基于碳酸镁颗粒的创新轻质混凝土 作者：Onur Sahin, Enis Co?kun, Abdullah Huzeyfe Akca

《Materials》：Innovative Lightweight Concrete with Carbonated Magnesium-Based Pellets Onur Sahin, Enis Co?kun and Abdullah Huzeyfe Akca

　　摘要：建筑行业需要可持续的建筑材料来减少其对环境的影响。虽然在新建筑中使用这些材料主要关注环境效益，但它们在保护建筑遗产方面的应用也提出了额外的要求。这些材料必须在物理和化学上与历史基底兼容，以确保建筑物的长期耐久性。因此，开发环保且兼容的修复材料是一个重要的课题。本研究旨在生产人造骨料，以制造轻质混凝土，用于结构干预，并减少自然资源的消耗（即最小化对天然河沙和碎石骨料的破坏性开采）。研究使用了基于镁的粘合剂来模拟历史石灰砂浆的碳化过程。这些粘合剂与水混合后制成粗颗粒，并在二氧化碳培养箱中养护3天和14天，然后用于混凝土生产。结果表明，使用人造骨料使混凝土密度降低了约16.5%。由于减少自重可以提高历史砌体结构的抗震安全性，这种降低非常关键。尽管与天然骨料混凝土相比，压缩强度有所下降，但经过14天养护的样品达到了34.7 MPa的强度。这表明该材料可以用于需要刚性兼容性的修复工作（例如拱顶填充、环梁或楼板找平）。同时，由于基于镁的人造轻质颗粒具有二氧化碳封存能力，它们可以作为历史建筑和更广泛民用基础设施的碳负解决方案。

1. 引言
全球建筑活动以惊人的速度消耗自然资源，尤其是天然骨料，而建筑行业由于波特兰水泥的高能耗生产而成为温室气体排放的来源[1,2,3,4]。因此，向可持续基础设施的转型至关重要[5,6]。然而，绿色材料的开发和采用可能会带来重大的经济和技术挑战[7,8,9]。为了使环保替代品成为首选建筑材料，它不仅需要提供环境效益，还需要具备更好的功能特性，如更高的强度重量比、耐久性或碳封存能力。考虑到建筑物的抗震安全性和自然资源的可持续性，人造轻质骨料可以被视为一种实用的解决方案。例如，工业副产品如粉煤灰可以转化为人造颗粒骨料[10,11,12,13]。最终产品被称为冷粘结颗粒，既解决了废物管理问题，又减少了结构的自重[14,15]。这种自重的减少对于历史建筑的保护也至关重要。与根据现代抗震规范设计的现代结构不同，传统砌体结构由于质量大且缺乏延展性，更容易受到地震力的损害。因此，在修复过程中用轻质且兼容的替代品替换重型填充材料（如拱顶填充或楼板找平工作）可以减轻地震力的影响。此外，人造轻质颗粒还可以积极影响混凝土的热性能[16,17,18]。
除了简单的废物利用之外，材料科学的最新趋势转向了碳捕获和利用（CCU）技术，寻找能够主动修复环境的材料，因为波特兰水泥的生产约占人为二氧化碳排放量的8%[19]。镁基水泥是替代传统钙基水泥的最有前景的候选者之一。然而，镁水泥的环境足迹取决于其来源。从菱镁矿（MgCO3）中提取的氧化镁（MgO）的碳足迹往往与波特兰水泥相当或更高，因为其煅烧需要高温[20,21]。另一方面，氢氧化镁（Mg(OH)2）提供了一个根本不同的机会，有助于创造碳负建筑材料。与水硬性粘合剂不同，Mg(OH)2通过碳化机制硬化，有效地将二氧化碳锁定在基质中，转化为稳定的镁碳酸盐[22]。为了最大化这些环境效益并确保大规模的经济可行性，这些镁前体可以从工业废物流中大量获取，例如海水淡化废液和低品位菱镁矿尾矿[23,24]。例如，全球海水淡化废液的年产量可能提供约1.72亿吨的MgO[25]。同时，从这些废液中提取的合成镁沉淀物可以很容易地加工成细粉，例如粒径小于150微米[26]。由于将这些材料用作粘合剂需要细小的颗粒尺寸以实现有效的反应性，这些特定的尺寸和大量的数量使它们非常适合各种大规模结构应用。利用这些副产品可以将这些粘合剂转化为完全可持续的碳负替代品，同时实现大量废物的价值化和二氧化碳的封存。
氧化镁和氢氧化镁的硬化机制依赖于水合镁碳酸盐（HMC）的形成，这些水合镁碳酸盐将颗粒结合在一起。最常见的HMC形成物是nesquehonite、hydromagnesite和dypingite相（公式（1）-（3）[9]。然而，这些产物首先出现在材料表面，并使材料的外层致密化，从而降低了二氧化碳的渗透能力[27]。随着样品尺寸的减小，碳化体积与材料总体积的比例会增加。与大型混凝土块不同，这些颗粒的小尺寸促进了二氧化碳的快速均匀渗透，可能加速了固化过程并确保了碳化产物的均匀性。从保护的角度来看，生成的镁碳酸盐与历史石灰砂浆中的钙碳酸盐具有相似的物理化学性质。此外，二氧化碳固化过程本质上模拟了历史材料的自然老化过程。因此，预碳化的骨料在整合到遗产结构中时不太可能引起有害反应或体积变化。

