對再生骨料混凝土中 CO2 技術應用的評述

翻譯：寧夏，楊莉

（建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

Vivian W.Y. Tam a, Anthony Butera a, Khoa N. Le a, Wengui Li b

（a. 西悉尼大學計算、工程和數學學院，彭瑞斯，澳大利亞新南威爾士州 2751；b. 悉尼理工大學土木與環境工程學院，澳大利亞新南威爾士州 2007）

1 引言

廢棄物的可持續性管理和循環利用對于未來的可持續發展非常重要。在全球范圍內，建筑業垃圾的產量驚人，其年產量占垃圾總產量的 40%[1-3]。雖然日本、德國和荷蘭等國家對建筑廢棄物（CDW）的回收率達 80% 以上，但許多其他發達國家的回收率一般為20%～40%[3]，發展中國家的回收率幾乎 0%[4,5]。因此，必須提高建筑廢棄物的利用率，減少大量垃圾填埋場。

CDW 包括金屬、混凝土、礦物、木頭，以及雜質和未被分類的混合物。其中占比最大的、最終被填埋的部分為磚石類廢棄物，包括磚、瓦和混凝土[6]。將磚石類廢棄物填埋是巨大的浪費，因為它可以被回收制成骨料應用于混凝土中[7]。盡管磚石廢棄物，尤其是混凝土廢料作為骨料應用于混凝土生產中的可能性很大，但是與常用的原始骨料相比，其應用存在局限性。

用再生骨料 100% 替代原始骨料，制備的混凝土最終強度降低 30%～40%[8-12]。由于再生骨料的性能差強人意，只能在人行道和路基等做低等級的應用[13]，導致的結果就是大量的 CDW 仍需被填埋。所以應該提升再生骨料的性能，使之與原始骨料混凝土的性能相近，并做高品質應用。

再生骨料與原始骨料相比，力學性能不佳。由于硬化的水泥漿體（原建筑物混凝土中的殘余物）附著在原始骨料的表面，使再生骨料的密度低、吸水率高，存在額外的界面過渡區，并可能存在微裂縫[14-16]。

為了提高再生骨料和再生骨料混凝土的力學性能和耐久性能，人們已經做了多年的研究。改善再生骨料混凝土性能的方法有三種：（1）去除再生骨料表面附著的水泥；（2）提高再生骨料附著的水泥強度；（3）提高再生骨料混凝土的整體強度。

1.1 去除再生骨料附著的水泥

使用酸、熱和機械處理的方法能夠有效去除附著力較弱的水泥[17-31]。但是去除附著的水泥砂漿這種方法本質上是將其還原成原始骨料，因此就生產了另一種廢棄物。并且，混凝土之外的磚石類廢棄物不能用這些方法來處理。雖然去除再生骨料中的薄弱部分的方法有效，但是提高附著水泥的強度而再生骨料整體的回收率是更加實用的方案。此外，在處理骨料的過程中會增加成本[7,29]。

1.2 提高再生骨料附著水泥的強度

改善再生骨料性能，是提高再生骨料混凝土強度并避免大量廢棄物最終被填埋的最佳解決辦法。提升再生骨料強度，比通過添加外加劑調整配合比和去除再生骨料中的薄弱部分這兩種方法都好。再生骨料的最初改進技術包括兩步混合方法，即用各種膠凝材料預包裹再生骨料和微生物骨料改性[7,32-45]。提升再生骨料強度可以使本應被填埋的材料全部回收利用。Shi, Li[7]認為，在注入 CO2的同時提升骨料強度，這種方法是未來研究潛力最大的。

1.3 提高再生骨料混凝土的整體強度

提升已成型再生骨料混凝土的強度主要是對新拌水泥漿體和粘結基體的增強，因此，該方法的思路不在于提升再生骨料本身，而是提升整個復合結構的強度。該方法確實能夠使再生骨料完全回收利用，并且這種方法適用于所有再生骨料?；炷猎鰪娂夹g包括添加補充材料、化學外加劑，碳化養護和向新鮮水泥漿體注入CO2[46-55]。上述技術多數能使混凝土性能得到改善，但利用 CO2的方法是最引人注目的，因為該方法不但提高了再生骨料和混凝土的性能，還可以封存溫室氣體。

