摘要
为了更好地利用透水混凝土的多孔特性，提出并设计了一种新型的流通法养护装置，旨在探索更适合透水混凝土的CO2养护方法.通过试验探讨了养护时间这一关键参数，并且在固碳率、抗压强度和微观结构等方面与传统的静态养护方法（包括加压和常压养护）进行了对比.结果表明：流通法能够通过气流带走透水混凝土内部多余的水分，从而实现水分的均匀分布，同时还能减少预处理步骤并促进混凝土的碳酸化；流通法有效消除了试件内外的碳化不均匀，显著提升了混凝土的抗压强度.
自从工业革命以来，全球变暖、极端天气以及动植物灭绝等生态环境问题接踵而至，大气中CO2含量的激增则被认为是罪魁祸首之一. CO2养护水泥基材料技术可以大量封存CO2，已经受到了广泛的关注. 据报道，世界水泥材料的产量已达44亿 t/a且逐年增
透水混凝土含有大量孔径为2~8 mm且相互连接的宏观孔隙，这些孔隙能促进内部的同步碳化，因而透水混凝土被认为是理想的碳化养护原材
本研究提出了一种常压的流通式透水混凝土养护方法（流通法）. 通过自行设计的养护装置实现养护，并与多种养护条件下的常压法、加压法进行了试验比较，研究了流通法对透水混凝土固碳率、抗压强度和微观结构的影响. 同时，还通过测定混凝土内部和表面的自由水含量分析了流通CO2养护的作用. 本研究为提升透水混凝土产品的养护效果提供了新的方向，同时对混凝土行业碳减排以及碳中和目标的实现具有积极的推动作用.
制备透水混凝土的原材料有P·O 42.5普通硅酸盐水泥、天然碎石骨料和自来水. 水泥的化学组成（质量分数，文中涉及的组成、水胶比除特别说明外均为质量分数或质量比）如
| CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | SO3 | K2O | Na2O | P2O5 | Other |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 61.810 | 19.960 | 6.220 | 3.645 | 3.250 | 3.150 | 1.120 | 0.320 | 0.090 | 0.435 |
所有的透水混凝土试件遵循同样的配合比和制备方法. 水胶比为0.28，骨胶比为6. 制备过程如下：首先，将骨料和一半的水搅拌混合30 s，以确保骨料充分润湿；随后，加入一半的水泥和所有减水剂，搅拌3 min；接着，将剩余的水和水泥加入混合物中，再搅拌3 min；最后，将混合浆料倒入100 mm×100 mm×100 mm的方形塑料模具中，并在模具上覆盖1层塑料薄膜，以防止水分的过度蒸发. 试件在（25±2） ℃条件下静置8 h后脱模.
脱模后的试件分为静态养护组（ambient pressure）和流通养护组（flow）. 为了探究流通法养护的性能表现情况，选取静态养护中0.3 MPa下的加压养护试件作为对照组（pressure）.混凝土碳化养护相关的试验表明，在碳化养护前需要先控制水泥基质中的水分以确保最佳的养护效果，而预处理是目前最常用的方法之
为了更清晰地阐述养护步骤，结合2种养护方式的装置原理图及实物图进行说明，如
图1 2种养护方式的装置原理图及实物图
Fig.1 Schematic and actual images of devices for two curing methods
静态养护装置如
透水混凝土的抗压强度依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，采用YAW—1000D型自动恒应力试验机进行测试.
透水混凝土整体和不同深度的固碳率分别通过2种方法确定. 整体的固碳率（）通过质量增加法获得：
| （1） |
式中：mb为CO2养护前的试件质量，g；ma为养护后的试件质量，g；mw为反应过程中试件排出的自由水量，g；mc为每个试件中水泥的质量，g.