2. 材料与方法
本研究使用了商业化的氧化镁和氢氧化镁粉末来生产基于镁的人造颗粒。使用纯材料建立了受控的基线，以便进行微观结构分析，并准确研究碳化机制，而不受杂质的干扰。对人造颗粒施加浓缩二氧化碳进行养护以增强其强度。随后，这些人造颗粒被作为粗骨料加入到传统的波特兰水泥混凝土中。确定了人造骨料和混凝土试样的物理和机械性能。

2.1 材料和人造骨料生产
在颗粒生产中使用了MgO和Mg(OH)2粉末作为粘合剂，粉末的最大粒径小于150微米。此外，还向某些颗粒组中添加了天然沙子以增加颗粒的表面粗糙度。MgO粉末的比重为3.69，纯度为99.5%，而Mg(OH)2粉末的纯度范围为96-98%，比重为2.36。天然沙子的比重为2.65。通过将干粉末与蒸馏水混合，得到糊状物，然后手动将其塑造成球形颗粒（图1）。为了系统研究不同组成对碳化效率和最终骨料性能的影响，设计了三个不同的组：‘M’系列（纯MgO参考）、‘MS’系列（加入硅砂作为惰性微填料，粘合剂与沙子的质量比为1:2，以评估结构骨架效应）和‘MH’系列（使用MgO与Mg(OH)2的质量比为1:1，以观察预水化前体的影响）。

2.1.1 材料和人造骨料生产
在颗粒生产中使用了MgO和Mg(OH)2粉末作为粘合剂，粉末的最大粒径小于150微米。此外，还向特定颗粒组中添加了天然沙子以增加颗粒的表面粗糙度。MgO粉末的比重为3.69，纯度为99.5%，而Mg(OH)2粉末的纯度范围为96-98%，比重为2.36。通过将干粉末与蒸馏水混合得到糊状物，然后手动将其塑造成球形颗粒（图1）。为了系统研究不同组成对碳化效率和最终骨料性能的影响，设计了三个不同的组：‘M’系列（纯MgO参考）、‘MS’系列（加入硅砂作为惰性微填料，粘合剂与沙子的质量比为1:2，以评估结构骨架效应）和‘MH’系列（使用MgO与Mg(OH)2的质量比为1:1，以观察预水化前体的影响）。

2.1.2 材料和人造骨料生产
在颗粒生产中使用了MgO和Mg(OH)2粉末作为粘合剂，粉末的最大粒径小于150微米。此外，还向某些颗粒组中添加了天然沙子以增加颗粒的表面粗糙度。MgO粉末的比重为3.69，纯度为99.5%，而Mg(OH)2粉末的纯度范围为96-98%，比重为2.36。通过将干粉末与蒸馏水混合得到糊状物，然后手动将其塑造成球形颗粒（图1）。为了系统研究不同组成对碳化效率和最终骨料性能的影响，设计了三个不同的组：‘M’系列（纯MgO参考）、‘MS’系列（加入硅砂作为惰性微填料，粘合剂与沙子的质量比为1:2，以评估结构骨架效应）和‘MH’系列（使用MgO与Mg(OH)2的质量比为1:1，以观察预水化前体的影响）。

