水泥基材料的CO2强化技术研究综述

摘要：本文分析了水泥基材料的CO2强化技术的三个研究方向：CO2养护技术、CO2强化再生骨料技术、内掺CO2强化技术。得出了如下结论：用CO2养护技术制备混凝土制品的生产周期大幅度降低，能显著提高产品的生产效率，改善水泥浆体的孔隙结构；废弃混凝土再生骨料经CO2强化后性能明显提升；内掺CO2强化技术可以改变水泥水化过程，对水泥基材料的综合性能产生一定的提升作用。

关键词：CO2强化技术；水泥基材料；耐久性

中图分类号：TU528文献标志码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.048

基金项目：辽宁省创新能力提升联合基金项目（2022-NLTS-12-2）。

0引言

温室气体排放导致的全球变暖趋势是当今世界面临的最大环境问题，而CO2排放量的增加是造成地球温度升高的重要因素之一[1]。水泥制造行业作为我国CO2的主要排放源，在水泥生产过程中不仅消耗大量电力能源，还因其生产工艺特点，不可避免地排放大量CO2。据统计，生产1吨普通硅酸盐水泥的CO2排放量约为0.8～1吨。因此，水泥行业的脱碳问题一直是全球关注的焦点。随着我国城镇化进程的加速，对水泥的需求也会不断增加，水泥行业的碳减排压力日益增大。

为了积极应对水泥行业排放的CO2对环境造成的影响，世界各国先后开展了CO2在水泥基材料中的应用研究。研究主要涉及三个方向：一是CO2养护技术，该技术利用CO2这种酸性氧化物与水泥中的CaO等碱性氧化物发生化学反应，生成硬质碳酸钙，从而加速水泥产品的固化和成型[2]；二是CO2强化再生骨料技术，该技术通过CO2与废弃混凝土骨料表面的氢氧化钙和水化硅酸钙反应，生成碳酸钙和硅酸盐，填充骨料缝隙，提高再生骨料的密实度并降低吸水率；三是内掺CO2强化技术，该技术将CO2、碳酸盐、碳酸氢盐的一种或多种混合物直接掺入混凝土中，以提升混凝土的综合性能。

1CO2养护技术

CO2养护技术的化学反应机理：CO2溶于水后电离形成碳酸根或碳酸氢根离子，这些阴离子与水泥熟料中的钙离子发生化学反应，形成稳定的碳酸钙矿物质，进而促进水泥基材料的硬化与强度发展。利用CO2养护技术制备的水泥基材料具有较好的尺寸稳定性[3]。

CO2养护技术的基本流程：将待处理混凝土制品放入特殊设计的压力容器中，当容器中的真空度达到600 mmHg时，保持压力2 min，然后通入一定量的CO2，根据混凝土制品的尺寸调节容器内压力，并通过调节器控制CO2流量。研究表明，不同的养护工艺参数，如预处理条件、养护时间和CO2压力，均会对混凝土制品养护的结果产生影响。

各国研究机构和学者对CO2养护技术进行了大量细致的研究，主要集中在CO2状态、混凝土微观结构和性能的影响方面。Short等[4]研究表明，超临界CO2表现出混相特征，加速了混凝土的强化效果和碳化过程，极大地提高了混凝土的致密度，降低了材料的孔隙率。并且，混凝土材料的强度增长与超临界CO2的强化效果息息相关，超临界CO2的强化效果对强度大的材料不明显，反而对强度较小的材料有明显的增强作用，在最佳的养护条件下，其强度可提升75%。CO2养护技术对混凝土的微观结构也产生了显著的影响，得益于CO2在水泥中的水解作用，水泥颗粒可水化成C-S-H凝胶和钙矾石晶体，消耗掉了初期产生的碳酸钙，改善了水泥砂浆的孔隙率和孔径。有研究表明，CO2养护技术可以显著提升砂浆和混凝土的综合性能，具体表现在经适当养护工艺处理后，1天龄期的水泥砂浆的早期强度显著增加，吸水率降低15%～30%，抗渗性能明显得到改善[5]。另外，适当的预养护工艺也会提升混凝土制品的抗压强度、断裂韧性和冻融耐久性等性能，并能缩短产品的生产周期，提高生产效率。

2CO2强化再生骨料技术

废弃混凝土骨料表面的水泥中含有氢氧化钙和水化硅酸钙，这些成分与CO2反应，生成碳酸钙和硅酸盐，这些生成物填充了骨料中的缝隙，提高了再生骨料的密实度并降低了吸水率，改善了再生混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化和抗氯离子渗透性等性能。Zhan等[6]研究指出，CO2强化技术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。应敬伟等[7]则研究了强化技术对再生骨料表观密度、堆积密度、吸水率和压碎指标的影响，并得出经CO2强化处理后的再生骨料性能全面得到提升的结论。

