摘要:本文研究了砌塊混凝土制品的二氧化碳養(yǎng)護，實驗結(jié)果表明：在利用二氧化碳養(yǎng)護砌塊混凝土時，試件在預養(yǎng)護期間含濕量的變化，而不是預養(yǎng)護的時間。二氧化碳養(yǎng)護后試件的強度與蒸養(yǎng)強度相差不大，但比蒸養(yǎng)時間要縮短近三分之二。目前混凝土二氧化碳的養(yǎng)護程度最高只有20－30％左右，試件在二氧化碳養(yǎng)護結(jié)束后在霧室中繼續(xù)進行標準養(yǎng)護，此時試件中殘余的水泥顆粒又會繼續(xù)水化，從而使得試件的強度能夠進一步的增加。因此，二氧化碳養(yǎng)護技術是一個非常有前景的可持續(xù)發(fā)展的新技術。
1.前言
用二氧化碳來養(yǎng)護膠凝材料由來已久，人們利用大氣中的二氧化碳養(yǎng)護石灰已有近千年的歷史。然而直到上世紀60年代，人們發(fā)現(xiàn)水硬性和非水硬性的硅酸鈣都能和二氧化碳快速反應并在很短時期內(nèi)獲得較高的強度 [1-4]。C3S 制備的圓柱體砂漿試件在二氧化碳壓力為0.4 MPa時，其抗壓強度在3 min內(nèi)就可以達到14MPa，但要求采用很低的水膠比[2]。隨后，有數(shù)篇文獻報導了將超臨界二氧化碳與水泥一起拌和來進行二氧化碳養(yǎng)護 [5-6]。由于二氧化碳等溫室氣體排放過多，導致了全球氣候變暖，目前水泥行業(yè)向大氣中排放的二氧化碳占所排放總量的5％[5]，利用二氧化碳養(yǎng)護混凝土，將二氧化碳回收、利用和固定這個全球性的課題和混凝土材料學結(jié)合，對混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和緩解溫室氣體排放的全球氣候變化具有重要的意義。
二氧化碳養(yǎng)護混凝土技術，主要是利用二氧化碳能與水泥的熟料成分間發(fā)生的化學反應而引起水泥和混凝土硬化以及產(chǎn)生強度發(fā)展，而且由于其主要反應產(chǎn)物碳酸鈣的穩(wěn)定性較好，從而能使得二氧化碳養(yǎng)護的混凝土具有較好的尺寸穩(wěn)定性。同時與蒸汽養(yǎng)護混凝土相比，利用二氧化碳養(yǎng)護混凝土能降低能耗、改善混凝土的性能。根據(jù)Young的假設[1]，可以認為二氧化碳養(yǎng)護混凝土過程中發(fā)生的化學反應由以下步驟組成：
1) CO2溶解于水中形成CO32－；
2) CO32－和Ca＋發(fā)生化學反應生成難溶于水的CaCO3，同時CaCO3沉淀于未水化顆粒的表面和填充于較大的孔隙之中；
3) CO32－滲透過密實的反應產(chǎn)物層到達反應發(fā)生區(qū)域；
4) 反應一直持續(xù)到CO32－或Ca＋消耗掉，或系統(tǒng)中的水分被消耗掉。
由于過去的研究中發(fā)現(xiàn)只有對水膠比非常低的混凝土才能進行二氧化碳養(yǎng)護 [1-4, 7-8]，或只能用超臨界二氧化碳在攪拌時進行養(yǎng)護 [5-6]，這使得混凝土的二氧化碳養(yǎng)護技術很難在實際生產(chǎn)中得到應用，本研究通過研究選用合適的預養(yǎng)護條件來控制砌塊混凝土中的含濕量，從而達到較高的養(yǎng)護程度和所需的性能。
2. 原材料與試驗方法
2.1 原材料
本研究所用水泥為P.I.硅酸鹽水泥，水泥化學成分見表1所示；砂子為級配良好的湘江河產(chǎn)中砂，細度模數(shù)為2.6；碎石為長沙市郊產(chǎn)5～10mm連續(xù)級配碎石；水為常用自來水，及長沙特種氣體廠產(chǎn)的濃度>99.5％二氧化碳。
表1 P.I.硅酸鹽水泥的化學成分
2.2 試件成型
本研究主要是針對砌塊混凝土的二氧化碳養(yǎng)護，因此試驗專門設計了一個圓柱體混凝土模具，內(nèi)徑為5cm，壓實后試件的高度控制在10cm。試件尺寸的大小是根據(jù)實際混凝土空心砌塊的尺寸而確定的。GB8239－1997規(guī)定混凝土空心砌塊的最小外壁厚度應當不小于3cm、肋板厚度應當最小不小于2.5cm，而實際上混凝土砌塊厚度的一般不大于5cm。混凝土混合料拌合后就立即裝入圓柱模具中進行壓制成型，配比的確定在2.3節(jié)中描述。成型的最大壓力為25MPa，在最大壓力時靜定30秒鐘，然后減壓，并將試件頂出模具及放到預養(yǎng)室中進行預養(yǎng)。
2.3 試驗配合比的確定
根據(jù)砌塊混凝土的要求和特點，初步設計了8組配合比，如表1所示。按2.2.節(jié)所述進行成型，然后進行蒸汽養(yǎng)護，養(yǎng)護制度為：試件成型后在標準養(yǎng)護室靜停2h，然后在4h內(nèi)由室溫升到70℃，在70℃溫度下恒溫養(yǎng)護10h，再在2h內(nèi)由70℃降溫到室溫，降至室溫后就進行抗壓強度測試。不同配比的強度值見表1所示。
