對(duì)再生骨料混凝土中 CO2 技術(shù)應(yīng)用的評(píng)述

翻譯：寧夏，楊莉

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)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(xué)計(jì)算、工程和數(shù)學(xué)學(xué)院，彭瑞斯，澳大利亞新南威爾士州 2751；b. 悉尼理工大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，澳大利亞新南威爾士州 2007）

1 引言

廢棄物的可持續(xù)性管理和循環(huán)利用對(duì)于未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展非常重要。在全球范圍內(nèi)，建筑業(yè)垃圾的產(chǎn)量驚人，其年產(chǎn)量占垃圾總產(chǎn)量的 40%[1-3]。雖然日本、德國(guó)和荷蘭等國(guó)家對(duì)建筑廢棄物（CDW）的回收率達(dá) 80% 以上，但許多其他發(fā)達(dá)國(guó)家的回收率一般為20%～40%[3]，發(fā)展中國(guó)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(chǎng)。

CDW 包括金屬、混凝土、礦物、木頭，以及雜質(zhì)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(fèi)，因?yàn)樗梢员换厥罩瞥晒橇蠎?yīng)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(yīng)用于混凝土生產(chǎn)中的可能性很大，但是與常用的原始骨料相比，其應(yīng)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(qiáng)度降低 30%～40%[8-12]。由于再生骨料的性能差強(qiáng)人意，只能在人行道和路基等做低等級(jí)的應(yīng)用[13]，導(dǎo)致的結(jié)果就是大量的 CDW 仍需被填埋。所以應(yīng)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(zhì)應(yīng)用。

再生骨料與原始骨料相比，力學(xué)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(guò)渡區(qū)，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(xué)性能和耐久性能，人們已經(jīng)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(qiáng)度；（3）提高再生骨料混凝土的整體強(qiáng)度。

1.1 去除再生骨料附著的水泥

使用酸、熱和機(jī)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(zhì)上是將其還原成原始骨料，因此就生產(chǎn)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(lái)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(qiáng)度而再生骨料整體的回收率是更加實(shí)用的方案。此外，在處理骨料的過(guò)程中會(huì)增加成本[7,29]。

1.2 提高再生骨料附著水泥的強(qiáng)度

改善再生骨料性能，是提高再生骨料混凝土強(qiáng)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(qiáng)度，比通過(guò)添加外加劑調(diào)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(jìn)技術(shù)包括兩步混合方法，即用各種膠凝材料預(yù)包裹再生骨料和微生物骨料改性[7,32-45]。提升再生骨料強(qiáng)度可以使本應(yīng)被填埋的材料全部回收利用。Shi, Li[7]認(rèn)為，在注入 CO2的同時(shí)提升骨料強(qiáng)度，這種方法是未來(lái)研究潛力最大的。

1.3 提高再生骨料混凝土的整體強(qiáng)度

提升已成型再生骨料混凝土的強(qiáng)度主要是對(duì)新拌水泥漿體和粘結(jié)基體的增強(qiáng)，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(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。該方法確實(shí)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?qiáng)技術(shù)包括添加補(bǔ)充材料、化學(xué)外加劑，碳化養(yǎng)護(hù)和向新鮮水泥漿體注入CO2[46-55]。上述技術(shù)多數(shù)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?yàn)樵摲椒ú坏岣吡嗽偕橇虾突炷恋男阅?，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(gè)有研究潛力的領(lǐng)域，可為保護(hù)環(huán)境、對(duì)補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)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(zhuǎn)化為碳酸鈣的化學(xué)過(guò)程。產(chǎn)生的碳酸鈣填充了水泥漿體的空隙，使結(jié)構(gòu)更密實(shí)，并減少了水泥對(duì)水的吸附[45,56-59]。但這個(gè)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行緩慢，并且水泥漿體堿性降低，將導(dǎo)致未經(jīng)處理的鋼筋腐蝕。在試驗(yàn)室條件下可加速該過(guò)程，并依據(jù)碳化方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)?？梢詫?duì)影響碳封存的許多因素進(jìn)行優(yōu)化，如碳化壓力和碳化時(shí)間，但一般認(rèn)為碳化的最佳條件是，溫度為 22℃、相對(duì)濕度為 50%～60%。在最佳相對(duì)濕度下，能夠?yàn)樘蓟磻?yīng)提供適量的水分，并且不會(huì)有多余的水分阻礙 CO2進(jìn)入混凝土[53,60-63]。使用上述方法注入 CO2都會(huì)發(fā)生相同的反應(yīng)，見(jiàn)式 (1)。