向再生骨料與新拌水泥漿中注入 CO2是個有研究潛力的領域，可為保護環境、對補強再生骨料的再利用以及封存 CO2提供了兩全齊美的解決方法。這種補強措施的理念源于自然碳化?；炷恋奶蓟?，是將其中的氫氧化鈣轉化為碳酸鈣的化學過程。產生的碳酸鈣填充了水泥漿體的空隙，使結構更密實，并減少了水泥對水的吸附[45,56-59]。但這個反應過程進行緩慢，并且水泥漿體堿性降低，將導致未經處理的鋼筋腐蝕。在試驗室條件下可加速該過程，并依據碳化方法進行補強?？梢詫τ绊懱挤獯娴脑S多因素進行優化，如碳化壓力和碳化時間，但一般認為碳化的最佳條件是，溫度為 22℃、相對濕度為 50%～60%。在最佳相對濕度下，能夠為碳化反應提供適量的水分，并且不會有多余的水分阻礙 CO2進入混凝土[53,60-63]。使用上述方法注入 CO2都會發生相同的反應，見式 (1)。

本文從兩方面，對再生骨料混凝土中應用 CO2的相關技術進行綜述：（1）實用性，（2）混凝土的最終質量。最可能在混凝土中注入 CO2的實用方法有兩種：（1）碳化處理，（2）碳化養護。

2 碳化處理、碳化養護和其他 CO2 綜合技術

2.1 碳化處理

碳化處理是在可密封的碳化室中將 CO2注入再生骨料。在碳化室中，以不同的 CO2濃度、濕度、溫度、碳化持續時間和碳化壓力，將 CO2注入再生骨料中，上述條件對再生骨料質量的改善都有影響。碳化處理增強了附著在再生骨料表面的水泥強度，改善了再生骨料本身，最終有助于提高再生骨料混凝土的質量，這種混凝土被稱為二氧化碳混凝土[45,57,59,64]。圖 1 為再生骨料碳化處理的經典示意圖。

圖1 碳化處理室典型設計

2.2 碳化養護

碳化養護與碳化處理相同，依賴于 CO2與水泥漿體的反應。但是碳化養護是在混凝土拌合成型后，對混凝土塊進行碳化。該技術使新拌水泥漿體碳化，為提高混凝土質量，在某些情況下允許加速養護。碳化養護受參數影響，如 CO2濃度、溫度、濕度、碳化持續時間、碳化壓力和被介入的混凝土樣品尺寸。碳化養護通過調整各參數，加強新拌水泥漿體與骨料的致密程度來提高混凝土質量[52,53,55,65]?？傊?，碳化養護在混凝土澆筑成型之后的工藝與碳化處理相同。圖 2 為碳化養護的典型設備示意圖。

圖2 碳化養護室典型設計

2.3 其他的 CO2 技術

雖然向再生骨料和混凝土塊注入 CO2這種方法占碳封存研究的大部分，但是個別研究人員用自己獨特的方法進行了試驗。Monkman 和 MacDonald[51]在混凝土拌合的短暫過程中將 CO2注入水泥，通過將新拌水泥漿體中的氫氧化鈣轉換成碳酸鈣，實現硬化混凝土的增強，并能促進早強[51,54]。Haselbach 和 Thomle[66]提出了碳封存的另一種方法，使用碳酸氫鹽溶液而非 CO2氣體進行碳封存。該方法能夠使氫氧化鈣快速轉換成碳酸鈣，這也導致混凝土的堿度加速降低[66]?；炷恋牧W性能還需要進一步的試驗驗證。

已有研究在向水泥基材料中注入 CO2的過程中利用了高溫[67]。在保持適宜的濕度條件下，高溫能夠加速碳的封存。Wang, Noguchi[67]在過程中通過定期加水來保持環境濕度。但是，水泥基材料的力學性能同樣還需要試驗驗證。

3 碳化處理后的混凝土性能

本節討論經過碳化處理、碳化養護和其他碳封存方法處理的混凝土硬化后的性能改善。討論主要集中在已注入 CO2的混凝土性能，而不僅側重于某個材料，如各種水泥的碳化速率，因為這并不能代表最終混凝土的性能改善。

3.1 碳化處理

表1 列出了不同的研究者各自試驗設計條件下碳化處理對混凝土的影響。根據所使用的混凝土原材料、CO2濃度、碳化壓力和碳化時間得到的一系列數據表明，碳化處理效果優異。

