透水混凝土的碳化养护强化机理与长期性能评价

Based on the connected pore structure, low mechanical strength and weak resistance to water flow dissolution attack of pervious concrete, this research proposes the carbonation curing technology for pervious concrete which leads to advantages of both pervious concrete performance improvement and high efficient carbon consolidation. Through comparing the development of physical and mechanical properties for pervious concretes under different carbonation curing conditions, the best carbonation curing parameters will be determined. We will develop an accelerated testing device for water flow dissolution attack with ammonium salt solution as the accelerating agent for calcium ion dissolving. With this device, studies will be carried out on the performance evolution of pervious concrete with exposure to multi factors coupling environments including water dissolution, dry-wet cycling and freeze-thaw cycling. Digital microscope section analysis and three-dimensional CT scanning analysis are used to characterize pore network structure of pervious concrete, and the CO2 transfer mechanism and carbonation reaction kinetics model will be developed. By using solid-liquid extraction method, XRD Rietveld analysis, comprehensive thermal analysis, SEM-EDS, 29Si NMR test, MIP, microscopic hardness meter and Nano indentation, the strength enhancement mechanism of carbonation curing pervious concrete and long term deterioration mechanism will be found. Based on the field observation and sampling analysis, the in-situ field properties and long-term service performance of the carbonation curing pervious concrete in practical engineerings will be quantitatively evaluated.

针对透水混凝土具有连通孔隙结构和力学强度低、抗流水冲刷溶蚀能力弱的特点，本课题提出以碳化养护技术实现透水混凝土性能提升和高效固碳的双重目的。通过对比不同碳化养护制度下透水混凝土的物理力学性能变化，确定最佳碳化养护制度范围；研制开发一种以铵盐溶液为钙离子溶出加速剂的流水冲蚀试验装置，研究流水冲蚀、干湿循环、冻融循环等多因素耦合环境条件下透水混凝土的性能演变规律；采用超景深显微镜断面分析、三维CT扫描分析构建透水混凝土的孔隙网络结构，提出CO2传输机制与碳化反应动力学模型；通过固液萃取法、XRD Rietveld全谱拟合、综合热分析、SEM-EDS、29Si 固体核磁共振测试、压汞法、显微硬度计、纳米压痕技术等手段揭示碳化养护对透水混凝土的强化机理以及碳化养护透水混凝土的长期性能衰变机理。通过现场观测与取样分析，对碳化养护透水混凝土在实际工程中的应用效果与长期服役性能进行量化评价。

本项目主要从以下四个方面开展理论与试验研究：水泥基材料碳化养护基础理论、材料组成对水泥基材料碳化养护的影响规律、碳化养护透水混凝土的优化设计与长期性能评价、碳捕获新技术和碳化养护新方向研究。项目组经过4年研究，全部实现了计划任务书规定的各项研究目标，各项指标均超额完成。共申请国家发明专利2项，公开发表论文16篇，培养博士、硕士研究生9人。.基于碳化反应动力学和扩散方程，构建了水泥石早期碳化数学模型；利用分子动力学模拟，揭示了水泥基材料中碳酸钙形成和结晶机制；掌握了不同水泥熟料矿物的碳化反应速度、力学强度发展、水化和碳化反应物种类和微结构演变规律；通过钙元素固液平衡曲线和核磁共振技术，提出了碳化养护对水泥石抗溶蚀性能影响的双面性特征和内在机理；为完善水泥基材料碳化养护理论体系奠定了基础。.研究了预养时间、碳化时长等对碳化养护水泥石强度发展和微结构的影响规律，确定了水泥基材料的碳化养护参数范围；获得了水泥种类、水胶比和矿物掺合料等材料参数对水泥石碳化养护效果的影响规律；研究了碳化养护对水泥基材料常温和低温硫酸盐侵蚀性能的影响规律与机理；建立了材料组成、碳化养护制度和材料性能之间的对应关系。.从胶凝材料组成、骨料特性、浆体流变性、成型方式等角度出发，考虑力学强度、透水性能、抗冻性和抗溶蚀综合性能，实现了透水混凝土材料优化设计，并应用于实际工程；掌握了碳化养护透水混凝土的强度发展、抗冻性、抗溶蚀性和微结构演变规律，提出了碳化养护对透水混凝土的改性机理；为实际生产中制备高性能透水混凝土材料与制品提供了技术支持。.研发了一种将二氧化碳注入Ca(OH)2溶液制备纳米碳酸钙乳浊液的新方法；提出了碳化养护和矿物掺合料对硫氧镁水泥耐水性的协同改善机理；研究了碳化粉煤灰和碳化养护的双重固碳效果和可行性；以农业废弃物玉米秸秆为前体制备生物炭，研究了生物炭对碳化养护水泥基材料的改性效果；为捕获和高效利用二氧化碳，拓展碳化养护应用新途径开拓了思路。..