《Journal of Building Engineering》：Microstructure and pore water evolution in calcium silicate cement blends with Portland cement, calcium aluminate cement and calcium sulfoaluminate cement under CO
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碳化动力学及孔隙水迁移机制研究，采用TGA、XRD和1H NMR结合热力学模型，系统分析了CSC与PC、CAC、CSA不同掺量（0%-50%）的混合体系在20% CO2环境下的孔隙水动态与微观结构演变。发现PC掺量提升显著增强碳化效率（最高达70%），CAC体系因铝相 hydrate形成增加结合水（17g/100g binder），CSA体系孔隙结构更稳定但水迁移路径差异显著。
Amanuel Bersisa | Melaku N. Seifu | Seunghee Park | Solmoi Park
韩国水原市松京馆大学全球智慧城市系，邮编16419
摘要
本研究探讨了掺有0%、10%、30%和50%波特兰水泥（PC）、铝酸钙水泥（CAC）或硫铝酸钙水泥（CSA）的硅酸钙水泥（CSC）在20%二氧化碳环境中暴露7天后的孔隙水动态和微观结构。通过热重分析、X射线衍射、1H核磁共振和热力学建模评估了相组成、孔隙水重新分布和固体体积变化。在CSC-PC混合物中，碳化程度达到70%，每100克胶凝材料吸收了33克二氧化碳，其中方解石和球霰石是主要的含二氧化碳相。随着PC含量的增加，孔隙结构显著细化，表现为T?松弛时间的改变以及水分逐渐 confined 到层间和凝胶区域（约95%）。CSC-CAC混合物的碳化程度为51%，吸收了17克二氧化碳。球霰石是主要的碳酸盐矿物，富铝水合物的形成增加了结合水的含量。随着CAC含量的增加，水分逐渐从毛细孔迁移到凝胶和层间孔隙中，从而降低了孔隙率并提高了强度发展。
引言
水泥的生产本身是高二氧化碳排放的，占人为二氧化碳排放量的7%以上，是所有行业中单位收入碳排放强度最高的[1] [2]。随着全球水泥需求的持续增长，预计到2026年年消费量将超过6.1亿吨[3]，迫切需要创新技术来减少相关的二氧化碳排放。其中，通过碳化实现二氧化碳矿化作为一种可行的永久性二氧化碳封存途径受到了越来越多的关注，即二氧化碳与水泥材料中的碱性氧化物和氢氧化物反应形成稳定的碳酸盐矿物[4] [5]。最新评估表明，1930年至2021年间，水泥碳化作用已经抵消了超过55%的工艺相关二氧化碳排放[4]。
在二氧化碳矿化途径中，低石灰硅酸钙水泥（CSC）由于其较低的烧结温度和固有的二氧化碳反应性，成为一种有前景的胶凝材料[6]。在二氧化碳的作用下，CSC会发生Ca2?的浸出，随后沉淀出CaCO?并形成钙改性的硅胶作为主要胶凝相[6] [7]。然而，其非水硬性特点和反应缓慢的相限制了早期强度的发展和碳化效率[8] [9]。为了克服这些挑战，人们探索了与波特兰水泥（PC）、铝酸钙水泥（CAC）和硫铝酸钙水泥（CSA）等水硬性胶凝材料的混合使用，以增强早期强度、加速碳化并致密孔隙结构[8] [9]。
多项研究表明，碳化动力学受多种相互关联因素的影响，包括钙的可用性、水化产物、二氧化碳浓度、养护温度、相对湿度（RH）和孔隙饱和度[6] [8] [10]。在这些参数中，孔隙水的可用性和空间分布（以孔隙饱和度表示）起着特别关键的作用。孔隙水控制二氧化碳的溶解，促进离子传输，并调节沉淀动力学，从而对碳化效率和由此产生的微观结构演变产生决定性影响[6] [11]。在整个碳化过程中，水促进了离子传输、二氧化碳溶解和碳酸盐沉淀[12]。
在这种框架下，低场1H核磁共振（NMR）提供了一种强大的非破坏性工具，用于研究水泥材料在碳化过程中的微观结构演变和相关孔隙水。使用Carr–Purcell–Meiboom–Gill（CPMG）序列获得的T?松弛时间可以区分层间、凝胶、层间水和毛细孔中的水分子群体——每种都与不同的胶凝相和纳米结构相关[13] [14]。尽管1H NMR在基于PC的系统的水化研究中已经得到广泛应用[13] [14] [15] [16] [17]，但对其在低石灰CSC中的碳化诱导变化的应用研究仍然有限，尤其是在与水硬性胶凝材料混合使用时。
鉴于孔隙水在碳化过程中的核心作用，1H NMR非常适合填补这一知识空白，能够原位追踪混合CSC中孔隙水的重新分布和微观结构转变。本研究通过应用低场1H NMR来表征与PC、CAC或CSA混合的CSC中的水化-碳化相互作用。补充的热重分析（TGA）和XRD分析用于评估相变和热分解，而NMR松弛时间和信号分数分析提供了关于碳化过程中孔隙细化和水分重新分布的见解。
部分摘录
原材料
CSC熟料是在日产量为1吨的试验规模窑中生产的。生产CSC熟料的原材料是石灰石和硅灰，它们的投料比例为CaO与SiO?的1:1摩尔比。原材料在1250°C下烧结4小时，然后迅速冷却至室温。熟料随后使用喷射磨机研磨至Blaine细度达到4000 cm2/g。混合配方中使用的其他水泥包括PC（Sungshin）
PC混合系统
图3展示了CSC-PC混合物的热分解曲线、二氧化碳吸收量和结合水含量。DTG结果表明，250°C以下的首次质量损失事件对应于来自毛细孔、层间水和C-S-H凝胶的物理结合水的释放[18]。随着PC含量的增加，这一脱水峰变得更加明显，这归因于C-S-H相的形成增强。这一趋势也得到了测量结合水含量的支持，其含量有所上升
讨论
CSC基胶凝材料的碳化性能受到所替代水硬性水泥类型和比例的显著影响。热力学建模支持的实验分析一致表明，PC、CAC和CSA的引入通过不同的水化-碳化相互作用和相演变改变了碳化途径和程度。
CSC-PC混合物表现出最高的碳化效率，且随着PC含量的增加而提高
结论
本研究使用热分析、XRD、1H-NMR和热力学建模相结合的方法，研究了与三种不同水硬性胶凝材料（PC、CAC和CSA）混合的CSC的水化-碳化行为。主要发现总结如下：
- 1.
PC的加入显著提高了CSC-PC系统的碳化效率和基体致密化程度。在50% PC替代率下，碳化程度达到70%，每100克胶凝材料吸收了33克二氧化碳。
CRediT作者贡献声明
Amanuel Bersisa：撰写——原始草稿、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。Seunghee Park：撰写——审稿与编辑、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。Solmoi Park：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论设计、实验研究、资金获取、数据分析、概念构建。Melaku N. Seifu：数据分析、数据分析、实验研究、方法论设计、撰写——
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）资助的“硬化水泥碳化固化制造技术开发计划（RS-2022-00155662）”和韩国国家研究基金会（NRF）资助的项目（由韩国政府MSIT提供）（RS-2025-02223612）的支持。
