.4%、9.1%，剩余水灰比分别为 0.32、0.26、0.23，加热干燥预养护试件的质量损失率最大，剩余水灰比最小。

2.1.2 预养护条件对表观固碳率、抗压强度的影响

不同预养护条件下水泥净浆试件的表观固碳率、抗压强度如图 2 所示。

由图 2(a) 可知，加热干燥预养护试件的表观固碳率最高，约为 3.0%，其次是室温吹风预养护，试件的表观固碳率约为 1.5%，而标准预养护试件基本不吸收 CO₂，表观固碳率为 -0.1%。可见，通过预养护降低剩余水灰比有助于加快 CO₂矿化养护过程中 CO₂在试件中的扩散和反应。由图 2(b) 可知，标准预养护试件的 3 d、7 d、28 d 抗压强度最高，分别为 46 MPa、55 MPa、67 MPa，室温吹风预养护试件的 3 d、7 d、28 d 抗压强度较标准预养护试件稍低，降幅分别为 2%、2%、3%。这说明室温吹风预养护基本不会影响试件后期抗压强度的增长。加热干燥预养护试件的抗压强度明显低于其他预养护试件，其 3 d、7 d、28 d 抗压强度相较于标准预养护试件降低了 11%、11%、12%。综合考虑，室温吹风为最佳预养护条件。

2.2 CO₂矿化养护条件对混凝土试件性能的影响

2.2.1 CO₂矿化养护条件对表观固碳率的影响

不同 CO₂矿化养护条件对混凝土试件表观固碳率的影响见图 3。

由图 3 可知，当养护压力一定时，随着 CO₂矿化养护时间的增加，试件的表观固碳率增加。当 CO₂矿化养护时间一定时，试件的表观固碳率随着养护压力的增加而增加，当 CO₂矿化养护时间为 12 h，养护压力为 0.8 MPa 时，试件的表观固碳率约为 1.74%，较相同 CO₂矿化养护时间、常压养护的试件提高了约 150%。原因分析：CO₂在试件内部的扩散基本满足 Fick 第二定律，其渗透速度随养护压力的增加而增加，进而增加了试件孔径渗入参与反应的 CO₂浓度，使矿化速率加快，程度加深。若以混凝土质量为 2450 kg/m³ 来计算，12 h 常压 CO₂矿化养护下的混凝土固碳量为 17.5 kg/m³，12 h、0.8 MPa 高压 CO₂矿化养护下的混凝土固碳量可达 43.8 kg/m³。

2.2.2 CO₂矿化养护条件对抗压强度的影响

不同 CO₂矿化养护条件下试件的抗压强度见图 4。

由图 4(a) 可知，随着 CO₂矿化养护时间从 0（即标准养护对照组）增加到 12 h，试件的 28 d 抗压强度由 56.2 MPa 降低到 49.9 MPa，总体呈降低趋势。由图 4(b) 可知，随着 CO₂矿化养护时间的增加，试件的 28 d 抗压强度增加，但均低于标准养护对照组。由图 4(c) 可知，随着 CO₂矿化时间的增加，试件的抗压强度增加，以 28 d 抗压强度为例，标准养护对照组试件的抗压强度为 56.2 MPa，而 12 h、0.8 MPa CO₂矿化养护试件的抗压强度为 60.0 MPa，提高了约 7%。

2.2.3 CO₂矿化养护条件对耐久性能的影响

选取 12 h、0.8 MPa CO₂矿化养护组试件与标准养护对照组试件进行电通量、抗渗、抗冻和抗碳化性能对比，见表 6。

由表 6 可知，CO₂矿化养护对试件的电通量、抗渗、抗冻性能基本不产生负面影响，试件的电通量略低于标准养护对照组，抗渗等级为 P10，50 次冻融循环后几乎无质量损失，相对动弹性模量为 99.8%，高压、高 CO₂浓度环境导致试件的碳化深度稍大，但 28 d 至 56 d 试件的碳化深度已不再增加。

2.3微观分析

2.3.1 XRD

12 h、0.8 MPa CO₂矿化养护组与标准养护对照组 28 d 样品的 XRD 图见图 5。

由图 5 可知，与标准养护对照组相比，CO₂矿化养护组样品的 Ca(OH)₂ 衍射峰强度明显减弱，而 CaCO₃ 衍射峰强度显著增强，表明 CO₂矿化养护促进了 Ca(OH)₂ 向 CaCO₃ 的转化。

2.3.2 TG-DTG

12 h、0.8 MPa CO₂矿化养护组与标准养护对照组 28 d 样品的 TG-DTG 曲线见图 6。

由图 6 可知，2 种养护方式样品的 TG-DTG 曲线有较大差异，标准养护对照组样品在 400~500 ℃ 间的特征峰失重为 Ca(OH)₂ 大量分解，在 700~800 ℃ 间的失重特征峰为 CaCO₃ 分解。CO₂矿化养护组样品在 400~500 ℃ 间的失重特征峰消失，表明 Ca(OH)₂ 含量相对较少，同时 700~800 ℃ 间的失重特征峰强度大幅增加，表明样品中生成了更多的 CaCO₃，这与 XRD 分析结果一致。

2.3.3 SEM

12 h、0.8 MPa CO₂矿化养护组与标准养护对照组 28 d 样品的 SEM 图见图 7。｜

由图 7(a) 可知，标准养护样品中存在较疏松的絮状 C-S-H 和针状钙矾石分布于孔隙中，还有较为致密的片状 Ca(OH)₂。由图 7(b) 可知，CO₂矿化养护样品中存在无形 CaCO₃ 晶体以及部分无定形 C-S-H。微观形貌特征进一步佐证了 CO₂矿化养护可使混凝土中的 Ca(OH)₂ 转化生成 CaCO₃。

3 结论

(1) 通过合理的预养护可降低试件的剩余水灰比，有效提高表观固碳率。综合考虑表观固碳率、抗压强度等试验结果，室温吹风为最宜预养护条件。

(2) 当 CO₂浓度为 99.9%，养护压力为 0.8 MPa，养护时间为 12 h 时，试件的固碳能力较好，28 d 抗压强度为 60.0 MPa，28 d 电通量、抗渗等级和抗冻性能均与标准养护对照组试件相近，28 d 碳化深度稍有增加，但 28 d 至 56 d 碳化深度不再增加。

(3) 微观分析结果表明，CO₂矿化养护会消耗混凝土中的 Ca(OH)₂，生成更多的 CaCO₃产物，改善了混凝土的微观结构。

来源｜《混凝土与水泥制品》，作者｜林茂松，杨利香，杨光，仅供分享交流，图文版权归原作者。侵删。

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