3内掺CO2强化技术

3.1直接注入CO2技术

直接注入CO2技术是最直接的强化技术，但由于缺乏对工艺和反应机理的深入研究，处理效果千差万别。有研究人员采用直接掺加固体CO2（干冰）的方式对废旧混凝土进行强化。处理结果表明，干冰与Ca（OH）2发生反应形成碳酸钙，可以在一定程度上提升混凝土的强度，但干冰在水泥水化的过程中会发生气化现象，使混凝土内部形成孔隙，降低了混凝土的长期强度[8]。为了避免这种气化现象的发生，查晓雄等[9]在再生混凝土中加入了铝硅酸盐，增大了对CO2的吸收量，可以在界面处形成更多的碳酸钙，从而改善了再生骨料与水泥的界面状态，填充了再生混凝土的孔隙，使得混凝土整体强度增加，提高了再生混凝土构件的综合性能。

3.2碳酸盐化合物掺杂技术

碳酸盐化合物一般指碳酸盐/碳酸氢盐，其掺杂技术的强化机理为：水泥水化过程中碳酸根离子与Ca（OH）2反应产生难溶于水的CaCO3，抑制硅酸凝胶的转化，进而提升混凝土性能。从已有的研究来看，碳酸盐/碳酸氢盐的种类包括碳酸钙、碳酸锂、碳酸钠及碳酸氢钠等，而且为了更好地增强强化效果，也有将无机-有机化合物复配的研究案例。

纳米碳酸钙掺杂强化技术主要利用纳米颗粒的典型物理特性以及对界面性能的改善作用。研究表明，混凝土中掺入纳米碳酸钙可以降低氢氧化钙在界面处的密集分布和定向排列[10]。纳米CaCO3能提供大量的成核位点，形成超高密度C-S-H，进而增强界面区，有助于改善界面的综合性能，尤其是对超高性能水泥基复合材料的力学性有非常明显的促进作用。

由于碳酸锂盐的化学性质和特殊结构，其强化作用也表现出不同的方式[11]。碳酸锂可以改变硫酸铝盐水泥的水化历程，抑制水化诱导期，使其直接进入加速期，从而加速了硫铝酸盐水泥的凝结。碳酸锂还可以通过加速水化速率的方式对硫酸铝盐水泥的强度产生影响。碳酸锂的加入使得早期水化放热量增加，从而提升了早期抗压强度和抗折强度，但碳酸锂同时会降低后期水化放热量，由此导致硫酸铝盐水泥的后期抗压强度和抗折强度下降。碳酸钠和碳酸氢钠作为水泥外加剂已经被证实有强化作用，各国研究者们对其强化机理进行了深入的研究。碳酸钠可以延长水泥凝结时间，提升混凝土早中期强度，但对后期强度影响不大。碳酸氢钠则可以实现更为均匀的强化效果，由于水解特性，其可以显著减少水泥砂浆的膨胀，当添加量小于5%时能显著提升混凝土强度。

由于无机盐固有的化学特征，单纯添加无机盐对于混凝土的强化效果有限。有研究人员开发了无机-有机强化配方，结果表明，复配外加剂可以增强流动性混凝土的强度，从而对混凝土整体性能有大幅提升[12]。

4结论

本文论述了CO2强化技术，具体包括CO2养护、强化再生骨料、内掺CO2等对水泥基材料整体性能的影响。三种技术各自存在优缺点，还需进行进一步研究，以推动CO2强化技术在水泥行业的应用。

1）CO2养护强化技术可以显著提升水泥基材料的整体性能，还可以缩短混凝土制品的生产周期，提高生产效率，但此技术吸收的CO2量较少，后续研究工作应重点集中在CO2养护工艺、高效率养护设备的研发。

2）再生骨料强化技术可以提升再生混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化和抗氯离子渗透性等性能，为再生骨料的大规模应用提供了理论基础，但对其长期性能的演变规律还缺乏深入研究，后续研究工作应重点关注高性能混凝土耐久性机理。

3）内掺CO2技术是最直接的封存CO2的强化技术，但需要加快研发内掺CO2的工艺和设备；对碳酸盐/碳酸氢盐掺杂技术的研究应重点放在经济性和耐久性的相关联系上；无机-有机强化配方综合了无机碳酸盐和高分子有机物的优点，可以大幅度提升混凝土的整体性能，是一个值得深入研究的方向。

参考文献

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[12]何廷树，李朋，徐一伦，等.微量无机盐与不同高效减水剂复合使用对混凝土性能的影响[J].硅酸盐通报，2016，35（3）：753-757.

作者简介

姜尧，男，1989年出生，工程师，研究方向为混凝土电杆、电力金具等产品检验。

（编辑：刘一童，收稿日期：2024-06-19）