2.1.3 材料和人造骨料生产
在颗粒生产中使用了MgO和Mg(OH)2粉末作为粘合剂，粉末的最大粒径小于150微米。此外，还向某些颗粒组中添加了天然沙子以增加颗粒的表面粗糙度。MgO粉末的比重为3.69，纯度为99.5%，而Mg(OH)2粉末的纯度范围为96-98%，比重为2.36。通过将干粉末与蒸馏水混合得到糊状物，然后手动将其塑造成球形颗粒（图1）。为了系统研究不同组成对碳化效率和最终骨料性能的影响，设计了三个不同的组：‘M’系列（纯MgO参考）、‘MS’系列（加入硅砂作为惰性微填料，粘合剂与沙子的质量比为1:2，以评估结构骨架效应）和‘MH’系列（使用MgO与Mg(OH)2的质量比为1:1，以观察预水化前体的影响）。

2.1.4 碳化养护
颗粒在二氧化碳培养箱中暴露于二氧化碳养护，培养箱内的二氧化碳浓度为10 ± 0.2%，温度为25 ± 3 °C，相对湿度为80 ± 5%。所有组在各自的养护介质中养护了3天和14天。养护期结束后，对颗粒骨料进行了质量变化测量、颗粒抗压强度测试、Ten Percent Fines Value (TFV)测试、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）。

2.1.4.1 质量变化测量
颗粒的初始质量在生产后立即记录，最终质量在养护期结束时测量。质量变化百分比基于最终质量与初始质量之间的差异计算得出。

2.1.4.2 颗粒抗压测试
单个颗粒在两个平行加载板之间受到压缩载荷，如图2所示。由于颗粒的直径在8毫米到20毫米之间变化，加载速率根据测试样品的直径进行了调整，使得加载速率为0.1 X/min，其中X代表加载板之间的初始距离。随后，使用公式（4）[29,30]计算每个颗粒的抗压强度。

2.1.5 Ten Percent Fines Value (TFV) 测试
根据BS 812-111标准[28]，通过Ten Percent Fines Value (TFV)测试评估了骨料的抗压性能。该方法确定了产生10%细颗粒（通过2.36毫米筛网且留在10.0毫米筛网上的颗粒）所需的载荷。测试前，骨料样品在45 ± 5 °C的温度下烘干。然后将干燥后的材料筛分，以分离出标准的测试部分，即通过14.0毫米筛网且留在10.0毫米筛网上的骨料。每次测试准备了大约3公斤的样品。测试样品放置在一个直径为150毫米的标准钢筒中。为了确保均匀的密度，骨料分为三层；每层使用标准夯棒进行25次敲击。平整表面后，插入活塞，然后将组件放入压缩测试机中。在10分钟的时间内，以均匀的速率施加负载，以实现大约20毫米的总穿透深度。使用方程（5）估算施加的负载大小，以产生7.5至12.5范围内的细颗粒百分比。
????????=14×????+4 （5）
其中TFV表示十百分细颗粒值（以千牛顿kN为单位），f是施加在测试样品上的最大负载（以kN为单位），m是在最大负载f下产生的细颗粒（通过2.36毫米筛子的颗粒）的比例，以百分比表示。

2.1.4 XRD和TGA样品制备程序
样品使用钢研钵和杵进行研磨。为了获得适合微观结构分析的细粉，将研磨后的样品通过150微米筛子进行筛分。这些粉末样品用于TGA和XRD分析。对于TGA，使用了大约17 ± 5毫克的样品质量，温度从室温以10°C/分钟的加热速率升高到1000°C，同时氮气流量为60毫升/分钟。从同一粉末中选取代表性样品来表征水化和碳酸化产物的晶相。对于XRD分析，在5°到80°范围内收集衍射图谱，步长为0.04°，阳极材料为?????，预期波长为K-α（发生器设置为40 mA和45 kV）。

