一种新型的超细孔隙轻质混凝土，通过超声碳化诱导絮凝技术实现

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Novel ultrafine-porous lightweight concrete enabled by ultrasonic carbonation-induced flocculation

本研究采用超声碳化技术制备超细孔隙轻质混凝土，通过稳定高水灰比（2.0）混凝土中的游离水形成纳米级孔隙结构，实现CO2捕获率8.36%-9.35%且符合A07级标准，抗压强度≥2MPa，热导率≈0.13W·m?1·K?1。

　　

熊光奇|李振林|刘双双|刘恒瑞|赵萌|张世鹏|孙顺鹏

香港理工大学土木与环境工程系及资源工程碳中和研究中心，中国999077

摘要

本提案旨在通过超声波碳化技术开发一种新型轻质混凝土，通过稳定强化的水泥网络并封存二氧化碳（CO₂）来革新轻质混凝土的生产方法。在水化28天后，未反应的水分被去除，从而形成超细多孔结构。经过20分钟的超声波碳化处理后，水灰比（w/c）为2.0的混凝土中的水分可以被包裹在絮凝结构内，有效防止泌水现象。28天时硬化基体的干密度低于700 kg/m³，抗压强度超过2 MPa，导热系数约为0.13 W·m^-1·K^-1。这些性能符合中国建筑材料行业标准JG/T 266–2011对A07级泡沫混凝土的要求。此外，整个过程每单位水泥可捕获8.36%至9.35%的CO₂。通过汞侵入孔隙率（MIP）测量，28天时的总孔隙率超过70%，直径小于10 μm的孔隙占比超过99%。20分钟超声波碳化的临界孔径为1403 nm，比传统泡沫混凝土的孔径小10倍。

引言

作为典型的多孔材料，混凝土具有复杂的孔结构，孔径范围从纳米级到宏观级[1]。这些孔通常根据大小分为五类：凝胶孔（<10 μm）、毛细孔（10–1000 μm，进一步细分为小孔（10–50 μm）、中孔（50–100 μm）和大孔（100–1000 μm）以及宏观孔隙（>1000 μm）[2]。这种内在的多孔网络对混凝土的宏观性能起着关键作用，显著影响其机械性能和长期耐久性[3]。尽管较高的孔隙率通常与较低的强度相关，但在某些应用中高孔隙率是必需的。例如，泡沫混凝土就是通过设计高孔隙率来实现轻质、隔热和吸音等性能[4,5]。这些性能符合现代建筑对轻质、节能和多功能建筑材料的需求[6]。生产泡沫混凝土通常需要在混凝土新鲜阶段加入化学或物理泡沫。然而，由于重力驱动的排水、气泡聚合并粗化作用[7]，水基泡沫在水泥体系中本质上是不稳定的，在混合和硬化过程中经常发生破裂。这种不稳定性导致孔径增大和孔径分布不均匀，从而影响泡沫混凝土的主要性能[8]。为了解决这个问题，大量研究集中在添加外加剂（如辅助胶凝材料[SCMs][9,10]、纳米颗粒[11,12]和纤维[13,14]）上，以改变新鲜混凝土混合物的流变行为并提高气泡稳定性。然而，已知硬化泡沫混凝土的孔径大多在几十到几百微米之间[1]，属于宏观孔隙。在加载作用下，宏观孔隙在孔边缘产生显著的应力集中[15]，促进微裂纹的产生和扩展，最终降低泡沫混凝土的强度性能。因此，使用传统方法生产高孔隙混凝土时，孔结构的调控相对粗糙且缺乏精确性。除了空气外，研究人员早就认识到利用水作为介质来控制混凝土孔隙率的潜力。水灰比（w/c）已成为混合设计中的传统关键参数，在混凝土工程中是一个基本原则和广泛接受的规则。在水泥水化过程中，水分逐渐被消耗形成各种水化产物，而最初被水占据但未被这些产物填充的空间成为毛细孔（10–1000 μm）[2]。因此，理论上如果能在新鲜混凝土中有效稳定高含量的水分，就可以控制毛细孔的形成，从而制造出孔径更小的高孔隙混凝土。水泥颗粒在水中混合时形成的絮凝结构在此过程中起着重要作用。在低水灰比条件下，初始絮凝结构稳定，有效保持水分并防止自由流动。然而，在高水灰比下，颗粒间的间距增大，削弱了短程力，导致絮凝结构不稳定，形成优先的水分提取通道和泌水现象[[16], [17], [18]]。