本文從兩方面，對(duì)再生骨料混凝土中應(yīng)用 CO2的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行綜述：（1）實(shí)用性，（2）混凝土的最終質(zhì)量。最可能在混凝土中注入 CO2的實(shí)用方法有兩種：（1）碳化處理，（2）碳化養(yǎng)護(hù)。

2 碳化處理、碳化養(yǎng)護(hù)和其他 CO2 綜合技術(shù)

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(xù)時(shí)間和碳化壓力，將 CO2注入再生骨料中，上述條件對(duì)再生骨料質(zhì)量的改善都有影響。碳化處理增強(qiáng)了附著在再生骨料表面的水泥強(qiáng)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(zhì)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(jīng)典示意圖。

圖1 碳化處理室典型設(shè)計(jì)

2.2 碳化養(yǎng)護(hù)

碳化養(yǎng)護(hù)與碳化處理相同，依賴于 CO2與水泥漿體的反應(yīng)。但是碳化養(yǎng)護(hù)是在混凝土拌合成型后，對(duì)混凝土塊進(jìn)行碳化。該技術(shù)使新拌水泥漿體碳化，為提高混凝土質(zhì)量，在某些情況下允許加速養(yǎng)護(hù)。碳化養(yǎng)護(hù)受參數(shù)影響，如 CO2濃度、溫度、濕度、碳化持續(xù)時(shí)間、碳化壓力和被介入的混凝土樣品尺寸。碳化養(yǎng)護(hù)通過(guò)調(diào)整各參數(shù)，加強(qiáng)新拌水泥漿體與骨料的致密程度來(lái)提高混凝土質(zhì)量[52,53,55,65]?？傊?，碳化養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)的典型設(shè)備示意圖。

圖2 碳化養(yǎng)護(hù)室典型設(shè)計(jì)

2.3 其他的 CO2 技術(shù)

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(gè)別研究人員用自己獨(dú)特的方法進(jìn)行了試驗(yàn)。Monkman 和 MacDonald[51]在混凝土拌合的短暫過(guò)程中將 CO2注入水泥，通過(guò)將新拌水泥漿體中的氫氧化鈣轉(zhuǎn)換成碳酸鈣，實(shí)現(xiàn)硬化混凝土的增強(qiáng)，并能促進(jìn)早強(qiáng)[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(jìn)行碳封存。該方法能夠使氫氧化鈣快速轉(zhuǎn)換成碳酸鈣，這也導(dǎo)致混凝土的堿度加速降低[66]?；炷恋牧W(xué)性能還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

已有研究在向水泥基材料中注入 CO2的過(guò)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(guò)程中通過(guò)定期加水來(lái)保持環(huán)境濕度。但是，水泥基材料的力學(xué)性能同樣還需要試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 碳化處理后的混凝土性能

本節(jié)討論經(jīng)過(guò)碳化處理、碳化養(yǎng)護(hù)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(cè)重于某個(gè)材料，如各種水泥的碳化速率，因?yàn)檫@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(yàn)設(shè)計(jì)條件下碳化處理對(duì)混凝土的影響。根據(jù)所使用的混凝土原材料、CO2濃度、碳化壓力和碳化時(shí)間得到的一系列數(shù)據(jù)表明，碳化處理效果優(yōu)異。

表1 列出了碳化壓力為 10～500kPa，碳化時(shí)間為30 分鐘至 3 周，以及 CO2濃度為 5%～100% 的碳化結(jié)果。根據(jù)每個(gè)碳化條件的變化，100% 再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)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(jié)果顯示，抗壓強(qiáng)度相比于原始骨料混凝土損失了 1%～8%。達(dá)到理想結(jié)果的關(guān)鍵因素是長(zhǎng)達(dá) 1～7 天的碳化時(shí)間。持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的碳化能夠使 CO2深入骨料內(nèi)部，將氫氧化鈣幾乎全部轉(zhuǎn)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(shí)間最長(zhǎng) 90 分鐘，能使 100% 再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到摻 15% 原始骨料的混凝土的抗壓強(qiáng)度。這種趨勢(shì)表明，發(fā)生自然碳化的反應(yīng)速率是很快的，但反應(yīng)因外表面被碳化而減慢。由于再生骨料外表面碳化后會(huì)形成更致密的外殼，使得再生骨料內(nèi)部更難發(fā)生碳化反應(yīng)[45,63,75]。另外，應(yīng)根據(jù)所需強(qiáng)度選擇碳化時(shí)間，因?yàn)橥耆蓟c碳化時(shí)間之間的關(guān)系不是線性的。試驗(yàn)結(jié)果表明碳化處理后，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度整體提升，這與印象中再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)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(píng)估