混凝土不同深度处的固碳率则通过热重分析法（TG）确定. 对进行抗压强度测试后的试件直接取样. 从试件的表面（0~5 mm）和中心（40~45 mm处）分别取下5~10 g水泥碎块，球磨干燥后使用METTLER TOLEDO TGA/DSC3+型热重分析仪进行测试. 对于每组样品，取5~10 mg干燥粉末，在N2保护下从常温加热至1 000 ℃，升温速率为10 ℃/min. 同时每次测试还可获得差示扫描量热法（DSC）的数据.
此外，在CO2养护后，另取每组中的试件，从中间切成两半，在截面处喷洒 1%酚酞乙醇溶液，12 h后观察测量其碳化深度和程度.
在热重分析过程中取得的水泥碎块样品也用于测定不同深度处的自由水含量（Cw）.将样品在105 ℃的真空烘箱中烘干直至恒重，期间的质量损失即为样品的剩余自由水质量（m1）. 样品（质量为mp）的Cw根据
| （2） |
另取3组试件中心（40~45 mm）处的水泥碎块样品，在无水乙醇中浸泡7 d，以防止其进一步水化. 然后，将样品干燥（真空干燥，60 ℃，12 h）后采用JEOL JSM-6380LV型扫描电子显微镜（SEM）观察其微观结构.
图2 流通法养护装置内CO2体积分数随碳化时间的变化
Fig.2 Variation of CO2 volume fraction inside flow curing device with carbonation time
图3 不同碳化时间下的静态加压养护固碳率
Fig.3 CO2 uptake of ambient pressure curing at different carbonation times
综上，加压养护组需要16.0 h的预处理以及8.0 h的碳酸化反应，以达到较理想的养护效果. 而流通法养护仅需10.0 h的碳酸化反应时长，这有助于提高效率和节省能源消耗. 常压养护的方案与流通法相同，无预处理且碳化时长为10.0 h. 与其他不同原理的流动养护试验及静态CO2养护方案相比，本研究中的流通养护都具有更高的时间效
图4 3组试件表面及中心的固碳率与整体抗压强度
Fig.4 CO2 uptake at surface and center of three groups of specimens and overall compressive strength
（1）流通法养护试件表面（0~5 mm）与中心（40~45 mm）2处的固碳率均为最高（约14%），尤其是内部固碳率明显高于其他2组，不仅明显高于常压养护（约2%），而且高于以性能出色著称的加压养护（约8%）.
（2）流通法试件在表面与中心2处的固碳率几乎一致. 而静态常压和加压养护试件在表面与中心2处的固碳率有明显的差距. 严重的碳化不均匀性对试件的强度造成了负面影响. 流通法试件的抗压强度同样最高，为14.7 MPa. 有研究表明，碳化养护过程可以快速提高水泥基材料的早期强度，其原因在于：一方面，早期碳化反应中迅速生成的CaCO3具有较高的强度，为主要的强度来源；另一方面，CaCO3等产物能有效地填补水泥石中的毛细孔，提高了水泥基材料的密实
总体而言，流通法养护在提高透水混凝土的固碳率和强度方面展现出了显著的优势，这可归因于其在减少内外部碳化不均匀性方面的独特优势.
图5 CO2养护后3组试件的截面碳化情况
Fig.5 Cross‑sectional carbonation images of three groups of specimens after CO2 curing
图6 3组试件中心处的TG‑DSC曲线
Fig.6 TG‑DSC curves of center of three groups of specimens
（1）105 ℃以下的质量损失可归因于游离水的蒸发，105~420 ℃为化学结合水的损失，包括水化硅酸钙（C‑S‑H）、水化铝酸盐（钙矾石（AFt）等）和水化铝酸铁的脱
（2）AFt的吸热峰约在120 ℃左右出现，静态养护法AFt的生成数量更多，表明其水化程度更
先前的研究表明，试件中的自由水含量会直接影响CO2养护的效
图7 3组试件养护前后试件表面及中心的含水率变化情况
Fig.7 Changes in water content at surface and center of three groups of specimens before and after curing
值得注意的是，流通法在移除试件中心水分的效率方面成效显著.在碳化前后，试件内部含水率下降了约10%，甚至超过了加压组试件16.0 h预处理的效果.这展现了流通法在提升养护效率方面的优势.