試驗以配制10MPa強度為基準，考慮大多數(shù)砌塊廠家都采用較大砂率，試驗選擇G組的作為進行二氧化碳養(yǎng)護研究的配合比。
表2 混凝土配合比及蒸養(yǎng)后即測抗壓強度
注：表2-2中以混凝土的表觀密度2400 kg/m3計算。原材料單位為kg/m3。
2.4 預養(yǎng)護條件
本研究是通過改變預養(yǎng)護條件來控制混凝土中的含濕量， 從而達到最大的養(yǎng)護程度。 試驗所設計的兩個預養(yǎng)護條件如表2所示，PS1是在相對濕度為50%左右的環(huán)境中，同時用電風扇吹樣品來進行空氣的流通；PS2是在標準霧養(yǎng)室。所選取的預養(yǎng)護時間分別為1、2、3、4、6、8、16和24 h。對試件在預養(yǎng)護過程中的失水率進行了檢測。試件失水率β的計算式為：
其中fW為試件預養(yǎng)護前的質(zhì)量；為試件預養(yǎng)護后（二氧化碳養(yǎng)護前）的質(zhì)量， 為試件中理論含濕量。，其中5.13％為配比中水占全部質(zhì)量的質(zhì)量百分數(shù)。
表2 試件預養(yǎng)護條件
2.4 混凝土的二氧化碳養(yǎng)護
二氧化碳養(yǎng)護裝置示意圖如圖1所示，先將養(yǎng)護反應室抽真空到－0.09 MPa，維持2 min
后，將二氧化碳從儲存罐中通過減壓器進入到養(yǎng)護室，在養(yǎng)護室養(yǎng)護恒定時間后測定試件的二氧化碳養(yǎng)護程度和抗壓強度。二氧化碳養(yǎng)護壓力恒定為0.2 MPa；養(yǎng)護時間為2h。
圖1 二氧化碳養(yǎng)護裝置示意圖
2.6 二氧化碳養(yǎng)護程度的確定
養(yǎng)護后主要測定試件的二氧化碳養(yǎng)護程度和抗壓強度。二氧化碳的養(yǎng)護程度α定義為：
二氧化碳養(yǎng)護程度0204060801001202030405060溫度（度）
其中048121620481216202428323640二氧化碳養(yǎng)護程度（％）養(yǎng)護時間（小時） 5% 25% 50% 99.5% 為二氧化碳消耗量的質(zhì)量大小；0204060801001202030405060溫度（度)養(yǎng)護時間（分鐘） 50% 99.5% 為理論上二氧化碳的最大消耗量，其計算公式如下[9]：
其中各氧化物均為熟料中的質(zhì)量百分比。又可以通過反應式的質(zhì)量守恒定律得出：
其中、、分別為二氧化碳養(yǎng)護前（預養(yǎng)護后）、二氧化碳養(yǎng)護后混凝土樣品的質(zhì)量和混凝土樣品在二氧化碳養(yǎng)護中蒸發(fā)的水分的質(zhì)量。由于養(yǎng)護過程中發(fā)生的反應為放熱反應，試件中的水分隨溫度的上升就會蒸發(fā)，蒸發(fā)的水分遇到溫度較低的養(yǎng)護反應室內(nèi)壁就會凝聚，精確稱取養(yǎng)護前后的養(yǎng)護反應室的重量（不包括試件），前后重量之差為蒸發(fā)水分的質(zhì)量。綜合公式（2）、（3）和（4）可以得出二氧化碳養(yǎng)護的數(shù)學表達式：
3 試驗結(jié)果及分析
3.1. 預養(yǎng)護對試件失水率的影響
圖2顯示預養(yǎng)護對試件失水率的影響。
從圖2可以看出，在PS1條件下預養(yǎng)護的試件，隨著預養(yǎng)護時間的增加，試件的失水率越來越高，使得試件的含濕量越來越少；而在PS2條件下預養(yǎng)護的試件，試件吸入少量的水。這是因為所配制的為干硬性混凝土，本身水灰比較小，在PS1情況下，混凝土中的相對濕度比周圍環(huán)境要大，從而導致混凝土中的水揮發(fā)而失去。在PS2預養(yǎng)護情況下，由于混凝土中的相對濕度比周圍環(huán)境要小，從而導致混凝土吸水。隨著預養(yǎng)護時間的增加，試件失水率的變化趨勢由于樣品與環(huán)境之間相對濕度的平衡而趨向于平緩。
圖2 預養(yǎng)護對試件失水率的影響
3.2. 失水率和二氧化碳養(yǎng)護程度的關系