表1 列出了碳化壓力為 10～500kPa，碳化時間為30 分鐘至 3 周，以及 CO2濃度為 5%～100% 的碳化結果。根據每個碳化條件的變化，100% 再生骨料混凝土的抗壓強度可與原始骨料混凝土相近。Kou, Zhan[57]，Li, Poon[69]和 Xuan, Zhan[74]的研究結果顯示，抗壓強度相比于原始骨料混凝土損失了 1%～8%。達到理想結果的關鍵因素是長達 1～7 天的碳化時間。持續長時間的碳化能夠使 CO2深入骨料內部，將氫氧化鈣幾乎全部轉化成碳酸鈣，從而使骨料更加致密[57,69,74]。Tam,Butera[45]提出了另一種方法，碳化時間最長 90 分鐘，能使 100% 再生骨料混凝土的抗壓強度達到摻 15% 原始骨料的混凝土的抗壓強度。這種趨勢表明，發生自然碳化的反應速率是很快的，但反應因外表面被碳化而減慢。由于再生骨料外表面碳化后會形成更致密的外殼，使得再生骨料內部更難發生碳化反應[45,63,75]。另外，應根據所需強度選擇碳化時間，因為完全碳化與碳化時間之間的關系不是線性的。試驗結果表明碳化處理后，再生骨料混凝土的抗壓強度整體提升，這與印象中再生骨料混凝土的抗壓強度比原始骨料混凝土低 30%～40%完全不同[10,12,76]。

表1 再生骨料混凝土碳化處理的影響評估

續表 1

Wu, Zhang[62]和 Li, Xiao[70]的研究中碳化時間持續了 3 周。這么長碳化時間是由于所選再生骨料。為了制備骨料，成型了直徑為 100mm、高度為 200mm 的水泥圓柱體，然后先對其碳化，再破碎成再生骨料。碳化圓柱體材料的表面積顯著降低，易于碳化的區域變少了，因此增加了水泥完全碳化所需要的時間。并且，如上文所述，被碳化后的外表面密度增加，導致碳化反應減慢，這在大質量、小表面積的材料中更明顯[45,63,75]。相應的，由于再生骨料的表面積大，所以碳化速度快。

表1 對碳化壓力重要性進行了討論。碳化壓力在 10～500kPa 區間內影響并不大，結果相近。Xuan,Zhan[74]提出了類似的發現，在兩種壓力下材料的力學和物理性能幾乎相同。證明再生骨料的碳化可以在低壓下完成，這有利于實現對混凝土的補強。雖然猜測高壓能使 CO2深入再生骨料的內部，但它不能使最終混凝土的強度顯著增加。

為加速碳化通常要求 CO2的濃度達 100%。而當使用礦渣等代替廢棄物時，碳化法在 CO2含量較低的情況下仍然可行[68]。為了確保再生骨料的加速碳化，要求較高的 CO2濃度。

碳化處理后的再生骨料混凝土的干燥收縮和力學性能得到了極大的改善（表 1）。再生骨料混凝土的干燥收縮比原始骨料混凝土大 50%[65]。再生骨料混凝土的干燥收縮大，是因為再生骨料吸水率大，吸收了大量的自由水，導致混凝土體積穩定性差[11,77,78]。由表 1 可以看出，碳化處理后的再生骨料混凝土干燥收縮非常小，因為較小碳酸鈣的形成會阻礙再生骨料對水的吸收，從而降低混凝土的干燥收縮[65,68,71,72]。

混凝土用再生骨料的碳化處理是極具潛力的技術，預處理工藝簡單，同時可獲得與原始骨料混凝土質量相似的優異性能。

3.2 碳化養護和其他 CO2 技術

表2 列出了與再生骨料混凝土碳化養護相關的研究結果。研究所使用的方法不同，包括對混凝土力學性能的提升和增加混凝土早期強度。Monkman 和MacDonald[54]，Monkman 和 MacDonald[51]提出了將CO2氣體用于新拌水泥漿體的另類代替用法。

碳化養護不但能提高混凝土的力學性能，還能提高混凝土的早期強度，與原始骨料混凝土相比，早期強度可提高 15%～20%[51-56,58,60,63,66,75,79-83]。表 2 表明，碳化養護是實現早強的好辦法，在某些情況下，由于氫氧化鈣早期轉化為碳酸鈣，早期強度可達到原始骨料混凝土的28 天強度[79]。

與碳化處理相似，碳化養護通過利用更長的碳化時間，能使再生骨料混凝土強度得到更大的提升。然而，已有的大部分研究方法并不能達到完全碳化，并且碳化持續的時間較長，為 1～7d[52,58]。一般，碳化試塊的中心仍呈堿性，這意味著氫氧化鈣并未完全轉化成碳酸鈣。在表 2 中突出顯示了再生骨料混凝土的不完全碳化現象較普遍，這歸因于較小的比表面積[45,63,75]。反之，如果整個混凝土被碳化，那么與混凝土一起使用的鋼筋將會失去鈍化保護層，導致鋼筋腐蝕[6,78]。