图8 3组试件养护后中心处的SEM照片
Fig. 8 SEM images of center of three groups of specimens after curing
（1）流通法养护透水混凝土，通过使CO2流经混凝土的内部，提高了中心区域的碳化程度，消除了内外的碳化不均匀，从而显著提升了混凝土的抗压强度和固碳率，并能够有效地降低碳化养护所需的时间.
（2）透水混凝土试件的含水量是影响CO2养护效率和试件内外碳化不均匀现象的重要因素.流通法养护在调控试件中水分分布方面展现出独特的优势. CO2气流有效地带走了内部多余的水分，同时确保了水分的均匀分布.不仅促进了更加均匀的碳化，还提高了养护过程的效率.
（3）流通法养护节省了静态养护方法中的预处理步骤，能源消耗和时间成本均得到显著降低.
参考文献
CHEN K Y， XIA J， WU R J， et al. An overview on the influence of various parameters on the fabrication and engineering properties of CO2‑cured cement‑based composites［J］. Journal of Cleaner Production， 2022， 366：132968. [百度学术]
United States Geological Survey. Mineral commodity summaries 2022［M］. Reston：Geological Survey， 2022. [百度学术]
贺晋瑜，何捷，王郁涛，等. 中国水泥行业二氧化碳排放达峰路径研究［J］. 环境科学研究， 2022， 35（2）：347‑355. [百度学术]
HE Jinyu， HE Jie， WANG Yutao， et al. Research on the path to peak carbon dioxide emissions in China’s cement industry ［J］. Research of Environmental Sciences， 2022， 35（2）：347‑355. （in Chinese） [百度学术]
LI Z， HE Z， CHEN X R. The performance of carbonation‑cured concrete［J］. Materials（Basel）， 2019， 12（22）：3729. [百度学术]
肖力光，雒锋，黄秀霞. 利用镁渣配制胶凝材料的机理分析［J］. 吉林建筑工程学院学报， 2009， 26（5）：1‑5. [百度学术]
XIAO Liguang， LUO Feng， HUANG Xiuxia. Mechanism analysis on cementitious materials made from magnesium slag［J］. Journal of Jilin Institute of Architectural & Civil Engineering， 2009， 26（5）：1‑5. （in Chinese） [百度学术]
曹伟达， 杨全兵. 碳化养护对钢渣-熟石灰固碳砖耐久性的影响［J］. 建筑材料学报， 2023， 26（3）：324‑331. [百度学术]
CAO Weida， YANG Quanbing. Effects of carbonation curing on the durability of steel slag‑lime carbonation bricks［J］. Journal of Building Materials， 2023， 26（3）：324‑331. （in Chinese） [百度学术]
陈铁锋， 高小建. 生物炭对碳化养护水泥砂浆的改性机理［J］. 建筑材料学报， 2023， 26（8）：831‑837. [百度学术]
CHEN Tiefeng， GAO Xiaojian. Mechanism of biochar modification on carbonation cured cement mortar［J］. Journal of Building Materials， 2023， 26（8）：831‑837. （in Chinese） [百度学术]
TANG B W， FAN M， YANG Z Q， et al. A comparison study of aggregate carbonation and concrete carbonation for the enhancement of recycled aggregate pervious concrete［J］. Construction and Building Materials， 2023， 371：130797. [百度学术]
RAHMANI H， GHEIB M M. CO2 curing of hydrated lime modified pervious concretes［J］. Magazine of Civil Engineering， 2019， 92（8）：106‑114. [百度学术]
CHEN T F， GAO X J. Use of carbonation curing to improve mechanical strength and durability of pervious concrete［J］. ACS Sustainable Chemistry and Engineering， 2020， 8（9）：3872‑3884. [百度学术]
FERNANDEZ BERTOS M， SIMONS S J， HILLS C D， et al. A review of accelerated carbonation technology in the treatment of cement‑based materials and sequestration of CO2［J］. Jounal of Hazardous Materials， 2004， 112（3）：193‑205. [百度学术]
