利用微CT技术实现二氧化碳封存量核算，并对含有100%再生粗骨料的碳化高韧性混凝土中的孔隙与裂缝形成原因进行解析

《Journal of Building Engineering》：Micro-CT-enabled CO2 sequestration accounting and pore–crack attribution in carbonated high-toughness concrete with 100% recycled coarse aggregates

　　王长青|焦家琪|马志明
上海大学力学与工程科学学院土木工程系，中国上海200444

摘要
将再生骨料与二氧化碳碳化结合是一种有前景的低碳混凝土途径，但其固碳效率的微观结构起源仍不清楚。本研究考察了含有100%再生粗骨料和0–2.5%短钢纤维的高韧性混凝土在加速碳化过程中的性能。采用高分辨率显微CT来量化碳化前后三维孔隙连通性、裂缝体积和几何形态的变化。通过质量增益确定二氧化碳的吸收量，并利用CT得到的体积减少来进一步分析孔隙和裂缝填充的途径。碳化显著降低了孔隙连通性并细化了裂缝，而钢纤维通过桥接作用和界面扰动调节了二氧化碳的传输途径。适量的钢纤维（1-2%）促进了更大的孔隙/裂缝体积减少和更高的二氧化碳吸收量，而过量的钢纤维则会导致不均匀性并降低固碳效率。本研究建立了一个耦合框架，将微观结构演变、二氧化碳计算和效益评估联系起来，从而能够定量地追踪从孔隙-裂缝结构到宏观环境效益的二氧化碳固碳过程，支持再生骨料混凝土的循环利用和低碳设计。

引言
建筑业的快速发展导致了天然骨料的短缺以及大量建筑和拆除废料的产生，据估计每年产生的建筑和拆除废料超过100亿吨[1]。将这些废料回收成再生骨料（RCA）是一种可持续的方法，可以减少填埋需求并保护自然资源[2]。作为全球使用最广泛的工程材料，混凝土的生产涉及大量的资源消耗和显著的碳排放。水泥熟料煅烧会释放大量二氧化碳，约占全球二氧化碳排放量的5–8%[3] [4]。此外，天然骨料的枯竭、对石化外加剂的依赖、以煤为基础的能源以及砂石的开采也带来了额外的环境负担。因此，开发低碳和资源高效的混凝土材料已成为建筑行业绿色转型的关键途径[5] [6]。在这种情况下，用RCA替代天然骨料并结合二氧化碳养护（碳化）成为一种有前景的策略，它结合了资源回收、性能提升和碳减排。

碳化是提高再生骨料混凝土环境性能的有效方法。它涉及二氧化碳与各种水泥水化产物（包括Ca(OH)2和C–S–H）之间的反应，生成稳定的CaCO3和H2O[7] [8]。然而，碳化会降低孔隙溶液的pH值，可能导致钢的钝化和腐蚀。在本研究中，使用了镀铜的钢纤维来减轻这种潜在的腐蚀效应。这一过程不仅为建筑材料中的碳固存提供了可能性，还与钢筋混凝土结构的耐久性密切相关，使碳化成为实现更绿色、更低碳建筑的关键课题[9] [10]。大量研究考察了碳化机制，发现碳化速率、深度和固碳能力受多种因素影响，包括材料组成[11]、扩散特性、环境温度和湿度、二氧化碳浓度[12]、暴露条件以及养护方法[13]。刘等人[13]和詹等人[14]报告称，在含有碳化的RCA中，耐久性和机械性能有所改善。雷等人[15]指出，RCA中旧砂浆层的较高孔隙率和较低碱度促进了二氧化碳的更快扩散和更明显的CaCO3沉淀。梁等人[16]系统地回顾了碳化微观机制，认为二氧化碳首先沿着粗骨料和砂浆之间的微裂纹和界面过渡区（ITZ）扩散，然后沉积在孔壁上，这显著改变了局部结构均匀性。酚酞喷洒、热重分析（TG）和质量增益测量等技术被广泛用于评估不同条件下的碳化程度[17]，并且已经开发了许多预测碳化深度的模型[18]，为耐久性设计提供了重要框架。