圖3是試件失水率和二氧化碳養(yǎng)護程度之間的關系。從圖3可以看出，當試件的失水率在0～50％之間變化時，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度顯著上升；當試件的失水率超過50％之后，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度卻呈下降趨勢。這是因為二氧化碳養(yǎng)護混凝土過程中所發(fā)生的化學反應是屬于碳化反應的范疇，因此化學反應是需要在液相中才能發(fā)生，同時由于二氧化碳氣體的溶解度很低，當混凝土中含有過多的水分則又會抑制二氧化碳的滲透[38-40]。 從圖3－2所擬合的曲線來看，在二氧化碳養(yǎng)護過程中，試件失水率在～４5％左右時，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度比較理想，這是因為一定水膠比的混凝土試件（本試驗所定水膠比為0.35）在失水率為該范圍時，試件自身的含濕量達到了二氧化碳養(yǎng)護的最佳濕度；隨著試件相對濕度的降低或升高，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度都呈降低趨勢。
圖3 試件失水率和二氧化碳養(yǎng)護程度之間的關系
3.3 二氧化碳養(yǎng)護程度和抗壓強度之間的關系
從圖5可以看出，無論是在PS1還是在PS2條件下預養(yǎng)護，隨著二氧化碳養(yǎng)護程度的增加，試件的抗壓強度也隨之增加。當二氧化碳養(yǎng)護程度在0～15％之間時，試件的抗壓強度的增加幅度不大；而當二氧化碳養(yǎng)護程度超過15％之后，試件抗壓強度增長的幅度很大。發(fā)現(xiàn)在PS2條件下預養(yǎng)護時間在8h～24h的試件，雖然其二氧化碳養(yǎng)護程度略微低于在PS1條件下預養(yǎng)護1h～2h的試件，但是抗壓強度卻基本差不多，這可能是由于在PS2條件下預養(yǎng)護較長時間時，水化反應對強度值大小也有一定的貢獻。
圖4 二氧化碳養(yǎng)護程度與抗壓強度的關系
3.4 二氧化碳濃度對混凝土二氧化碳養(yǎng)護的影響
在二氧化碳氣體濃度為50％和99.5％的二氧化碳室內(nèi)進行二氧化碳養(yǎng)護，養(yǎng)護過程中溫度隨時間的變化曲線見圖5所示。從圖中可以看出，在兩個不同二氧化碳氣體濃度下養(yǎng)護的試件，在99.5％氣體濃度下養(yǎng)護的試件升溫速率和最高峰值要明顯高于50％氣體濃度下養(yǎng)護的試件；同時前者的降溫速率也要明顯高于后者。
圖5 不同二氧化碳濃度中養(yǎng)護試件的溫度變化曲線
不同二氧化碳濃度下試件試件的二氧化碳養(yǎng)護程度如圖6所示。二氧化碳氣體濃度越低，在相同養(yǎng)護時間內(nèi)試件的二氧化碳養(yǎng)護程度就越低，這是因為在試件自身的質(zhì)量和其他外界條件相同的情況下，二氧化碳氣體在試件中的滲透性大小是一樣的，在同樣滲透情況下，濃度越低的氣體會造成反應的反應物越少，因而降低了反應的速率，導致試件的二氧化碳養(yǎng)護程度降低。但同時可以發(fā)現(xiàn)，當養(yǎng)護時間超過4h后，在濃度低的環(huán)境中養(yǎng)護的試件其二氧化碳養(yǎng)護程度的增長速率要高于濃度高的環(huán)境中養(yǎng)護的試件，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是因為在高濃度養(yǎng)護的試件由于早期反應就生成較多的產(chǎn)物，導致在反應后期反應速率的降低[40]。
圖6 不同二氧化碳濃度下養(yǎng)護試件的二氧化碳養(yǎng)護程度
3.5 不同養(yǎng)護制度下養(yǎng)護后強度的發(fā)展
試件在不同養(yǎng)護制度下養(yǎng)護后的強度發(fā)展如圖７所示。
從圖中以看出，利用不同養(yǎng)護手段養(yǎng)護的試件強度是不同的，試件采用二氧化碳進行養(yǎng)護時，試件養(yǎng)護后的即測強度達到了利用蒸汽養(yǎng)護后試件即測強度的80％左右。但是隨著齡期的增加，兩者強度都呈上升的趨勢發(fā)展。比較二氧化碳養(yǎng)護的試件和標準情況下養(yǎng)護的試件可以發(fā)現(xiàn)，前者在早期的時候強度略低于后者；前者強度增加的速率要大于后者，當齡期達到96d時，兩者強度已經(jīng)基本相同。出現(xiàn)這種情況是因為用二氧化碳養(yǎng)護厚的試件，其二氧化碳養(yǎng)護程度只有20－30％左右，試件在二氧化碳養(yǎng)護結(jié)束后在霧室中進行標準養(yǎng)護，此時試件中殘余的水泥顆粒又會繼續(xù)水化，從而使得試件的強度能夠進一步的增加。
圖7 不同養(yǎng)護制度下養(yǎng)護后的試件的強度發(fā)展
4 結(jié)論：
