初始养护过程及临界含水量对碳封存泡沫混凝土（CSFC）碳化养护的影响：平衡CO2传输与化学反应

《Journal of Building Engineering》：Effect of initial curing and critical moisture index on carbonation curing of carbon-sequestering foamed concrete (CSFC): balancing CO2 transport and reaction

碳封存泡沫混凝土预养护策略优化了初始养护时间和临界含水率，协调CO2气相渗透与水溶液离子反应，实现抗压强度5.33MPa和25.15%的CO2封存率，孔隙结构显著优化。

　　

赵英仁|刘荣进|郑一星|郭颖|张立阳|张腾鹏|纪磊

材料科学与工程学院，教育部有色金属与材料加工新技术重点实验室，广西工业固体废弃物建筑材料资源化工程技术研究中心，广西工业大学省部共建有色金属矿产资源勘探与高效资源利用协同创新中心，中国桂林541004

摘要

碳封存泡沫混凝土（CSFC）为将轻质建筑材料与永久性二氧化碳矿化相结合提供了一种有前景的途径。然而，其碳化能力常常受到气体渗透性与离子反应所需水环境之间权衡的影响。为了解决这一限制，本研究开发了一种预养护策略，该策略同时优化了初始养护时间和关键湿度指数（r_c），旨在协调气相二氧化碳的渗透与后续碳化过程中二氧化碳溶解和离子传输所需的水环境。制备了体积密度为600 kg/m³的CSFC试样，并对其进行了受控的初始养护和湿度调节，随后在0.5 MPa的二氧化碳分压下进行碳化养护。结果表明，2天的初始养护时间是最优的，既能提供足够的水化前体，又能防止过早的表面致密化，从而阻碍二氧化碳的深入渗透。此外，最佳湿度指数r_c为0.45，这种状态既有利于二氧化碳的传输，又能维持Ca²⁺的浸出和碳酸盐的沉淀，而不会明显堵塞孔隙。在优化的预养护条件下，CSFC的抗压强度达到了5.33 MPa，二氧化碳封存率为25.15%，同时孔隙得到了细化，闭孔比例也有所增加。这些发现为设计预养护工艺以提高高孔隙率水泥基材料的碳封存能力提供了实际指导。

引言

碳捕获、利用与封存（CCUS）是减少二氧化碳排放的关键技术途径[1]、[2]、[3]。在建筑领域，CCUS的应用正从传统水泥基材料的碳化养护扩展到工业固体废弃物的创新再利用[4]、[5]。在碳化策略的指导下，利用富含钙的工业废弃物作为碳化前体已成为实现循环经济目标的重要方法。本研究特别选择了钢渣和碳化渣作为主要固体废弃物前体，因为它们具有高度互补的矿物组成。钢渣富含γ-C₂S，而碳化渣则是Ca(OH)₂的丰富来源。由于这些特定相在早期具有极低的水化反应性，它们在传统水泥基材料中的大规模应用受到严重限制。然而，在二氧化碳环境下，它们表现出出色的反应性，使其成为碳化驱动的增强和二氧化碳矿化封存的理想候选材料。为了克服这些废弃物的典型反应性瓶颈并最大化二氧化碳的渗透性，将它们制成泡沫混凝土（FC）是一种非常有效的策略。FC是一种轻质、多孔的水泥基材料[6]、[7]、[8]。虽然这种高孔隙率通常会导致早期强度较低，但它为二氧化碳的深入渗透提供了丰富的自然扩散途径。碳化养护提供了一种针对性的双重解决方案[9]、[10]、[11]、[12]：它通过将含钙相转化为稳定的碳酸钙来化学稳定工业废弃物，从而立即致密多孔基质，完美弥补了泡沫骨架固有的低早期强度。