2.1.5 混凝土生产和压缩试验
本研究使用了来自Ak?ansa Büyük?ekmece工厂（土耳其伊斯坦布尔Büyük?ekmece）的CEM I 42.5 R波特兰水泥。实验室对水泥的特性测试表明，其比重为3.12，Blaine比表面积为3740平方厘米/克。天然骨料混合物由三种不同的组分组成，以确保最佳的颗粒堆积。粗骨料（No. I，4–16毫米）和碎砂（0–4毫米）来自Güney Cebeci采石场（土耳其伊斯坦布尔Sultangazi）。粗骨料和碎砂的比重分别为2.70和2.69。此外，还加入了天然砂到混合物设计中。这种天然砂由Y?lmazer Mining提供（采自土耳其伊斯坦布尔?i?li地区的Kemerburgaz, Akp?nar），其粒径分布在0–4毫米范围内，比重为2.60。为了达到所需的工作性和性能，使用了基于聚合物的超塑化剂（Chryso Fluid Optima）作为化学外加剂。

共设计了13种混凝土混合物，以研究不同骨料类型和替代比例的影响。每种系列的特定混合比例和名称见表2。在这些混合物中，使用人工骨料替代了天然粗骨料部分。混合物由40%的细骨料（20%碎砂，20%天然砂）和60%的粗骨料组成（按体积计）。对于混合骨料组，采用了一种复合方法，将人工骨料和天然骨料按50:50的体积比例混合。

表2. 混凝土混合比例。
对于每个混合系列，浇筑了尺寸为100毫米的立方体试样以评估其力学性能。试样在浇筑后24小时脱模，并随后在饱和石灰水中养护至7天和28天的测试龄期。在破坏性压缩试验之前，测量了样品的吸水率。随后，每组选取三个立方体试样，在0.6 MPa/秒的恒定加载速率下进行单轴压缩直至破坏。根据立方体试样的标准测试程序（TS EN 12390-3）[32]，压缩载荷垂直于浇筑方向直接施加在光滑的成型钢面上。最终压缩强度值基于每个系列记录的峰值载荷确定。

3. 结果
实验研究分为两个阶段进行。在第一阶段，制备了基于镁的人工颗粒，并在高浓度二氧化碳环境中进行养护。在评估了它们的力学和微观结构性能后，第二阶段涉及生产包含天然骨料、人工骨料和混合骨料组合的混凝土批次。最后，通过立方体试样的吸水率和压缩强度测试评估了13种不同混合物的性能，包括一个参考对照组。

3.1 二氧化碳养护后的质量变化
将颗粒铺在托盘上，并在二氧化碳养护前记录其初始质量。随后，将托盘放入二氧化碳培养箱中。在指定的养护期结束时，测量颗粒的最终质量，并计算净质量变化（由水分损失和碳酸化增益共同引起）。不同二氧化碳养护期的质量变化结果如图3所示。M3和M14组的质量损失最大，这些组的混合用水量也最大。另一方面，MH3和MH14组在二氧化碳养护期间显示出净质量增加。无论哪个组，所有样品的最终质量都随着养护时间的延长而增加。与第3天相比，M14、MS14和MH14组的相对质量增加分别为4.0%、1.0%和5.4%。质量增加与颗粒的碳酸化程度密切相关[33]。

图3. 颗粒组的质量变化。

3.2 颗粒的物理性质
二氧化碳养护后，颗粒在45°C的电炉中干燥24小时，然后浸入水中24小时。记录了颗粒在干燥和湿润状态下的质量。根据这些测量结果，计算了烘箱干燥（OD）颗粒密度、饱和表面干燥（SSD）颗粒密度和吸水率（按质量计），如表3所示。结果表明，所有人工颗粒组均符合TS EN 13055标准[34]，可归类为轻质骨料。M组的颗粒密度最低；这可能是由于它们较高的初始含水量，可能促进了微观结构中开放孔隙的形成。因此，M3组的吸水率在所有颗粒组中最高。MS14组的颗粒密度最高，因为其组成中包含了天然砂。与质量变化测量结果一致，颗粒组的密度值随着养护时间的延长而增加。与养护3天后的相比，M14、MS14和MH14组的烘箱干燥颗粒密度分别增加了7.6%、4.1%和8.3%。

