一种基于孔结构信息的多物理场碳化模型，可用于评估可持续水泥基材料的耐久性和二氧化碳封存潜力

《Journal of Cleaner Production》：A pore-structure-informed multiphysics carbonation model enabling evaluation of durability and CO2 sequestration potential of sustainable cementitious materials

　　

陈文涛|程畅|李玉成|徐崇熙|邓建英|李伟焕|金彦吉|周阳

摘要

水泥基材料中的碳化作用既影响混凝土的耐久性，也决定了其二氧化碳（CO₂）封存潜力。然而，由于不同的水化产物和孔结构，许多可持续水泥基材料比普通波特兰水泥（OPC）更容易发生碳化。这种较高的碳化倾向使得耐久性设计和二氧化碳封存潜力的评估变得更加复杂。为了解决这些问题，本研究开发了一个基于孔结构的多物理场碳化模型，该模型不仅耦合了二氧化碳和水分的传输、热量传递以及碳化反应，还将传输参数与孔隙尺度特征及碳酸盐形成过程明确联系起来。通过将热重分析（TGA）、汞侵入孔隙度测量（MIP）和碳化深度数据纳入参数识别过程，该模型可以应用于可持续水泥基材料，同时减少对经验假设的依赖。敏感性分析表明，二氧化碳扩散系数（D_{g0）、水分校正因子（F(H)）、碳化消耗系数（α1）和碳化速率（vc0）是控制碳化动力学的主要参数，而水分生成系数（α2）对碳化深度的影响可以忽略不计。使用过硫酸盐水泥（SSC）校准的模型在加速碳化和自然碳化数据上都表现出良好的一致性。将其应用于钙硫铝酸盐（CSA）和碱激活矿渣（AAS）体系，进一步证明了该模型能够通过利用文献中的孔结构相关参数和速率参数来捕捉不同可持续水泥基材料的碳化行为。所提出的框架为评估可持续水泥基材料的碳化抗性和二氧化碳吸收能力提供了一个基于微观结构的统一工具，从而为耐久性设计和未来生命周期二氧化碳封存评估提供了定量基础。}