1) 預養(yǎng)護情況下試件含濕量的變化對二氧化碳養(yǎng)護混凝土過程的影響很大，按照試驗所采用的配合比配置的試件，當試件的失水率在0％～30％之間變化時，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度顯著上升；當試件的失水率在30％～50％之間變化時，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度略微上升；當試件的失水率超過50％之后，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度卻呈下降趨勢。
2) 二氧化碳養(yǎng)護混凝土后的強度與二氧化碳養(yǎng)護反應程度有著密切的關系，隨著二氧化碳養(yǎng)護程度的增加，試件的抗壓強度也隨之增加。當二氧化碳養(yǎng)護程度在0～15％之間時，試件的抗壓強度的增長幅度不大；而當二氧化碳養(yǎng)護程度超過15％之后，試件抗壓強度增長的幅度很大。
3) 當試件的二氧化碳養(yǎng)護程度達到20％以上時，試件強度能達到蒸養(yǎng)即測強度的80％～85％左右。而二氧化碳養(yǎng)護的時間相對于蒸養(yǎng)而言要縮短近三分之二，同時二氧化碳養(yǎng)護不需消耗能源，又能消耗大量的二氧化碳，所以利用二氧化碳養(yǎng)護混凝土是一項有效的可持續(xù)發(fā)展技術。
4)用二氧化碳養(yǎng)護厚的試件進行標準養(yǎng)護，此時試件中殘余的水泥顆粒又會繼續(xù)水化，從而使得試件的強度能夠進一步的增加。
參考文獻：
[1] Young, J.F., Berger, R.L. and Breese, J. Accelerated Curing of Compacted Calcium Silicate Mortars on Exposure to CO2[J].Journal of The American Ceramic Society, Vol.57, No.9. pp. 394-397, 1974.
[2] Bukowski J.M. and Berger R.L., Reactivity and Strength Development of Activated Non-Hydraulic Calcium Silicates[J].Cement and Concrete Research. Vol.9, pp. 57-68, 1979.
[3] Goodbrake, C. J., Young, J. F. and Berger R. L. Reaction of Beta-Dicalcium Silicate and Tricalcium Silicate with Carbon Dioxide and Water Vapor[J]. Journal of The American Ceramic Society, March, pp. 168-171.
[4] M.A. Sorochkin, A.F. Shchrov, I.A. Safonov, Study of the possibility of using carbon dioxide for accelerating the hardening of products made from Portland cement[J]. J. Appl. Chem. 48 (1975) 1211.
[5] Short N.R., Purnell P, Page C. L., Preliminary investigations into the super-critical carbonation of cement pastes[J].J.Mater.Sci.2001,36(1):35-41.
[6] Purnell P, Short N.R., Page C. L.,Super-critical carbonation of glass fiber reinforced cement: Part1. Mechanical testing and chemical analysis[J]. Composites PartA,2001,32(12)1777-1787.
[7] Shao Y. and Shi, C., Carbonation Curing for Making Concrete Products – An Old Concept and a Renewed Interest, Proceedings of the 6th International Symposium on Cement and Concrete, Vol.2, pp.823-830, Xian, China, Sept 19-22, 2006.