表3. 人工颗粒的物理性质：颗粒密度和吸水率。

3.3 骨料破碎试验结果
对直径在8–20毫米范围内的骨料进行了破碎试验，并记录了破碎载荷。随后，使用方程（1）计算了每种骨料的破碎强度。图4展示了破碎强度与颗粒大小之间的关系。需要注意的是，虽然骨料的整体生产范围为8–20毫米，但图4中绘制的最大平均直径约为18.5毫米。这是由于颗粒破碎试验的严格几何要求。在新鲜浆体阶段，较大的颗粒（接近20毫米）由于自重而略微扁平。由于方程（4）假设颗粒为球形以获得准确的应力分布，任何扁平或不规则的颗粒都被排除在破碎试验之外。只有高度球形的颗粒被选中。此外，图4中的每个数据点代表大约10次单独颗粒试验的平均值，这自然使绘制的最大平均直径略微低于20毫米的上限。破碎试验结果显示，直径较小的颗粒具有较高的破碎强度，这可能归因于较小颗粒较高的表面积与体积比。较高的表面积与体积比可能有助于二氧化碳的吸收，从而增强碳酸化作用，导致更高的破碎强度。经过14天二氧化碳养护的颗粒通常比仅养护3天的颗粒表现更好。MS组的强度发展最低，而MH组的破碎强度发展最高。虽然颗粒在二氧化碳养护3天后的平均破碎强度约为2.5 MPa，但在14天后这一值增加到了4.0 MPa。这相当于通过延长二氧化碳养护使颗粒的破碎强度提高了约60%。

图4. 不同骨料组单个颗粒破碎强度与颗粒直径之间的关系。

3.4 十百分细颗粒值（TFV）测试结果
对制备的颗粒样品进行了压缩测试，并测量了小于2.36毫米的颗粒质量。使用方程（5）确定了每个组的TFV值，结果如表4所示。MS组的TFV值最低；然而，这可能是由于MS颗粒中释放了砂颗粒。这些砂颗粒可能增加了小于2.36毫米的颗粒的总质量，而不考虑粘结剂的强度。因此，MS组的计算TFV结果可能低估了其实际强度。虽然大多数颗粒组被归类为低强度等级，但MH14组的TFV值为120 kN。这一值表明其适用于生产普通强度的混凝土。与先前的研究结果一致，每个组的TFV值随着养护时间的延长而增加。需要注意的是，TFV测试是在直径在10毫米到14毫米之间的颗粒上进行的，其中单个颗粒的破碎强度高于直径较大的颗粒。

表4. 十百分细颗粒值（TFV）测试结果和人工颗粒的强度分类。

3.5 微观结构分析结果
颗粒在陶瓷研钵和杵中研磨以获得用于XRD和TGA测量的粉末样品。XRD分析使用Cu Kα辐射（发生器设置为40 mA和45 kV）在粉末衍射仪中进行，以识别晶相，包括残留的粘结剂和新形成的碳酸化产物。在5°到80°范围内收集衍射图谱，步长为0.04°。不同养护时间的颗粒XRD图谱如图5所示。使用ICDD粉末衍射文件（PDF）进行了相鉴定。图5. 颗粒的XRD图谱（注意：为了清晰起见，光谱垂直移动）。所有组中都检测到了氢氧化镁（Brucite，PDF No. 44-1482），因为氧化镁粉末是所有混合物的主要粘结剂。这可能表明在氧化镁水化后，微观结构中仍存在未碳酸化的氢氧化镁。MS组中检测到的石英峰（PDF No. 47-1144）归因于样品制备过程中通过筛子的细天然砂颗粒（<150 μm）。在14天养护的颗粒中检测到了水合碳酸镁峰（Nesquehonite，PDF No. 20-0669；Hydromagnesite，PDF No. 25-0513）。另一方面，MH组的XRD图谱中观察到了镁石峰（Magnesite，PDF No. 08-0479）。