崔正龙， 北迁政文， 田中礼治. 再生骨料在混凝土预制件中应用的可行性研究［J］. 建筑材料学报， 2010， 13（2）：210‑212. [百度学术]
CUI Zhenglong， KITATSUJI Masahumi， TANAKA Reiji. Feasibility study on the use of recycled aggregate in concrete precasts［J］. Journal of Building Materials， 2010， 13（2）：210‑212. （in Chinese） [百度学术]
SUN J， YIN X Y， CUI B， et al. Synthesis and sustained release mechanism of slow release polycarboxylate superplasticizer//［C］5th International Conference on Environmental Science and Material Application （ESMA 2019）. Xi’an：Institute of Physics Publishing， 2020. [百度学术]
邹庆焱，史才军，郑克仁，等. 预养护对砌块混凝土二氧化碳养护的影响［J］. 建筑材料学报， 2008， 11（1）：116‑120. [百度学术]
ZOU Qingyan， SHI Caijun， ZHENG Keren， et al. Effects of pre‑curing on carbonation curing of block concrete［J］. Journal of Building Materials， 2008， 11（1）：116‑120. （in Chinese） [百度学术]
史才军，何平平，涂贞军，等. 预养护对二氧化碳养护混凝土过程及显微结构的影响［J］. 硅酸盐学报， 2014， 42（8）：996‑1004. [百度学术]
SHI Caijun， HE Pingping， TU Zhenjun， et al. Effects of pre‑curing on the carbonation process and microstructure of carbonation cured concrete［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2014， 42（8）：996‑1004. （in Chinese） [百度学术]
CHEN T F， GAO X J. Effect of carbonation curing regime on strength and microstructure of Portland cement paste［J］. Journal of CO2 Utilization， 2019， 34：74‑86. [百度学术]
EL‑HASSAN H， SHAO Y X. Early carbonation curing of concrete masonry units with Portland limestone cement［J］. Cement and Concrete Composites， 2015， 62：168‑177. [百度学术]
XIAN X P， ZHANG D， SHAO Y X. Flue gas carbonation curing of cement paste and concrete at ambient pressure［J］. Journal of Cleaner Production， 2021， 313：127943. [百度学术]
HE Z， WANG S， MAHOUTIAN M， et al. Flue gas carbonation of cement‑based building products［J］. Journal of CO2 Utilization， 2020， 37：309‑319. [百度学术]
LIU L X， LIU Y L， TIAN X G， et al. Superior CO2 uptake and enhanced compressive strength for carbonation curing of cement‑based materials via flue gas［J］. Construction and Building Materials， 2022， 346：128364. [百度学术]
史才军，王吉云，涂贞军，等. CO2养护混凝土技术研究进展［J］. 材料导报， 2017， 31（5）：134‑138. [百度学术]
SHI Caijun， WANG Jiyun， TU Zhenjun， et al. Progress in CO2 curing concrete technology［J］. Materials Review， 2017， 31（5）：134‑138. （in Chinese） [百度学术]
史才军，邹庆焱，何富强. 二氧化碳养护混凝土的动力学研究［J］. 硅酸盐学报， 2010， 38（7）：1179‑1184. [百度学术]
SHI Caijun， ZOU Qingyan， HE Fuqiang. Kinetic study on CO2 cured concrete ［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2010， 38（7）：1179‑1184. （in Chinese） [百度学术]
HASEGAWA L I I. Carbonation curing and performance of pervious concrete using Portland limestone cement［D］. Montreal：McGill University， 2011. [百度学术]