[8] Monkman S., and Shao Y. Assessing the Carbonation Behavior of Cementitious Materials[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2006 （11）768－774.
[9] Steinour, H. H., Some effects of carbon dioxide on mortars and concrete: A discussion, Journal of the American Concrete Institute, 1959, (4), 905–907.
1.前言
用二氧化碳來養(yǎng)護膠凝材料由來已久，人們利用大氣中的二氧化碳養(yǎng)護石灰已有近千年的歷史。然而直到上世紀60年代，人們發(fā)現(xiàn)水硬性和非水硬性的硅酸鈣都能和二氧化碳快速反應并在很短時期內(nèi)獲得較高的強度 [1-4]。C3S 制備的圓柱體砂漿試件在二氧化碳壓力為0.4 MPa時，其抗壓強度在3 min內(nèi)就可以達到14MPa，但要求采用很低的水膠比[2]。隨后，有數(shù)篇文獻報導了將超臨界二氧化碳與水泥一起拌和來進行二氧化碳養(yǎng)護 [5-6]。由于二氧化碳等溫室氣體排放過多，導致了全球氣候變暖，目前水泥行業(yè)向大氣中排放的二氧化碳占所排放總量的5％[5]，利用二氧化碳養(yǎng)護混凝土，將二氧化碳回收、利用和固定這個全球性的課題和混凝土材料學結(jié)合，對混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和緩解溫室氣體排放的全球氣候變化具有重要的意義。
二氧化碳養(yǎng)護混凝土技術，主要是利用二氧化碳能與水泥的熟料成分間發(fā)生的化學反應而引起水泥和混凝土硬化以及產(chǎn)生強度發(fā)展，而且由于其主要反應產(chǎn)物碳酸鈣的穩(wěn)定性較好，從而能使得二氧化碳養(yǎng)護的混凝土具有較好的尺寸穩(wěn)定性。同時與蒸汽養(yǎng)護混凝土相比，利用二氧化碳養(yǎng)護混凝土能降低能耗、改善混凝土的性能。根據(jù)Young的假設[1]，可以認為二氧化碳養(yǎng)護混凝土過程中發(fā)生的化學反應由以下步驟組成：
1) CO2溶解于水中形成CO32－；
2) CO32－和Ca＋發(fā)生化學反應生成難溶于水的CaCO3，同時CaCO3沉淀于未水化顆粒的表面和填充于較大的孔隙之中；
3) CO32－滲透過密實的反應產(chǎn)物層到達反應發(fā)生區(qū)域；
4) 反應一直持續(xù)到CO32－或Ca＋消耗掉，或系統(tǒng)中的水分被消耗掉。
由于過去的研究中發(fā)現(xiàn)只有對水膠比非常低的混凝土才能進行二氧化碳養(yǎng)護 [1-4, 7-8]，或只能用超臨界二氧化碳在攪拌時進行養(yǎng)護 [5-6]，這使得混凝土的二氧化碳養(yǎng)護技術很難在實際生產(chǎn)中得到應用，本研究通過研究選用合適的預養(yǎng)護條件來控制砌塊混凝土中的含濕量，從而達到較高的養(yǎng)護程度和所需的性能。
2. 原材料與試驗方法
2.1 原材料
本研究所用水泥為P.I.硅酸鹽水泥，水泥化學成分見表1所示；砂子為級配良好的湘江河產(chǎn)中砂，細度模數(shù)為2.6；碎石為長沙市郊產(chǎn)5～10mm連續(xù)級配碎石；水為常用自來水，及長沙特種氣體廠產(chǎn)的濃度>99.5％二氧化碳。
表1 P.I.硅酸鹽水泥的化學成分
2.2 試件成型
本研究主要是針對砌塊混凝土的二氧化碳養(yǎng)護，因此試驗專門設計了一個圓柱體混凝土模具，內(nèi)徑為5cm，壓實后試件的高度控制在10cm。試件尺寸的大小是根據(jù)實際混凝土空心砌塊的尺寸而確定的。GB8239－1997規(guī)定混凝土空心砌塊的最小外壁厚度應當不小于3cm、肋板厚度應當最小不小于2.5cm，而實際上混凝土砌塊厚度的一般不大于5cm。混凝土混合料拌合后就立即裝入圓柱模具中進行壓制成型，配比的確定在2.3節(jié)中描述。成型的最大壓力為25MPa，在最大壓力時靜定30秒鐘，然后減壓，并將試件頂出模具及放到預養(yǎng)室中進行預養(yǎng)。
2.3 試驗配合比的確定
根據(jù)砌塊混凝土的要求和特點，初步設計了8組配合比，如表1所示。按2.2.節(jié)所述進行成型，然后進行蒸汽養(yǎng)護，養(yǎng)護制度為：試件成型后在標準養(yǎng)護室靜停2h，然后在4h內(nèi)由室溫升到70℃，在70℃溫度下恒溫養(yǎng)護10h，再在2h內(nèi)由70℃降溫到室溫，降至室溫后就進行抗壓強度測試。不同配比的強度值見表1所示。