根据TGA测量结果，绘制了质量损失曲线与温度的关系。由此计算了导数热重分析（DTG）曲线，以确定质量变化率，如图6所示。DTG曲线中观察到的峰对应于由结合水和二氧化碳释放引起的快速质量损失事件。假设在1000°C时剩余的残留物仅由氧化镁组成[22]，TGA样品的最终质量百分比分别为M3、M14、MS3、MS14、MH3和MH14组分别为63.1%、54.1%、58.0%、50.1%、52.6%和49.2%。较低的氧化镁含量表明样品在其结构中含有更多的结合水和二氧化碳。

图6. 颗粒的DTG曲线。（注意：为了便于比较，曲线堆叠显示，每个后续系列垂直移动了6%/分钟的恒定偏移量）。在所有的DTG图中，都观察到一个显著的峰值，代表氢氧化镁的脱羟基反应，该峰值大约出现在390°C [35,36,37]。尽管MH组最初的混合物中包含氢氧化镁，但代表氢氧化镁脱羟基的峰值低于其他组，这表明在二氧化碳固化后，大部分氢氧化镁转化为了碳酸盐形式。Nesquehonite的分解始于约50°C，250°C以下的峰值对应于水镁石的分解和自由水的释放 [6,38]。与氢氧化镁分解峰相邻的峰值表示水合碳酸镁的脱碳 [39,40]。此外，565°C左右的峰值代表菱镁矿的脱碳 [41]。通过使用最终质量、样品中氢氧化镁脱羟基导致的质量损失以及碳酸镁脱碳导致的质量损失，可以估算出颗粒捕获的二氧化碳量。首先计算氢氧化镁的量，然后确定样品的剩余质量。对于M组和MS组，剩余的成分可以被认为是Nesquehonite和水镁石；对于MH组，剩余的成分可以被认为是Nesquehonite、水镁石和菱镁矿。利用它们的分子式的化学计量关系，可以估算出结合的二氧化碳量。结果见表5。对于MS组，为了考虑惰性硅砂的比例，计算出的每种成分的量乘以了2/3的因子。由于无法确定准确的Nesquehonite与水镁石的比例，因此假设了一个等摩尔分布（50:50的比例）以简化计算。MH14组的二氧化碳吸收量最高，约为28.5%。计算还显示，延长固化时间显著提高了颗粒的二氧化碳封存能力。表5. 人工颗粒的估计矿物相组成和CO?封存能力（重量百分比）。

3.6. 混凝土试样的测试结果
通过抗压强度测试和密度测量评估了混凝土试样的机械性能和物理性质。每种混合物制备了三个试样进行抗压强度测试，同时另一个试样在45°C下烘干7天以确定吸水率。在抗压强度测试前对试样进行了称重，结果见表6。表6. 28天时混凝土试样的物理和机械性质。正如预期的那样，参考对照组具有最低的吸水率和最高的抗压强度及密度。相反，加入人工颗粒后，混凝土的密度和抗压强度降低，同时吸水率增加。使用氧化镁基颗粒使混凝土的密度和抗压强度分别降低了约19.7%和65.4%。延长的二氧化碳固化时间提高了混凝土的抗压强度，尽管密度也有所增加。混合混凝土组的抗压强度和密度值高于含有100%人工颗粒的组。值得注意的是，在轻质混合物中，MH混合系列的抗压强度最高。尽管MS组的TFV（总孔隙体积）结果最低，但其混凝土的抗压强度高于M组。这种差异表明TFV测试结果可能受到了松散砂粒释放的影响，如前所述。此外，颗粒表面的砂粒可能增加了表面粗糙度，从而增强了骨料与水泥浆之间的界面过渡区（ITZ）的粘附力。根据TFV测试结果，MH14组被归类为中等强度。抗压强度测试结果证实M14组可用于普通强度混凝土（大约C20/25）结构。