表2 再生骨料混凝土碳化養護的影響評估

碳化養護的碳化壓力在 2～6h 后變得很低，在混凝土試塊表面的碳化層顯著降低了材料的碳化速率。相應的，可以選擇較低的碳化壓力來增加經濟效益[52,79-81]。

Zhan, Xuan[81]研究結果比較有意思。先將混凝土浸泡在石灰水中，這可為碳化養護提供更多可轉化成碳酸鈣的物質，這比只使用碳化養護的效果更佳。該方法可以擴展到再生骨料中，以進一步改善材料的性能。

Monkman 和 MacDonald[54]，Monkman 和 MacDonald[51]提供了另一種與碳化養護理念類似的替代技術。在新拌水泥漿體中加入 CO2試劑同時進行攪拌，不養護。該試劑可將氫氧化鈣轉化成碳酸鈣，從而使混凝土具有較高的早期強度。補強混凝土技術產生的效果與使用優質再生骨料的混凝土的結果相似。在保證獲得相似強度的前提下，應分析方法的實用性，以便于改進。

4 碳化處理與碳化養護的實用性對比

研究在對澆筑成型的混凝土與再生骨料中加速CO2封存，重點考察最終混凝土的質量[7]。使用相似的裝置，碳化養護的效果優良，但與碳化處理相比還存在一些問題和不切實際之處[65,73]。

混凝土澆筑后再碳化的不切實際之處在于將氣體注入需要更大的空間，這無法在施工現場實現，并且要求混凝土為大型的預制構件。第二，已碳化的混凝土表面變得更加致密，CO2向水泥內部的滲入因通道受阻而變得困難[64,81]。第三，表面積越大，材料碳化的速率越大，因此再生骨料或者說碳化處理的碳化率更高[45,66]。

氫氧化鈣轉化成碳酸鈣會使水泥漿的 pH 值變?。ɑ虺仕嵝原h境），這會引起鋼筋的腐蝕[55,75]。為了能獲得良好的力學性能，必須繞開這個問題。采用碳化養護很難解決這個問題，因為整個水泥漿體都被碳化并與鋼筋接觸。采用碳化處理，只有骨料被碳化，這會降低附著其上的水泥砂漿的 pH 值，但在混凝土中，骨料一般都被水泥漿包裹，很難與鋼筋接觸。此外，原始骨料巖石的 pH 值被認為與碳化再生骨料的 pH 值相接

近[78,84]。

碳化養護不會改善再生骨料本身的性能，但是提高了新拌水泥凝膠材料的性能[53,58,79]。碳化養護的局限性與添加礦物摻合料的相似，僅對混凝土有改善，對再生骨料沒有改善。因此，使用原始骨料與碳化養護相結合的方法能使混凝土得到更佳的力學性能。Ahmad 和Assaggaf[58]、Monkman 和 MacDonald[54]不使用再生骨料做了類似的研究。

雖然碳化養護在實用性方面受到影響，但該技術確實能提高混凝土早期強度，因此，如果對早期強度有要求，則應采用碳化養護的方法。

再生骨料的碳化處理處理方法看起來更具實用性，并緩解了對再生混凝土補強時可能產生的問題。表 3 對比了碳化養護和碳化處理的工藝，并確定了使用的方法及其實用性關系。

表3 碳化養護與碳化處理的實用性對比

續表 2

5 結論

向水泥基材料中注入 CO2以改善再生骨料混凝土的性能是一個創新的研究領域。目前常用的兩種方法——碳化處理和碳化養護，能使再生骨料混凝土的力學性能和耐久性能與原始骨料混凝土相似。這兩種方式均是將氫氧化鈣轉化成碳酸鈣，從而獲得相似的力學性能。但是這兩種方法中，由于碳化處理更具可操作性，普通混凝土一般選擇碳化處理技術。主要結論如下：

（1）由于再生骨料具有更大的表面積，碳化更容易，速率更快。

（2）對再生骨料的碳化處理可在混凝土拌制前完成，碳化養護必須在混凝土拌制后進行，所以該方法限用于預制構件。

（3）碳化養護的混凝土塊較大，需要更大的碳化養護室才能進行商業使用。

（4）對混凝土塊進行碳化較困難，并且會引起鋼筋腐蝕。

（5）碳化養護針對新拌水泥漿體，而非再生骨料。

（6）碳化養護會促使混凝土早強。

兩種技術都具有良好的效果，并且能夠封存 CO2，有助于減少溫室氣體，對再生骨料進行碳化處理是廢棄物回收利用最可行的方法。本文深入介紹了如何利用CO2來提高再生骨料和再生骨料混凝土的性能。

聲明

作者聲明，相互間沒有已知的可能影響本文所述工作的競爭經濟利益或個人關系。