試驗以配制10MPa強度為基準，考慮大多數(shù)砌塊廠家都采用較大砂率，試驗選擇G組的作為進行二氧化碳養(yǎng)護研究的配合比。
表2 混凝土配合比及蒸養(yǎng)后即測抗壓強度
注：表2-2中以混凝土的表觀密度2400 kg/m3計算。原材料單位為kg/m3。
2.4 預養(yǎng)護條件
本研究是通過改變預養(yǎng)護條件來控制混凝土中的含濕量， 從而達到最大的養(yǎng)護程度。 試驗所設計的兩個預養(yǎng)護條件如表2所示，PS1是在相對濕度為50%左右的環(huán)境中，同時用電風扇吹樣品來進行空氣的流通；PS2是在標準霧養(yǎng)室。所選取的預養(yǎng)護時間分別為1、2、3、4、6、8、16和24 h。對試件在預養(yǎng)護過程中的失水率進行了檢測。試件失水率β的計算式為：
其中fW為試件預養(yǎng)護前的質(zhì)量；為試件預養(yǎng)護后（二氧化碳養(yǎng)護前）的質(zhì)量， 為試件中理論含濕量。，其中5.13％為配比中水占全部質(zhì)量的質(zhì)量百分數(shù)。
表2 試件預養(yǎng)護條件
2.4 混凝土的二氧化碳養(yǎng)護
二氧化碳養(yǎng)護裝置示意圖如圖1所示，先將養(yǎng)護反應室抽真空到－0.09 MPa，維持2 min
后，將二氧化碳從儲存罐中通過減壓器進入到養(yǎng)護室，在養(yǎng)護室養(yǎng)護恒定時間后測定試件的二氧化碳養(yǎng)護程度和抗壓強度。二氧化碳養(yǎng)護壓力恒定為0.2 MPa；養(yǎng)護時間為2h。
圖1 二氧化碳養(yǎng)護裝置示意圖
2.6 二氧化碳養(yǎng)護程度的確定
養(yǎng)護后主要測定試件的二氧化碳養(yǎng)護程度和抗壓強度。二氧化碳的養(yǎng)護程度α定義為：
二氧化碳養(yǎng)護程度0204060801001202030405060溫度（度）
其中048121620481216202428323640二氧化碳養(yǎng)護程度（％）養(yǎng)護時間（小時） 5% 25% 50% 99.5% 為二氧化碳消耗量的質(zhì)量大小；0204060801001202030405060溫度（度)養(yǎng)護時間（分鐘） 50% 99.5% 為理論上二氧化碳的最大消耗量，其計算公式如下[9]：
其中各氧化物均為熟料中的質(zhì)量百分比。又可以通過反應式的質(zhì)量守恒定律得出：
其中、、分別為二氧化碳養(yǎng)護前（預養(yǎng)護后）、二氧化碳養(yǎng)護后混凝土樣品的質(zhì)量和混凝土樣品在二氧化碳養(yǎng)護中蒸發(fā)的水分的質(zhì)量。由于養(yǎng)護過程中發(fā)生的反應為放熱反應，試件中的水分隨溫度的上升就會蒸發(fā)，蒸發(fā)的水分遇到溫度較低的養(yǎng)護反應室內(nèi)壁就會凝聚，精確稱取養(yǎng)護前后的養(yǎng)護反應室的重量（不包括試件），前后重量之差為蒸發(fā)水分的質(zhì)量。綜合公式（2）、（3）和（4）可以得出二氧化碳養(yǎng)護的數(shù)學表達式：
3 試驗結(jié)果及分析
3.1. 預養(yǎng)護對試件失水率的影響
圖2顯示預養(yǎng)護對試件失水率的影響。
從圖2可以看出，在PS1條件下預養(yǎng)護的試件，隨著預養(yǎng)護時間的增加，試件的失水率越來越高，使得試件的含濕量越來越少；而在PS2條件下預養(yǎng)護的試件，試件吸入少量的水。這是因為所配制的為干硬性混凝土，本身水灰比較小，在PS1情況下，混凝土中的相對濕度比周圍環(huán)境要大，從而導致混凝土中的水揮發(fā)而失去。在PS2預養(yǎng)護情況下，由于混凝土中的相對濕度比周圍環(huán)境要小，從而導致混凝土吸水。隨著預養(yǎng)護時間的增加，試件失水率的變化趨勢由于樣品與環(huán)境之間相對濕度的平衡而趨向于平緩。
圖2 預養(yǎng)護對試件失水率的影響
3.2. 失水率和二氧化碳養(yǎng)護程度的關系
圖3是試件失水率和二氧化碳養(yǎng)護程度之間的關系。從圖3可以看出，當試件的失水率在0～50％之間變化時，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度顯著上升；當試件的失水率超過50％之后，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度卻呈下降趨勢。這是因為二氧化碳養(yǎng)護混凝土過程中所發(fā)生的化學反應是屬于碳化反應的范疇，因此化學反應是需要在液相中才能發(fā)生，同時由于二氧化碳氣體的溶解度很低，當混凝土中含有過多的水分則又會抑制二氧化碳的滲透[38-40]。 從圖3－2所擬合的曲線來看，在二氧化碳養(yǎng)護過程中，試件失水率在～４5％左右時，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度比較理想，這是因為一定水膠比的混凝土試件（本試驗所定水膠比為0.35）在失水率為該范圍時，試件自身的含濕量達到了二氧化碳養(yǎng)護的最佳濕度；隨著試件相對濕度的降低或升高，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度都呈降低趨勢。