在混合过程中注入CO₂可能是增强絮凝结构强度的有效方法。多项研究表明，处理后的浆体的静态屈服应力和可操作性显著提高[[19], [20], [21]]，间接证实了上述假设。CO₂的主要作用如下：1. 表面电荷替代效应。CO₂气体溶解在水中形成碳酸氢根（HCO₃^?）离子，改变水泥颗粒的表面电荷，从而增强颗粒之间的胶体相互作用[19]。2. 生成CaCO₃。溶解的钙离子（Ca²⁺）迅速与碳酸根离子（CO₃^2?）结合形成纳米级的碳酸钙颗粒。由于其高比表面积，这些颗粒可以吸附水分，从而提高屈服应力[20]。3. 加速水化过程。CO₂的溶解释放氢离子（H⁺），降低系统的碱度并促进熟料溶解。钙硅酸氢盐（C-S-H）核可以作为反应位点，加速后续水化产物的结晶，增强絮凝结构的刚性[21]。

另一方面，超声波与碳化结合使用有潜力进一步增强絮凝结构。功率超声波通常指频率约为20–100 kHz的高强度、不可听声波[22]。由于其明显的声空化效应和在矿物表面形成的蚀坑，功率超声波可以加速微米和纳米级颗粒或添加剂的形成和分散，已应用于纯水泥浆[23]、硅烷改性的水泥基体系[24]、氧化石墨烯改性的水泥基体[25]和表面处理工艺[26]。尽管超声波作用会促进泡沫的快速聚合并破裂，因此通常被认为不适合泡沫混凝土[27]，但超声波与碳化的结合使用可以刺激从富含钙的原料（如水泥[21]和钢渣[28]）中生成纳米级碳酸钙和钙硅酸氢盐（C–S–H）种子，从而显著提高碳化效率和机械性能。超声波处理引起的湍流可以促进CO₂气体进入孔溶液，并放大上述三种絮凝强化机制。此外，超声波空化引起的气泡破裂会产生强大的冲击波和微喷射，不断冲击和磨损颗粒表面[23]。这一过程不仅将颗粒分解为微米和纳米级，还彻底改变了它们在絮凝结构中的排列[29]。因此，由表面面积增大且分布均匀的颗粒组成的絮凝结构能够有效捕获水分，并限制局部区域的水分流动。

本研究介绍了一种超声波碳化辅助策略，用于制备主要孔径小于10 μm的超细多孔轻质混凝土，如图1所示。方法流程包括在CO₂辅助混合过程中施加超声波一段时间，以促进纳米级CaCO₃的成核并增强胶体相互作用，从而消除泌水现象并形成稳定的絮凝结构。随后进行养护，以确保充分水化和CO₂的封存。28天后，去除未消耗的水分，得到超细多孔轻质混凝土。通过孔结构分析、抗压强度测试、导热系数、吸水率和CO₂吸收率等定量性能表征，并与传统的泡沫混凝土和直接CO₂注入工艺进行对比。创新之处在于将超声波处理与碳化结合，以在高水灰比下稳定水分，同时每单位水泥质量封存8.36～9.35%的CO₂，获得强度≥2 MPa、导热系数约为0.13 W·m^-1·K^-1的轻质基体，满足A07级要求。此外，虽然泡沫混凝土的孔径大多在几十到几百微米之间，但制备的基体的孔径中超过99%的孔径小于10 μm，并且根据生命周期评估（LCA）实现了约24%的CO₂排放减少。这种创新方法仅依赖水泥和水，提供了超越传统发泡技术的新型孔细化途径，同时降低了工艺复杂性并支持大规模生产。

材料

本研究中使用的普通波特兰水泥（CEM I 52.5）购自香港绿岛水泥有限公司，符合BS EN 197-1标准。其化学成分和矿物成分分别详见表1和表2。

制备过程

在我们的方法中，多余的水分通过超声波碳化稳定在强化的絮凝网络中，随后被去除以形成超细孔结构。因此，水成为可控的孔形成介质。

泌水率实验

图4(a)和(b)显示，M和U批次在高水灰比下均出现显著泌水现象，30分钟后泌水率高达45%。这表明，仅延长传统或超声波混合的时间不足以保持新鲜浆体的稳定性。图4(c)显示，C批次中的碳化减少了泌水，但仍存在泌水现象。相比之下，UC批次，特别是UC20和UC30，完全消除了泌水现象。

结论

• 1)
  经过20或30分钟的超声波碳化处理后，水灰比为2.0的浆体不再泌水。¹H NMR结果显示泌水峰消失，毛细水峰增强。超声波技术的应用加强了絮凝结构并调节了水分分布，为后续形成超细多孔微观结构奠定了基础。
• 2)
  制备的超轻多孔轻质混凝土表现出

作者贡献声明

熊光奇：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析。李振林：方法论、研究、数据分析、概念化。刘双双：方法论、研究、概念化。刘恒瑞：方法论、研究。赵萌：方法论、研究。张世鹏：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。孙顺鹏：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金支持

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢Sun Hung Kai Properties Limited的资助支持。同时，我们也感谢PolyU的大学化学与环境分析研究设施（URFCE）提供的设备支持。