《Journal of Building Engineering》：Development and strength formation mechanism of carbonated lightweight cellular concrete
编辑推荐：
碳化轻质混凝土（CLCC）通过CO?发泡与活性MgO协同固结实现低碳制备与性能提升，研究采用单因素试验与响应面法确定MgO掺量6.32%、CO?泡沫体积689.83L、水灰比0.61的最优配比，SEM-EDS揭示碳化-水化协同作用机制及孔隙分布规律。
刘欣|蔡健|高远|胡少斌|傅宽峰|邵晓明|任恩
中国江苏省南京市河海大学隧道与地下工程研究所，教育部岩土力学与边坡工程重点实验室，精密爆破国家重点实验室，210024
摘要
对传统轻质多孔混凝土（LCC）需求的增加暴露出其在生产和应用中的两个重大挑战：高碳排放（每吨水泥0.8~1.3吨二氧化碳）和微不足道的碳封存效果（排放量仅减少不到5%）。本研究通过将二氧化碳发泡技术与活性氧化镁（MgO）结合，提出了一种新型的碳酸化LCC（CLCC），形成了一种协同的“发泡-固化”系统。为了全面了解CLCC的物理化学性质和反应机理，进行了单因素（SF）试验，以研究MgO用量、二氧化碳泡沫体积和水灰比对其密度和抗压强度的影响。基于SF试验的结果，确定了这三个因素的最佳范围，并利用响应面法（RSM）确定了这些因素对湿密度和28天抗压强度的显著影响。最终确定了最佳配比为：MgO 6.32%、二氧化碳泡沫体积689.83升、水灰比0.61%。通过扫描电子显微镜结合能量分散X射线光谱（SEM-EDS）的微观结构分析，揭示了CLCC的强度形成机制：碳酸化反应和水化反应共同促进了强度的提升。值得注意的是，碳酸化反应的程度存在空间差异，靠近孔壁处的碳酸化程度更高。
引言
基于泡沫的轻质多孔混凝土（LCC）由于其轻质特性、自密实能力和热效率，在路基填充和建筑保温领域得到了广泛应用[[1], [2], [3], [4]]。然而，传统的依赖普通硅酸盐水泥（OPC）的生产过程会产生大量的二氧化碳排放和高能耗[[5], [6], [7]]，这与全球脱碳目标相矛盾。本研究创新性地开发了碳酸化LCC（CLCC），通过MgO和二氧化碳的协同作用实现碳减排和碳封存。
近期在低碳水泥体系方面的研究强调了工业副产品的利用。例如，钢渣的细度[[8]]、磨细的高炉矿渣（GGBS）的用量效果[[9]]，以及建筑和拆除废弃物中回收骨料的使用[[10]]都得到了系统的研究。活性MgO显示出双重功能：其活化GGBS的效果已经得到证实[[11]]，而Cwirzen[[12]]发现用MgO替代普通硅酸盐水泥会负面影响试样的力学性能和抗冻性。Vandeperre[[13,14]]的研究建立了MgO/OPC比例与力学性能之间的定量关系，并确定Mg(OH)?是主要的水化产物。当结合二氧化碳碳酸化作用时，Joonho等人[[15]]提出了MgO的最佳替代比例为水泥用量的10%，Xu等人[[16]]指出MgO在提高碳酸化效率和改善微观结构中的关键作用。尽管取得了这些进展，LCC体系中的协同碳酸化机制和孔结构调控机制仍不完全清楚。
泡沫系统对LCC的性能矩阵起着关键作用。Oiu等人[[17]]指出，致密的孔壁和坚固的微观结构显著提高了力学强度。Domenico等人[[18]]观察到，随着泡沫含量的增加，应力-应变行为从脆性转变为韧性。除了强度外，Sayadi等人[[19]]还发现，泡沫体积的增加不仅会导致LCC的抗压强度下降，还会降低其热导率。Panesar等人[[20]]指出，发泡剂的类型对热阻力的影响大于对力学性能的影响。Zhang等人[[21]]发现LCC的吸水性随泡沫含量的增加而线性增加。然而，与研究较为充分的空气发泡不同，二氧化碳发泡CLCC中孔形成和碳酸化强化的耦合机制尚不清晰，这是本工作的重点。
多尺度表征方法将微观结构特征与宏观性能联系起来。Ye等人[[22]]建立了密度/孔结构与LCC性能之间的相关性。Kou等人[[23]]表明，当孔隙率低于1000 kg/m3时，抗压强度急剧下降，而超过这一阈值后则趋于稳定。Liu等人的SEM研究[[24]]揭示了地质聚合物LCC的强度来源于C-S-H凝胶介导的颗粒聚集。Maglad[[25]]通过SEM观察到粉煤灰掺杂LCC的孔结构得到改善。Elrahman等人[[26]]利用微计算机断层扫描（CT）将热导率与微观结构相关联，并对试样的热导率和抗压强度进行了数值模拟。Liu等人[[27]]基于LCC的微观结构开发了一个耐久性评估框架。这些发现为分析CLCC的碳酸化产物分布和界面演化提供了重要工具。
为了全面了解CLCC的物理化学性质和反应机理，本文系统研究了MgO用量、二氧化碳泡沫体积和水灰比对CLCC密度和抗压强度的影响，并通过优化的泡沫性能表征方法量化了各因素的显著性，进而利用响应面法确定了最佳混合比。SEM和EDS分析进一步支持了对强度形成机制的深入理解。
材料
本研究使用的材料包括由马鞍山攀固水泥集团提供的OPC 42.5R（密度：3.08 g/cm3，比表面积：328 m2/kg），以及由日本Kishima Industries Co., Ltd.通过水镁石煅烧生产的活性MgO（碘吸附值：150 mg/g，密度：3.58 g/cm3）。威海中胜新型建筑材料有限公司提供了一种高分子量的复合水泥发泡剂，具有优异的泡沫稳定性和高发泡效率。二氧化碳来源于...
二氧化碳含量对泡沫密度、1小时沉降距离和1小时排水量的影响
图3展示了二氧化碳含量对泡沫密度、1小时沉降距离和1小时排水量的影响，实验过程如下。如图所示，泡沫密度几乎与二氧化碳含量成线性增加。这直接归因于二氧化碳的分子量大于空气，导致气泡内的气体密度更高，从而提高了泡沫的整体密度。此外，二氧化碳含量的增加...
结论
为了解决CLCC研究中的空白，本文提出了一种改进的制备工艺，改变了LCC的发泡方法。通过性能测试评估了影响CLCC密度和抗压强度的关键因素：MgO用量、二氧化碳泡沫体积和水灰比。响应面分析进一步确定了最佳混合比，而SEM/EDS分析揭示了强度形成的微观机制。主要结论如下：
(1)二氧化碳泡沫的性能
作者贡献声明
刘欣：监督、方法论、资金获取、概念构思。蔡健：撰写——初稿、数据管理。高远：可视化、数据管理。胡少斌：资源协调、方法论。傅宽峰：资源协调、数据分析。邵晓明：资源协调、数据分析。任恩：方法论、实验设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：51609071）、中央高校基本科研业务费（项目编号：2018B13714）和中国留学基金委（项目编号：201806715014）的资助。