續(xù)表 1

Wu, Zhang[62]和 Li, Xiao[70]的研究中碳化時(shí)間持續(xù)了 3 周。這么長(zhǎng)碳化時(shí)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(duì)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(qū)域變少了，因此增加了水泥完全碳化所需要的時(shí)間。并且，如上文所述，被碳化后的外表面密度增加，導(dǎo)致碳化反應(yīng)減慢，這在大質(zhì)量、小表面積的材料中更明顯[45,63,75]。相應(yīng)的，由于再生骨料的表面積大，所以碳化速度快。

表1 對(duì)碳化壓力重要性進(jìn)行了討論。碳化壓力在 10～500kPa 區(qū)間內(nèi)影響并不大，結(jié)果相近。Xuan,Zhan[74]提出了類似的發(fā)現(xiàn)，在兩種壓力下材料的力學(xué)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(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的補(bǔ)強(qiáng)。雖然猜測(cè)高壓能使 CO2深入再生骨料的內(nèi)部，但它不能使最終混凝土的強(qiáng)度顯著增加。

為加速碳化通常要求 CO2的濃度達(dá) 100%。而當(dāng)使用礦渣等代替廢棄物時(shí)，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(xué)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?yàn)樵偕橇衔蚀?，吸收了大量的自由水，?dǎo)致混凝土體積穩(wěn)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?yàn)檩^小碳酸鈣的形成會(huì)阻礙再生骨料對(duì)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(shù)，預(yù)處理工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)可獲得與原始骨料混凝土質(zhì)量相似的優(yōu)異性能。

3.2 碳化養(yǎng)護(hù)和其他 CO2 技術(shù)

表2 列出了與再生骨料混凝土碳化養(yǎng)護(hù)相關(guān)的研究結(jié)果。研究所使用的方法不同，包括對(duì)混凝土力學(xué)性能的提升和增加混凝土早期強(qiáng)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(yǎng)護(hù)不但能提高混凝土的力學(xué)性能，還能提高混凝土的早期強(qiáng)度，與原始骨料混凝土相比，早期強(qiáng)度可提高 15%～20%[51-56,58,60,63,66,75,79-83]。表 2 表明，碳化養(yǎng)護(hù)是實(shí)現(xiàn)早強(qiáng)的好辦法，在某些情況下，由于氫氧化鈣早期轉(zhuǎn)化為碳酸鈣，早期強(qiáng)度可達(dá)到原始骨料混凝土的28 天強(qiáng)度[79]。

與碳化處理相似，碳化養(yǎng)護(hù)通過(guò)利用更長(zhǎng)的碳化時(shí)間，能使再生骨料混凝土強(qiáng)度得到更大的提升。然而，已有的大部分研究方法并不能達(dá)到完全碳化，并且碳化持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，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(zhuǎn)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(xiàn)象較普遍，這歸因于較小的比表面積[45,63,75]。反之，如果整個(gè)混凝土被碳化，那么與混凝土一起使用的鋼筋將會(huì)失去鈍化保護(hù)層，導(dǎo)致鋼筋腐蝕[6,78]。

表2 再生骨料混凝土碳化養(yǎng)護(hù)的影響評(píng)估

碳化養(yǎng)護(hù)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(yīng)的，可以選擇較低的碳化壓力來(lái)增加經(jīng)濟(jì)效益[52,79-81]。