SHARMA D， GOYAL S. Effect of accelerated carbonation curing on near surface properties of concrete［J］. European Journal of Environmental and Civil Engineering， 2022， 26（4）：1300‑1321. [百度学术]
赵蓓蕾，刘爽. 建筑垃圾-粉煤灰基胶结充填体强度机理研究［J］. 非金属矿， 2023， 46（6）：82‑87. [百度学术]
ZHAO Beilei， LIU Shuang. Study on the strength mechanism of construction waste‑fly ash based cementitious backfill［J］. Non‑Metallic Mines， 2023， 46（6）：82‑87. （in Chinese） [百度学术]
张建武，管学茂，汪潇，等. 可溶性P2O5对超细硫铝酸盐水泥基双液注浆材料早期水化性能的影响及机理［J］. 材料导报， 2024， 38（19）：60‑65. [百度学术]
ZHANG Jianwu， GUAN Xuemao， WANG Xiao， et al. Effects of soluble P2O5 on early hydration performance of ultrafine sulphoaluminate cement‑based double‑liquid grouting materials and mechanisms［J］. Materials Reports， 2024， 38（19）：60‑65. （in Chinese） [百度学术]
谢圣浩，费莉，张国良，等. 低水胶比水泥胶砂碳化程度和固碳率的试验研究［J］. 混凝土， 2023（4）：131‑135. [百度学术]
XIE Shenghao， FEI Li， ZHANG Guoliang， et al. Experimental study on carbonation degree and carbonation fixation rate of cement mortar with low water‑binder ratio［J］. Concrete， 2023（4）：131‑135. （in Chinese） [百度学术]
高强，梅开元，王德坤，等. CCUS环境下水泥单矿C3S的CO2腐蚀动力学研究［J］. 硅酸盐通报， 2022， 41（8）：2644‑2653. [百度学术]
GAO Qiang， MEI Kaiyuan， WANG Dekun， et al. Study on the CO2 corrosion kinetics of cement single mineral C3S in CCUS environment ［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2022， 41（8）：2644‑2653. （in Chinese） [百度学术]
朱明， 雪高瑞， 穆元冬. γ‑C2S和β‑C2S的碳化与水化活性研究［J］. 硅酸盐通报， 2017， 36（9）：3036‑3040， 3052. [百度学术]
ZHU Ming， XUE Gaorui， MU Yuandong. Study on the carbonation and hydration reactivity of γ‑C2S and β‑C2S［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2017， 36（9）：3036‑3040， 3052. （in Chinese） [百度学术]
刘琼，汤辉林，迟琳，等. 早龄期碳化养护条件下水泥基材料的阻抗谱特征［J］. 建筑材料学报， 2023， 26（12）：1319‑1327. [百度学术]
LIU Qiong， TANG Huilin， CHI Lin， et al. Impedance spectrum characteristics of cement‑based materials under early age carbonation curing conditions［J］. Journal of Building Materials， 2023， 26（12）：1319‑1327. （in Chinese） [百度学术]
贾晓晓.加速碳化养护对硬化水泥净浆性能及微结构的影响［D］. 长沙：湖南大学， 2020. [百度学术]
JIA Xiaoxiao. Effects of accelerated carbonation curing on the properties and microstructure of hardened cement paste［D］. Changsha：Hunan University， 2020. （in Chinese） [百度学术]
LIU M， HONG S X， WANG Y S， et al. Compositions and microstructures of hardened cement paste with carbonation curing and further water curing［J］. Construction and Building Materials， 2021， 267：121724. [百度学术]
YAN D M， LU J Y， SUN Y F， et al. CO2 pretreatment to aerated concrete with high‑volume industry wastes enables a sustainable precast concrete industry［J］. ACS Sustainable Chemistry and Engineering， 2021， 9（8）：3363‑3375. [百度学术]