圖3 試件失水率和二氧化碳養(yǎng)護程度之間的關系
3.3 二氧化碳養(yǎng)護程度和抗壓強度之間的關系
從圖5可以看出，無論是在PS1還是在PS2條件下預養(yǎng)護，隨著二氧化碳養(yǎng)護程度的增加，試件的抗壓強度也隨之增加。當二氧化碳養(yǎng)護程度在0～15％之間時，試件的抗壓強度的增加幅度不大；而當二氧化碳養(yǎng)護程度超過15％之后，試件抗壓強度增長的幅度很大。發(fā)現(xiàn)在PS2條件下預養(yǎng)護時間在8h～24h的試件，雖然其二氧化碳養(yǎng)護程度略微低于在PS1條件下預養(yǎng)護1h～2h的試件，但是抗壓強度卻基本差不多，這可能是由于在PS2條件下預養(yǎng)護較長時間時，水化反應對強度值大小也有一定的貢獻。
圖4 二氧化碳養(yǎng)護程度與抗壓強度的關系
3.4 二氧化碳濃度對混凝土二氧化碳養(yǎng)護的影響
在二氧化碳氣體濃度為50％和99.5％的二氧化碳室內(nèi)進行二氧化碳養(yǎng)護，養(yǎng)護過程中溫度隨時間的變化曲線見圖5所示。從圖中可以看出，在兩個不同二氧化碳氣體濃度下養(yǎng)護的試件，在99.5％氣體濃度下養(yǎng)護的試件升溫速率和最高峰值要明顯高于50％氣體濃度下養(yǎng)護的試件；同時前者的降溫速率也要明顯高于后者。
圖5 不同二氧化碳濃度中養(yǎng)護試件的溫度變化曲線
不同二氧化碳濃度下試件試件的二氧化碳養(yǎng)護程度如圖6所示。二氧化碳氣體濃度越低，在相同養(yǎng)護時間內(nèi)試件的二氧化碳養(yǎng)護程度就越低，這是因為在試件自身的質(zhì)量和其他外界條件相同的情況下，二氧化碳氣體在試件中的滲透性大小是一樣的，在同樣滲透情況下，濃度越低的氣體會造成反應的反應物越少，因而降低了反應的速率，導致試件的二氧化碳養(yǎng)護程度降低。但同時可以發(fā)現(xiàn)，當養(yǎng)護時間超過4h后，在濃度低的環(huán)境中養(yǎng)護的試件其二氧化碳養(yǎng)護程度的增長速率要高于濃度高的環(huán)境中養(yǎng)護的試件，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是因為在高濃度養(yǎng)護的試件由于早期反應就生成較多的產(chǎn)物，導致在反應后期反應速率的降低[40]。
圖6 不同二氧化碳濃度下養(yǎng)護試件的二氧化碳養(yǎng)護程度
3.5 不同養(yǎng)護制度下養(yǎng)護后強度的發(fā)展
試件在不同養(yǎng)護制度下養(yǎng)護后的強度發(fā)展如圖７所示。
從圖中以看出，利用不同養(yǎng)護手段養(yǎng)護的試件強度是不同的，試件采用二氧化碳進行養(yǎng)護時，試件養(yǎng)護后的即測強度達到了利用蒸汽養(yǎng)護后試件即測強度的80％左右。但是隨著齡期的增加，兩者強度都呈上升的趨勢發(fā)展。比較二氧化碳養(yǎng)護的試件和標準情況下養(yǎng)護的試件可以發(fā)現(xiàn)，前者在早期的時候強度略低于后者；前者強度增加的速率要大于后者，當齡期達到96d時，兩者強度已經(jīng)基本相同。出現(xiàn)這種情況是因為用二氧化碳養(yǎng)護厚的試件，其二氧化碳養(yǎng)護程度只有20－30％左右，試件在二氧化碳養(yǎng)護結(jié)束后在霧室中進行標準養(yǎng)護，此時試件中殘余的水泥顆粒又會繼續(xù)水化，從而使得試件的強度能夠進一步的增加。
圖7 不同養(yǎng)護制度下養(yǎng)護后的試件的強度發(fā)展
4 結(jié)論：
1) 預養(yǎng)護情況下試件含濕量的變化對二氧化碳養(yǎng)護混凝土過程的影響很大，按照試驗所采用的配合比配置的試件，當試件的失水率在0％～30％之間變化時，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度顯著上升；當試件的失水率在30％～50％之間變化時，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度略微上升；當試件的失水率超過50％之后，隨著失水率的增加，試件的二氧化碳養(yǎng)護程度卻呈下降趨勢。