尽管这些研究提供了可靠的宏观尺度见解，但再生骨料混凝土复杂的孔隙系统、微裂纹网络和大比表面积引入了独特的碳化行为[19] [20]。RCA中的微裂纹和残留的旧砂浆不仅是二氧化碳扩散的主要途径，也是CaCO3沉积的优先位置[21] [22]。因此，再生骨料混凝土的孔隙结构和裂纹形态在碳化效率中起着决定性作用[23]。然而，关于微观缺陷如何影响碳化途径、孔隙封闭效率和整体二氧化碳固碳量的研究仍然有限，特别是使用X射线显微计算机断层扫描（micro-CT）进行的三维定量分析方面。现有的碳化模型难以捕捉微观尺度上的裂纹演变、孔隙细化和ITZ致密化，使得微观结构演变与实际二氧化碳吸收之间的内在耦合关系不够清楚。此外，碳化再生骨料混凝土的经济效益越来越受到关注[24]。二氧化碳矿化可以减轻水泥制造、煤炭燃烧[25]和石化行业[26]等行业的排放压力，而稳定的CaCO3填充物的形成有助于提高材料的密实度和机械性能[27] [28]。准确量化每单位体积混凝土的二氧化碳吸收量，随后评估其在碳交易、低碳建筑认证和生命周期环境评估中的潜在价值，将为再生骨料混凝土的广泛应用提供有力支持[29] [30]。因此，研究裂纹和孔隙对碳固碳能力的影响，分析不同纤维剂量下形成的CaCO3的空间分布和量，并建立碳固碳效益的经济评估系统，具有重要的科学和工程意义。

基于先前关于再生骨料和碳化再生骨料混凝土的研究[31] [32] [33]，尽管许多研究已经考察了再生骨料混凝土的碳化行为和二氧化碳固碳能力，但大多数研究主要关注宏观性能或总体二氧化碳吸收量，对潜在的微观结构机制的关注较少。虽然X射线显微CT越来越多地用于表征孔隙和裂纹的演变，但微观结构特征（如孔隙和裂纹）与二氧化碳固碳途径之间的定量联系仍不够充分。此外，现有关于碳化环境和经济效益的研究通常是在整体水平上进行的，没有将其与微观结构演变结合起来。为了解决这些差距，本研究建立了一个耦合框架，整合了微观结构表征、二氧化碳固碳计算和效益评估，从而能够量化理解从孔隙-裂缝结构到宏观环境性能的二氧化碳吸收过程。

材料制备
图1系统地展示了本研究中使用的再生粗骨料、细骨料、水泥和钢纤维。再生粗骨料的形态和几何特性通过示意图呈现。颗粒大小范围为5–10毫米，骨料按照GB/T 25177-2010和ASTM C33/C33M-18[34]标准进行了筛分和质量控制。相应的级配曲线显示在粗骨料的右侧。

碳化下的微观结构演变
CT图像处理和分割过程如下进行：首先对原始图像进行降噪处理，以最小化扫描伪影。然后应用基于灰度差异的阈值分割方法来区分固态相、孔隙和钢纤维。进一步的形态学操作用于细化分割，并根据孔隙和裂纹的几何特性（如连通性和纵横比）进行区分。

宏观机械性能的相关性
图15展示了碳化前后试样的机械性能指标。左侧面板显示了未碳化试样的结果，参考数据来自之前的研究[51]，右侧面板对应于碳化试样。总体而言，碳化显著改善了混凝土的机械性能，包括峰值抗压强度、弹性模量和峰值应变的不同程度提高[52]。

环境性能指标
为了进一步量化高韧性再生骨料混凝土在碳化过程中的二氧化碳固定能力，建立微观结构演变与可测量二氧化碳吸收量之间的联系是必要的。碳化本质上是二氧化碳与水化产物（主要是Ca(OH)2）之间的反应，生成CaCO3，并伴随质量增加。因此，可以通过碳化前后试样的质量差异来衡量这一过程。

总结与结论
总之，本研究证实，二氧化碳碳化通过受控的微观结构固碳机制使得再生骨料混凝土的有效且可追溯的增值成为可能。
1) 碳化显著改变了再生骨料混凝土的三维孔隙-裂纹结构，降低了孔隙连通性并细化了裂纹，这直接决定了二氧化碳的传输和沉积效率。
2) 显微CT分析表明，钢纤维的添加量调控了孔隙和裂纹的演变。

作者贡献声明
马志明：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、正式分析
焦家琪：软件、方法学、实验设计、数据管理
王长青：撰写——初稿撰写、验证、资金获取、概念构思

未引用的参考文献
[44] [45] [46] [47]

利益声明
本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意其可能的发表。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（NSFC）通过项目编号（51608383, 52578298）、中国博士后科学基金通过项目编号（2014M550247, 2015T80449）、上海市自然科学基金通过项目编号（25ZR1401128）以及河南省科技支柱计划重点项目（152102310027）提供的财政支持。