《Waste Management》：Total recycling of waste concrete in sustainable concrete production through CO
2 mineralization: Strength, durability, and corrosion issues
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CO?矿物化技术通过碳化再生骨料（CRA）和碳化再生粉（CRP）完全替代天然骨料和部分水泥，开发了碳化再生骨料混凝土（CRAC-CRP）。研究表明，CRAC-CRP在90天抗压强度达天然骨料混凝土的93%，且氯离子渗透系数降低24.7%，耐腐蚀性显著提升，生命周期评估显示碳排放减少33%，成本降低25%。
Bingcheng Chen|徐淼|贾斌|王宇洲|胡志远|彭立刚
浙江大学结构工程研究所，中国杭州310058
摘要
二氧化碳矿化技术为废弃混凝土的高价值回收提供了一种技术上可行的策略，将其作为碳汇，旨在实现建筑行业的碳中和目标。在本研究中，利用二氧化碳矿化技术增强了再生骨料（RA）和再生粉末（RP），使其能够完全替代天然骨料（NA），并部分替代水泥，从而开发出含有碳酸化再生粉末的混凝土（CRAC-CRP）。结果表明，由于孔隙率降低和孔径细化，二氧化碳矿化后再生骨料的物理和力学性能得到了提升。此外，CRAC-CRP在90天内的抗压强度与天然骨料混凝土相当，且从28天到90天的强度增加了约16%。同时，CRAC-CRP在90天时的吸水率降低了4.5%，氯离子迁移系数降低了24.7%。在氯离子作用下，CRAC-CRP在200天内保持了更强的开路电位和更高的极化阻力，而不含碳酸化成分的混合物在105-180天后出现了钝化现象。从摇篮到大门的生命周期评估显示，二氧化碳排放量减少了约33%，碳强度降低了约28%，生产成本也降低了约25%，这证实了该方法的环境和经济优势。
引言
混凝土生产主要受波特兰水泥制造的影响，约占全球二氧化碳排放量的6-8%，使其成为深度减排的主要目标（Xiao等人，2025年）。因此，建筑行业在实现碳中和方面肩负着重要的责任。传统的“被动”策略（Matsagar，2015年；Verian，2018年；Xiao等人，2021年），包括燃料转换、用辅助胶凝材料部分替代水泥熟料以及用再生骨料替代天然骨料，虽然取得了一定的减排效果，但效果有限，不足以实现净零排放。鉴于碱性胶凝系统的固有碳化潜力，碳捕获、利用和储存（CCUS），特别是基于水泥材料的二氧化碳矿化，为永久性碳封存提供了一条有前景的途径（Zhang等人，2020年；Cunha等人，2025年）。
为了最大化建筑和拆除废弃物的资源效率，提出了完全再生骨料混凝土（RAC），其中再生粗骨料（RCA，>4.75毫米）和再生细骨料（RFA，0.15-4.75毫米）完全替代天然骨料。然而，附着在再生骨料上的旧砂浆具有高孔隙率和吸水性，会降低新鲜和硬化后的性能：其抗压强度通常比天然骨料混凝土低10-15%，干燥收缩率增加1.5-1.8倍（Chen等人，2025a；Liu等人，2020年；Wang等人，2021年）。同时，废弃混凝土的破碎会产生大量的再生粉末（RP），这种粉末通常吸水率高但水化反应性低，其添加会进一步影响混凝土性能（Evangelista和De Brito，2010年）。因此，RP作为熟料替代品的实际使用通常受到剂量限制（Nedeljkovi?等人，2021年）。这些限制限制了在满足结构性能要求的同时实现废弃混凝土全面回收的可能性。