Zhan, Xuan[81]研究結(jié)果比較有意思。先將混凝土浸泡在石灰水中，這可為碳化養(yǎng)護(hù)提供更多可轉(zhuǎn)化成碳酸鈣的物質(zhì)，這比只使用碳化養(yǎng)護(hù)的效果更佳。該方法可以擴(kuò)展到再生骨料中，以進(jìn)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(yǎng)護(hù)理念類似的替代技術(shù)。在新拌水泥漿體中加入 CO2試劑同時(shí)進(jìn)行攪拌，不養(yǎng)護(hù)。該試劑可將氫氧化鈣轉(zhuǎn)化成碳酸鈣，從而使混凝土具有較高的早期強(qiáng)度。補(bǔ)強(qiáng)混凝土技術(shù)產(chǎn)生的效果與使用優(yōu)質(zhì)再生骨料的混凝土的結(jié)果相似。在保證獲得相似強(qiáng)度的前提下，應(yīng)分析方法的實(shí)用性，以便于改進(jìn)。

4 碳化處理與碳化養(yǎng)護(hù)的實(shí)用性對(duì)比

研究在對(duì)澆筑成型的混凝土與再生骨料中加速CO2封存，重點(diǎn)考察最終混凝土的質(zhì)量[7]。使用相似的裝置，碳化養(yǎng)護(hù)的效果優(yōu)良，但與碳化處理相比還存在一些問(wèn)題和不切實(shí)際之處[65,73]。

混凝土澆筑后再碳化的不切實(shí)際之處在于將氣體注入需要更大的空間，這無(wú)法在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，并且要求混凝土為大型的預(yù)制構(gòu)件。第二，已碳化的混凝土表面變得更加致密，CO2向水泥內(nèi)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(shuō)碳化處理的碳化率更高[45,66]。

氫氧化鈣轉(zhuǎn)化成碳酸鈣會(huì)使水泥漿的 pH 值變小（或呈酸性環(huán)境），這會(huì)引起鋼筋的腐蝕[55,75]。為了能獲得良好的力學(xué)性能，必須繞開(kāi)這個(gè)問(wèn)題。采用碳化養(yǎng)護(hù)很難解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檎麄€(gè)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(huì)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(rèn)為與碳化再生骨料的 pH 值相接

近[78,84]。

碳化養(yǎng)護(hù)不會(huì)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(yǎng)護(hù)的局限性與添加礦物摻合料的相似，僅對(duì)混凝土有改善，對(duì)再生骨料沒(méi)有改善。因此，使用原始骨料與碳化養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的方法能使混凝土得到更佳的力學(xué)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(yǎng)護(hù)在實(shí)用性方面受到影響，但該技術(shù)確實(shí)能提高混凝土早期強(qiáng)度，因此，如果對(duì)早期強(qiáng)度有要求，則應(yīng)采用碳化養(yǎng)護(hù)的方法。

再生骨料的碳化處理處理方法看起來(lái)更具實(shí)用性，并緩解了對(duì)再生混凝土補(bǔ)強(qiáng)時(shí)可能產(chǎn)生的問(wèn)題。表 3 對(duì)比了碳化養(yǎng)護(hù)和碳化處理的工藝，并確定了使用的方法及其實(shí)用性關(guān)系。

表3 碳化養(yǎng)護(hù)與碳化處理的實(shí)用性對(duì)比

續(xù)表 2

5 結(jié)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(gè)創(chuàng)新的研究領(lǐng)域。目前常用的兩種方法——碳化處理和碳化養(yǎng)護(hù)，能使再生骨料混凝土的力學(xué)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(zhuǎn)化成碳酸鈣，從而獲得相似的力學(xué)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(shù)。主要結(jié)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(duì)再生骨料的碳化處理可在混凝土拌制前完成，碳化養(yǎng)護(hù)必須在混凝土拌制后進(jìn)行，所以該方法限用于預(yù)制構(gòu)件。

（3）碳化養(yǎng)護(hù)的混凝土塊較大，需要更大的碳化養(yǎng)護(hù)室才能進(jìn)行商業(yè)使用。

（4）對(duì)混凝土塊進(jìn)行碳化較困難，并且會(huì)引起鋼筋腐蝕。

（5）碳化養(yǎng)護(hù)針對(duì)新拌水泥漿體，而非再生骨料。

（6）碳化養(yǎng)護(hù)會(huì)促使混凝土早強(qiáng)。

兩種技術(shù)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(duì)再生骨料進(jìn)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(lái)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(méi)有已知的可能影響本文所述工作的競(jìng)爭(zhēng)經(jīng)濟(jì)利益或個(gè)人關(guān)系。