High-temperature CO2 for accelerating the carbonation of recycled concrete fines
第一作者：吴宇晴通讯作者：林忠财
其他作者：Hamideh Mehdizadeh，Kim Hung Mo
通讯单位：湖南大学土木工程学院
论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104526
论文50天免费下载链接: https://authors.elsevier.com/a/1exB78MyS92iIH
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再生微粉（Recycled concrete fines，RCF）的加速碳化是实现建筑垃圾可持续再利用的有效途径之一。通常含有余热的烟气可以用于碳化反应，以增强RCF碳化的气固反应动力学。因此，本项研究探讨了高温CO2（20-140℃）对RCF碳化性能的影响，结果表明，将温度优化至100℃，CO2吸收量为21.65%，大大提高了RCF的碳化效率。方解石和球霰石是碳化RCF (CRCF)的主要碳化产物，尤其是方解石随着碳化温度的升高而变大、变稳定。CaCO3晶型影响水泥的水化速率，其中球霰石对水泥早期水化反应起重要作用，而CRCF中的方解石由于其热力学稳定性较好，对水泥早期水化反应的影响较小。CRCF的碳化程度越高，其作为水泥替代品的性能越好。在100℃条件下，含CRCF的水泥浆体具有更短的凝结时间、更高的水化速度和与纯水泥浆体相当的28天强度。
图文导读
- 高温碳化对粉末的影响
RCF碳化程度随着温度的升高而升高，在100℃时达到最高，但当进一步升高到140℃时，碳化程度略有下降。这是由于Ca2+的溶解度更高，CO2渗透率更快。但在140℃时，RCF粉末中的液态水急剧蒸发，导致碳化程度较低。因此，在高温环境中，RCF的初始水分(通过喷射水提供)对于碳化是重要和必要的。
所有CRCF都含有两种CaCO3晶型，即方解石和球霰石。当升高碳化温度，方解石与球霰石的比例上升，碳化产物经历了从低结晶的球霰石到高结晶方解石的转变。球霰石向方解石的转化可能与球霰石在高温下的溶解与再结晶有关。这说明高温有利于形成热力学稳定、结晶度良好的方解石。
SEM图像显示，在室温（20℃）的碳化温度下，RCF颗粒上出现了“球状”结构的球霰石，而“立方”结构的方解石未出现。随着碳化温度增加，方形的CaCO3晶体逐渐增多。有趣的是，在140℃时，小的方解石颗粒凝聚并形成更大的方解石颗粒，表明其具有更稳定、更致密的碳酸盐结构。碳化后RCF的比表面积增大，可能与两个主要原因有关:(i)高温下非常细的碳酸盐颗粒和高度结晶的硅胶的形成增加了比表面积，(ii)由于水化产物向碳酸盐的转化，毛细孔隙和平均孔径减小。
所有CRCF都含有两种CaCO3晶型，即方解石和球霰石。当升高碳化温度，方解石与球霰石的比例上升，碳化产物经历了从低结晶的球霰石到高结晶方解石的转变。球霰石向方解石的转化可能与球霰石在高温下的溶解与再结晶有关。这说明高温有利于形成热力学稳定、结晶度良好的方解石。
SEM图像显示，在室温（20℃）的碳化温度下，RCF颗粒上出现了“球状”结构的球霰石，而“立方”结构的方解石未出现。随着碳化温度增加，方形的CaCO3晶体逐渐增多。有趣的是，在140℃时，小的方解石颗粒凝聚并形成更大的方解石颗粒，表明其具有更稳定、更致密的碳酸盐结构。碳化后RCF的比表面积增大，可能与两个主要原因有关:(i)高温下非常细的碳酸盐颗粒和高度结晶的硅胶的形成增加了比表面积，(ii)由于水化产物向碳酸盐的转化，毛细孔隙和平均孔径减小。
- 掺加高温碳化RCF对水泥性能的影响
CRCF的掺入造成了浆体的流动性的降低，尤其是使用100ºC CRCF时流动性丧失更明显。这与CRFC的比表面积密切相关，比表面积越大，水膜面积越大，需水量也越大。此外，沉淀在CRCF表面的硅胶对水分子也具有很强的亲和力。
除了100ºC 碳化的CRCF，所有其他CRCF样品均延长了凝结时间。这是因为与水泥相比,体系中低含量的C2S和C3S参与水化反应。但当RCF碳化温度达到100℃时，水泥浆体的凝结时间缩短。这是因为CaCO3与水泥中的Al相发生反应，CRCF中形成更多的碳化产物，为水泥水化提供了更多的成核位点。即CRCF的碳化程度越高，水泥浆体的凝结时间越短。
RCF的碳化温度对水泥浆体早期水化和长期水化均有显著影响。高温（60、100、140℃）碳化RCF有利于水泥浆体早期（1、3天）强度的发展。这主要是由于CRCF中的CaCO3与水泥熟料中的C3A发生反应，依据成核效应，加速了水泥的水化。60ºC CRCF的碳化程度较140ºC CRCF低，但60ºC CRCF水泥浆体在1、3、7 天的早期抗压强度相对较高，这与CaCO3不同晶型对水化反应的影响机制有关。与方解石相比，球霰石更有利于加速水泥的早期水化，因为其更高的内在硬度和更小的颗粒尺寸，且溶解性更强，稳定性更差。而在后期（14和28 天），140℃ CRCF水泥浆体的强度高于60℃ CRCF水泥浆体，因为后期方解石的成核作用大于球霰石。
除了100ºC 碳化的CRCF，所有其他CRCF样品均延长了凝结时间。这是因为与水泥相比,体系中低含量的C2S和C3S参与水化反应。但当RCF碳化温度达到100℃时，水泥浆体的凝结时间缩短。这是因为CaCO3与水泥中的Al相发生反应，CRCF中形成更多的碳化产物，为水泥水化提供了更多的成核位点。即CRCF的碳化程度越高，水泥浆体的凝结时间越短。
RCF的碳化温度对水泥浆体早期水化和长期水化均有显著影响。高温（60、100、140℃）碳化RCF有利于水泥浆体早期（1、3天）强度的发展。这主要是由于CRCF中的CaCO3与水泥熟料中的C3A发生反应，依据成核效应，加速了水泥的水化。60ºC CRCF的碳化程度较140ºC CRCF低，但60ºC CRCF水泥浆体在1、3、7 天的早期抗压强度相对较高，这与CaCO3不同晶型对水化反应的影响机制有关。与方解石相比，球霰石更有利于加速水泥的早期水化，因为其更高的内在硬度和更小的颗粒尺寸，且溶解性更强，稳定性更差。而在后期（14和28 天），140℃ CRCF水泥浆体的强度高于60℃ CRCF水泥浆体，因为后期方解石的成核作用大于球霰石。
- 作者简介
吴宇晴，湖南大学土木工程学院，硕士，主要研究方向再生微粉的高温碳化及利用，已在Journal of Building Engineering 发表SCI论文一篇。
邮箱：15852060183@163.com