加速碳化已成为提升再生材料质量的一种可行策略（Jiang等人，2023年；Leemann等人，2023年；Lu等人，2022年）。在碳化过程中，气态二氧化碳溶解在水中，水解成碳酸根/碳酸氢根离子，并与再生材料中的含钙相（包括钙矾石、C-S-H和残余无水熟料）反应，生成碳酸钙和非晶态硅铝凝胶（Peng等人，2023a；Pu等人，2021年；Pu等人，2022年；Shen等人，2021年）。这些反应产物填充孔隙和微裂纹，降低吸水性，并使旧砂浆硬化。因此，碳酸化的再生骨料（CRA）通常具有更高的密度、更低的孔隙率和更好的微观力学性能（Peng等人，2023a；Shuvo等人，2024年；Tam等人，2020年）。在混凝土尺度上，含有CRA的混凝土（CRAC）通常比传统RAC具有更高的抗压强度和更低的氯离子渗透性（Silva等人，2015年；Wang等人，2024年）。对于粉末而言，碳酸化的RP（CRP）具有更细的颗粒尺寸和具有高火山灰活性的反应性碳化产物，因此作为新型胶凝材料部分替代熟料具有很大的潜力，并有助于提高基质密度（Jiang等人，2023年）。简而言之，二氧化碳矿化不仅将大气中的二氧化碳封存为稳定的碳酸盐，还解决了再生材料的关键问题。
然而，一个关键的权衡是钢筋的腐蚀问题。CRA/CRP中的硅铝凝胶的火山灰反应会消耗钙矾石，从而降低孔隙溶液的碱度（Xiao等人，2012年）。在含氯环境中，较低的pH值可能会降低钝化的临界氯离子浓度，增加腐蚀风险（Angst等人，2019年）。相比之下，在含有大量Ca(OH)2和碱金属离子的天然骨料混凝土（NAC）中，pH值约为12.5-13.5，可以维持一个坚固的钝化膜。因此，虽然碳化产物能够改善孔隙结构并抑制离子传输，但同时发生的碱度损失可能会削弱腐蚀防护作用。当CRA和CRP一起使用时，传输阻力和碱度降低之间的总体平衡仍然不确定，需要通过综合电化学评估来确定。
大多数先前的研究（Gholizadeh-Vayghan和Snellings，2022年；Xuan等人，2016年；Zhan等人，2020年）主要集中在单独提升再生骨料或再生细骨料的性能上，并报告了强度和传输性能的改善，但对嵌入钢材的腐蚀问题关注较少。此外，RA和RP通常也是单独研究的，缺乏同时包含碳酸化再生粗骨料（CRCA）、碳酸化再生细骨料（CRFA）和碳酸化再生粉末（CRP）的混凝土的系统评估。特别是，这种全面回收方案对钢筋钝化和氯离子诱导腐蚀的影响，以及与机械性能、传输阻力、微观结构证据和生命周期指标的并行研究尚未系统地进行。
本研究通过探索一种回收途径来填补这些空白，即CRCA和CRFA完全替代天然骨料，CRP部分替代水泥熟料，生产出含有碳酸化再生粉末的混凝土（CRAC-CRP）。系统分析了碳化前后RA和RP的物理和化学性质，并深入评估了CRAC-CRP的抗压强度、吸水率、氯离子渗透抵抗力和钢筋腐蚀电化学行为。此外，还通过汞侵入孔隙率测量（MIP）和纳米压痕试验进行了微观结构分析，以研究CRAC-CRP的性能提升机制。最后，进行了从摇篮到大门的生命周期评估，以评估这种方法的环境和经济可行性，为其在可持续建筑中的应用提供了科学依据。
材料与配合比
材料的制备、再生材料的二氧化碳矿化过程以及五种混合物的配合比设计方法见附录S1-S3。简要来说，使用了普通波特兰水泥（OPC，C42.5）；其氧化物组成见附录表S1。RCA/RFA通过加速气固（半干）碳化处理（Liang等人，2020年），而RP则通过加速液固（湿）碳化处理（Liu等人，2021年）；
物理性质
图1(a-b)展示了加速气固碳化前后RCA和RFA的基本物理性质变化，包括含水量、吸水率、表观密度和堆积密度。如图1(a)所示，碳化前RCA和RFA的含水量和吸水率均显著高于天然骨料混凝土（NAC），这与以往的研究结果一致（Théréné等人，2020年；Chen等人，2025b），主要是由于
结论
本研究通过使用二氧化碳矿化技术完全回收实验室模拟的废弃混凝土，开发出了一种可持续的混凝土。评估了二氧化碳矿化对再生骨料（RA）和再生粉末（RP）性质的影响，随后评估了CRAC-CRP的强度、耐久性和钢筋腐蚀抵抗力。利用MIP和纳米压痕试验分析了这种混凝土的微观结构改善情况。最后，进行了从摇篮到大门的生命周期评估，以量化其
作者贡献声明
Bingcheng Chen：撰写——初稿、方法论、数据分析。
Xu Miao：研究、数据分析。
Bin Jia：研究、数据整理。
Yuzhou Wang：方法论。
Zhiyuan Hu：方法论。
Ligang Peng：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