2) 二氧化碳養(yǎng)護混凝土后的強度與二氧化碳養(yǎng)護反應程度有著密切的關系，隨著二氧化碳養(yǎng)護程度的增加，試件的抗壓強度也隨之增加。當二氧化碳養(yǎng)護程度在0～15％之間時，試件的抗壓強度的增長幅度不大；而當二氧化碳養(yǎng)護程度超過15％之后，試件抗壓強度增長的幅度很大。
3) 當試件的二氧化碳養(yǎng)護程度達到20％以上時，試件強度能達到蒸養(yǎng)即測強度的80％～85％左右。而二氧化碳養(yǎng)護的時間相對于蒸養(yǎng)而言要縮短近三分之二，同時二氧化碳養(yǎng)護不需消耗能源，又能消耗大量的二氧化碳，所以利用二氧化碳養(yǎng)護混凝土是一項有效的可持續(xù)發(fā)展技術。
4)用二氧化碳養(yǎng)護厚的試件進行標準養(yǎng)護，此時試件中殘余的水泥顆粒又會繼續(xù)水化，從而使得試件的強度能夠進一步的增加。
參考文獻：
[1] Young, J.F., Berger, R.L. and Breese, J. Accelerated Curing of Compacted Calcium Silicate Mortars on Exposure to CO2[J].Journal of The American Ceramic Society, Vol.57, No.9. pp. 394-397, 1974.
[2] Bukowski J.M. and Berger R.L., Reactivity and Strength Development of Activated Non-Hydraulic Calcium Silicates[J].Cement and Concrete Research. Vol.9, pp. 57-68, 1979.
[3] Goodbrake, C. J., Young, J. F. and Berger R. L. Reaction of Beta-Dicalcium Silicate and Tricalcium Silicate with Carbon Dioxide and Water Vapor[J]. Journal of The American Ceramic Society, March, pp. 168-171.
[4] M.A. Sorochkin, A.F. Shchrov, I.A. Safonov, Study of the possibility of using carbon dioxide for accelerating the hardening of products made from Portland cement[J]. J. Appl. Chem. 48 (1975) 1211.
[5] Short N.R., Purnell P, Page C. L., Preliminary investigations into the super-critical carbonation of cement pastes[J].J.Mater.Sci.2001,36(1):35-41.
[6] Purnell P, Short N.R., Page C. L.,Super-critical carbonation of glass fiber reinforced cement: Part1. Mechanical testing and chemical analysis[J]. Composites PartA,2001,32(12)1777-1787.
[7] Shao Y. and Shi, C., Carbonation Curing for Making Concrete Products – An Old Concept and a Renewed Interest, Proceedings of the 6th International Symposium on Cement and Concrete, Vol.2, pp.823-830, Xian, China, Sept 19-22, 2006.
[8] Monkman S., and Shao Y. Assessing the Carbonation Behavior of Cementitious Materials[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2006 （11）768－774.
[9] Steinour, H. H., Some effects of carbon dioxide on mortars and concrete: A discussion, Journal of the American Concrete Institute, 1959, (4), 905–907.
