CO2在泡沫混凝土中的应用

刘敏 白光辉　高明

摘要：泡沫混凝土是一種利废、环保、节能、价格低、性能好的新型保温隔热材料。通过对泡沫混凝土试样进行碳化养护和制备CO2泡沫混凝土的研究发现：把CO2与泡沫混凝土的制备相结合，利用CO2可促进水泥水化，提高泡沫混凝土早期强度，有助于解决泡沫混凝土强度低、现场施工养护周期长等问题。目前水泥行业向大气中排放的二氧化碳为所占总数的5%，利用二氧化碳养护混凝土，将二氧化碳回收、利用和固定这个全球性的课题和混凝土材料学结合，对混凝土行业的可持续发展和缓解温室气体排放的全球气候变化具有重要的意义。

关键词：泡沫混凝土；CO2；养护；强度；可持续发展

1前言

泡沫混凝土是一种新型的建筑材料，具有质轻、保温、隔热、耐火、抗冻性好等特点[1]。近年来，我国越来越重视建筑节能工作，随着与建筑节能有关政策的实施，节能材料倍受欢迎。泡沫混凝土作为一种节能环保材料，应用将越来越广泛。它可以用于生产保温耐火材料、外墙保温板、管道保温外壳、砌块、墙体、轻质仿木制品、彩色艺术装饰品、泡沫吊顶、泡沫石膏制品以及泡沫菱镁制品等。但由于泡沫剂的缓凝作用，泡沫混凝土的凝结时间延长，早期强度发展较慢。为此提高泡沫混凝土早期强度，成为大家探讨的问题。

本文是将CO2应用于泡沫混凝土中，从利用CO2养护泡沫混凝土方面进行研究。分别测定泡沫混凝土在不同养护龄期的强度变化情况，并分别与相应龄期时标准养护的泡沫混凝土进行对比，同时对泡沫混凝土试样碳化机理进行了探讨。此外，将工业排放的CO2收集起来用于泡沫混凝土中，将有助于节能减碳。

2 试验过程

混凝土之所以能逐渐凝结硬化，主要是因为水泥水化作用的结果，而水化作用则需要适当的温度和湿度条件，因此为了保证混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长，必须对混凝土进行养护[2]。混凝土的养护目的，一是创造各种条件使水泥充分水化，加速混凝土硬化：二是防止混凝土成型后在暴晒、风吹、寒冷等条件下出现不正常收缩、裂缝等破损现象。

本实验是用CO2养护的泡沫混凝土与标准养护的泡沫混凝土进行比较。

2.1实验材料

试验采用北京金隅集团北京水泥厂生产金隅牌P.O 42.5水泥，抗折强度4.8 MPa，抗压强度54.9 MPa，细度2.1%。采用UNF.5萘系高效减水剂，为棕黑色液体，密度为1.180±0.02g/cm3，用量一般占水泥质量的0.5%～1.0%。试验采用的发泡剂是由北京中科筑诚建材科技有限公司提供的“WD-11型泡皇牌”发泡剂。

2.2泡沫混凝土试样的制备工艺

（1）空气泡沫制备

本试验采用机械发泡，即将空气引入发泡剂，通过高速搅拌机搅拌充分发泡而形成均匀的空气泡沫体[2]。试验中取1.5g发泡剂溶于60g水中，采用搅拌机高速搅拌（1200 r/min）至泡沫体均匀为宜。肉眼观察泡沫体大小均匀即可停止发泡，并以静置2min后倾倒无溶液留下，泡沫体也无流动迹象作为每次泡沫制备标准。

（2）配合比设定

泡沫混凝土配合比设计如表1，水灰比为0.5，减水剂为0.8%的水泥量。

（3）泡沫混凝土搅拌、成型

按照表2.1配合比称量好水泥、水、减水剂和发泡剂，先将水泥和水拌和，再将泡沫体加入水泥浆体进行搅拌，将拌和均匀的泡沫体与水泥浆拌合物浇筑于40×40×160mm的模具内，在20±0.5℃、湿度95%以上的标准养护室中养护48±2h拆模。脱模后试样分两组，第一组（Sχ）试样在标准状态下湿养护至龄期（龄期中含模养48±2h，以下同）3d、7d、14d、28d；第二组（Cχ）试样在碳化养护箱（温度：20±2℃，二氧化碳浓度：20±2%，湿度：70±5%）中养护至与第一组相同龄期。

2.3强度测定

抗折强度测定：对样品100mm的长度进行三点弯曲破坏，测其抗折强度。

抗压强度测定：对样品40mm×40mm的面积进行抗压测试，测其抗压强度。

2.4实验结果与分析

图1（a）、1（b）分别为4500 kg/m3和1150 kg/m3密度等级泡沫混凝土标准养护和碳化养护下试样不同龄期抗折抗压强度图。由图可知，随着龄期增加，试样抗折抗压强度不断增加。龄期相同情况下，碳化养护比标准养护的泡沫混凝土试样抗折、抗压强度都要高，450 kg/m3密度等级泡沫混凝土试验碳化养护3d比标准养护3d后抗折和抗压强度提高112.0%和10.5%；碳化养护28d后抗折和抗压强度提高5.3%和18.6%；1150 kg/m3密度等级泡沫混凝土试验碳化养护3d后抗折、抗压强度分别提高63.7%和91.5%，1150 kg/m3密度等级试样碳化养护3d甚至比标准养护14d抗折、抗压强度都要高出好几倍。泡沫混凝土材料强度主要由水泥水化产物C-S-H凝胶提供，C-S-H量越多，强度越高[3]。这说明龄期3d时，碳化养护试样中C-S-H凝胶量较标准养护多得多，碳化加速了水泥水化。由此可知碳化养护可提高泡沫混凝土材料强度，密度越高，碳化养护提高强度的效果越明显。

3碳化机理

P.O 42.5水泥熟料矿物主要由硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF）组成。水泥颗粒与水接触后，熟料矿物与水的作用称为水化。水泥熟料中C3S和C2S质量分数占75%～82%，即主要是C3S和C2S的水化反应，C3S和C2S都与水反应生成Ca（OH）2和C-S-H凝胶[4]，水泥水化硬结后强度主要由水化产物中C-S-H凝胶提供。当水泥浆体在CO2气氛下养护或有CO2参与时，CO2将参与C3S和C2S的水化反应，使水泥水化过程中产生的Ca（OH）2、CaO·SiO2·yH2O碳化，以及使未水化的3CaO·SiO2和2CaO·SiO2也发生碳化，这还大大加快了C3S和C2S的水化反应，从而增加了C-S-H凝胶生成量，提高泡沫混凝土的强度。

4结论

对泡沫混凝土试样进行碳化养护，可通过CO2参与反应提高水化速率，提高其早期强度。同时能利用工业排放的CO2，减少向大气中排放，对发展低碳经济、减少碳排放、缓解温室效应和混凝土行业的可持续发展具有重要意义。

参考文献：

[1]曹明莉，吕兴军.发泡剂及泡沫混凝土技术现状与展望[J].建材技术与应用.2007，07-08.

[2]陈德平，坂井悦郎，大场阳子，大门正机.5%乙烯–醋酸乙烯共聚物复合低热水泥浆体的碳化促进养护[J].硅酸盐学报，2006，34（10）：1263-1269.

[3]宋少民，孙凌.土木工程材料[M].武汉：武汉理工大学出版社，2006.

[4]Chen Deping，Jingyu Liu，Min Liu. Accelerated carbonation curing of foam concrete with lower density[J].Advanced Building Materials，2011，172-177.