高孔隙率系统的碳化效率在很大程度上取决于二氧化碳暴露前的预养护条件。从根本上说，预养护阶段决定了两个关键参数：早期水化的程度和内部湿度状态。多项研究已经探讨了这些参数的单独影响，表明优化初始养护时间可以增加可碳化前体的可用性，同时避免不当预水化带来的不利影响[13]、[14]。同时，关于湿度调节的研究强调了平衡气相二氧化碳扩散与离子反应所需水环境的关键必要性[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。尽管这些先前的研究分别强调了水化时间和湿度控制的重要性，但它们主要是在孤立地评估这些因素。未能评估它们的协同效应，尤其是在像CSFC这样含有大量低反应性钢渣和碳化渣工业废弃物的高孔隙率系统中，留下了一个关键的研究空白。由于这些渣中的γ-C₂S和Ca(OH)₂等相的水化速度较慢，因此需要延长的初始养护时间来生成足够的可碳化前体[22]、[23]。然而，这种延长的养护会改变内部液-气分布，常常导致孔隙过早饱和，从而抑制后续的二氧化碳扩散。单独优化水化或湿度无法解决这种传输-反应的矛盾：促进前体形成可能会堵塞气体通道，而早期干燥以打开孔隙则会严重限制离子反应所需的水环境。因此，提高这些特定低反应性胶凝材料的碳化潜力需要一种系统的方法，协同优化初始养护程度和湿度阈值。

尽管人们对泡沫混凝土的碳化养护越来越感兴趣，但在含有低反应性工业废弃物的轻质系统中，对受控湿度下的二氧化碳传输和矿化反应的耦合调控仍理解不足。特别是，缺乏量化预处理湿度状态的实际指标，限制了碳化效率和机械性能的有效优化。为了解决这一空白，本研究提出了一种基于调节初始养护时间和引入关键湿度指数（r_c）的合理预养护策略，以平衡碳化过程中的气体渗透和离子传输。系统研究了抗压强度、碳封存能力、孔隙结构和碳化机制的变化。这些发现旨在提供传输-反应耦合的机制洞察，并为含有工业废弃物的低密度CSFC的性能导向设计提供实际指导。

材料

普通波特兰水泥（P.O 42.5）购自广西兴安海螺水泥有限公司。碳化渣来自广西玉林的一个工厂，钢渣则来自广西北部湾新材料有限公司。使用前，这两种工业废弃物渣均通过100目筛网进行筛分，以确保粒径均匀。原材料的化学成分见表1，相应的XRD和SEM结果见图1。

宏观性能分析

图3比较了标准养护条件下CSFC的抗压强度。随着初始养护时间的增加，水化进程仅略有进展，抗压强度缓慢上升，但仍低于0.4 MPa。这种有限的早期强度主要是由于CSFC的高孔隙率和钢渣的低水化反应性[24]、[25]。此外，碳化渣主要提供碱度和Ca²⁺供应，但在此过程中不会迅速形成凝胶。

预养护的传输-反应机制

从根本上说，预养护不仅仅是生成足够的可碳化前体或简单地打开孔隙通道。相反，正是这两个参数的协同作用决定了最终的传输-反应动力学。基于前面提供的宏观和微观结构证据，图22综合描述了这种耦合效应的统一机制模型。

结论

本研究建立了一个合理的预养护框架，以协调含有低反应性钢渣和碳化渣的碳封存泡沫混凝土（CSFC）中二氧化碳传输和矿化反应之间的竞争需求。通过系统调节初始养护时间和关键湿度指数（r_c），阐明了宏观性能、孔隙结构和碳化机制的变化，为

CRediT作者贡献声明

张腾鹏：指导。 纪磊：指导。 赵英仁：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念化。 刘荣进：资源获取，项目管理，资金筹集。 郑一星：验证。 郭颖：研究。 张立阳：验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了广西科技基地和人才项目的支持：多固体废弃物协同制备低碳水泥基材料的关键技术、设备开发和生产示范（Gk AD24010062），以及教育部有色金属与材料加工技术重点实验室主任基金的支持：二氧化碳矿化固体废弃物负碳材料及其应用研究