4. 结论
使用氧化镁、氢氧化镁和天然砂通过二氧化碳固化制备了人工轻质颗粒。这些颗粒在保持10%浓度的二氧化碳培养箱中固化了3天和14天。固化后，通过机械和微观结构测试研究了碳化的影响。在研究的第二阶段，这些颗粒被用作混凝土混合物中的粗骨料，并评估了颗粒加入对混凝土物理和机械性质的影响。二氧化碳暴露时间可以被认为是影响人工骨料性质的最重要参数。XRD图谱显示每个组在微观结构中都含有氢氧化镁，而14天固化的颗粒中氢氧化镁的含量较低，表明碳化程度更高。因此，在颗粒的微观结构中也检测到了HMCs（水镁石碳酸盐）的峰值。XRD图谱中检测到菱镁矿峰值以及TGA分析中约500°C时的分解开始，表明MH组骨料基质内合成了碳酸镁。MH14和MH14-H组的机械性能优于其他组，这可以归因于碳酸镁的形成，因为碳酸镁可能起到了强粘结剂的作用。14天固化颗粒质量增加的原因可能是由于长时间碳化导致微观结构致密化，以及基于镁的碳酸盐有效填充了孔隙，增强了颗粒的坚固性。这种机制类似于历史石灰砂浆的自然碳化过程，但由于高浓度二氧化碳的快速固化，这一过程在很短的时间内发生。需要注意的是，只要颗粒骨料的微观结构中存在氢氧化镁，通过大气中的二氧化碳固化，强度发展将持续进行，确保材料具有与历史基材兼容的化学稳定性。
对使用人工轻质颗粒制备的混凝土试样进行的机械测试表明，固化时间与其性能有直接相关性。在100%和50%粗骨料替代比例下，含有14天固化骨料的混凝土组的抗压强度平均比含有3天固化骨料的组高出9%。MH14和MH14-H系列的抗压强度分别达到了34.7 MPa和42.0 MPa。这些值不仅符合普通强度混凝土的标准（如TFV结果所预测的），而且超过了历史砌体修复的典型强度要求。然而，过高的强度有时可能会带来不利问题，如刚性不匹配。为了解决这个问题，可以通过用钙（Ca(OH)?）或镁（Mg(OH)?）基粘结剂替代波特兰水泥来修改粘结体系，从而调整材料的最终强度。此外，这些粘结剂在其使用寿命期间会吸收二氧化碳，提供更高的二氧化碳封存能力。此外，所有含有人工骨料的混凝土混合物的密度都有显著降低。在100%的粗骨料被人工轻质颗粒替代的系列中，混凝土密度平均降低了16.5%，而抗压强度降低了56.0%。对于50%的替代比例，密度降低了5.9%，抗压强度降低了41.5%。由于M3、MH3和M14组的干密度低于2000 kg/m3，它们可以被归类为轻质混凝土。这种密度降低对历史结构的抗震安全性至关重要。例如，通过减少干预材料的自重（例如，在拱顶填充物或楼板找平层中），可以最小化整体地震质量和基础剪切力，从而比传统普通重量混凝土修复具有显著优势。
人工颗粒骨料的环境性能与其机械性能同样重要。TGA测量表明，MH14骨料化学封存了约28.5%的CO?（按重量计）。当考虑混凝土混合物中骨料的总体积时，特别是在100%粗骨料替代的情况下，这意味着每立方米混凝土永久储存了约225公斤的CO?。这种碳封存潜力具有双重好处：减轻建筑行业的碳足迹，并为建筑遗产的可持续保护提供功能性替代方案。尽管减少自重对历史结构的抗震保护很重要，但负碳轻质骨料在交通和民用基础设施领域也有潜在应用。例如，由于这些人工骨料密度低，它们可以用作软土上的轻质填充材料，以减轻长期沉降。同时，它们的多孔性质使其成为透水混凝土铺装和可持续雨水管理的有希望的材料，以及制造公路隔音屏障的材料。此外，当在高流量环境中使用基于镁的成分时，它们可以作为活性碳汇。由于车辆尾气提供高浓度的CO?，这些材料可以随时间持续碳化。这种持续的CO?固化可以进一步致密微观结构并提高长期机械强度。本研究重点关注了负碳轻质混凝土的基本物理、微观结构和抗压性能。然而，没有评估剪切强度和骨料-基质粘结性能等结构参数。由于人工骨料是使用高纯度前体手工制备的，以严格观察碳化机制，因此产量有限。进行可靠的宏观剪切和粘结测试需要更大的结构元件，这会消耗大量骨料。因此，未来的工作将集中在使用工业废料流（如海水淡化盐或采矿尾矿）扩大颗粒化过程上。这将提供必要的材料量，以进行宏观结构研究，包括剪切行为、结构粘结和抗弯性能。