

Как проводить оценку карбонизационного твердения с использованием CO2 для исследований бетона в рамках CCUS?

Jul 23 2026

Table of Content [Hide]

Технологии улавливания, использования и хранения углерода (CCUS) требуют постоянных, масштабируемых путей минерализации для преобразования уловленного диоксида углерода в стабильные продукты. В исследованиях бетона карбонизационное твердение CO2 дает двойную выгоду: оно навсегда связывает диоксид углерода в виде твердых карбонатов кальция, одновременно повышая раннюю механическую прочность, улучшая поровую структуру и снижая водопоглощение в цементных вяжущих, восстановленных бетонных заполнителях (RCA) и промышленных побочных продуктах, таких как стальной шлак.

Чтобы преодолеть разрыв между перспективной химической реакцией и масштабируемым производственным процессом, требуется точный лабораторный контроль. СпециализированнаяКамера карбонизационного твердения CO2обеспечивает контролируемую, воспроизводимую среду, необходимую для оценки составов вяжущих, оптимизации диффузии газа и точного количественного определения поглощения углерода.

Это всеобъемлющее руководство подробно описывает химические механизмы, критические параметры окружающей среды, стандарты испытаний (EN 12390-12, ISO 1920-12, RILEM CPC-18R1), экспериментальные рабочие процессы и готовые решения на оборудовании от LIB Industry.

Физика карбонизационного твердения и естественная карбонизация

Для планирования значимых экспериментов по CCUS исследователи должны различать управляемое раннее карбонизационное твердение и пассивное естественное выветривание.

Естественная карбонизация	CO2-ускоряемое твердение
Пассивное, воздействие окружающего воздуха	Управляемая обработка на раннем этапе
Низкая концентрация CO2 (~0,04%)	Высокая концентрация CO2 (от 1% до 20%)
Занимает месяцы и годы	Занимает от минут до 72 часов
Снижает pH, риск коррозии арматуры в железобетоне	Уплотняет матрицу, повышает раннюю прочность и связывает CO2

Естественная карбонизация бетона

Естественная карбонизация происходит пассивно, когда атмосферный CO2 (~0,04%) диффундирует в затвердевший бетон в течение месяцев или лет. Он реагирует с продуктами гидратации, снижая pH порового раствора с выше 12,5 до ниже 9,0. В железобетоне эта потеря щелочности депассивирует закладную сталь, делая естественную карбонизацию проблемой долговечности для зрелых конструкций.

Ускоренное CO2-карбонизационное твердение

Карбонизационное твердение — это целенаправленный производственный процесс, применяемый на ранней стадии к свежим, расформованным или предварительно кондиционированным цементным материалам. Путем воздействия повышенных концентраций CO2 на матрицу при контролируемых относительной влажности и температуре диоксид углерода быстро растворяется в поровой воде с образованием твердых карбонатных минералов.

Ключевой вывод

Результаты карбонизационного твердения никогда не следует напрямую подставлять в прогнозы долговечности по сроку службы без проверенных корреляционных моделей, поскольку ранняя минерализация намеренно изменяет начальную микроструктурную эволюцию материала.

Химия минерализации и критические параметры окружающей среды

Карбонизационное твердение преобразует газообразный диоксид углерода в твердые минеральные фазы посредством реакций водного растворения и осаждения:

Ca(OH)2 + CO2 →(H2O)→ CaCO3 + H2O

C-S-H + x CO2 →(H2O)→ C-S-H (обедненный кальцием) + x CaCO3 + y H2O

Дополнительные пути возникают при обработке материалов, содержащих магний или железо, таких как уплотнения из стального шлака и альтернативные вяжущие с низким содержанием клинкера.

Критическая триада условий твердения

Параметр	Целевой диапазон	Почему это важно
Влажностный баланс	50% – 70% RH	Слишком сухо: нет водной пленки для растворения CO2. Слишком влажно: поры заполняются водой, блокируя диффузию газа.
Контроль температуры	20°C – 40°C	Регулирует растворимость газа и скорости осаждения минералов.
Концентрация CO2 и циркуляция газа	Зависит от процесса	Создает градиент концентрации без локального застоя.

Сравнение параметров и стандартов испытаний

Параметр / Протокол	Диапазоны для исследований и скрининга	Стандарт EN 12390-12	Стандарт ISO 1920-12
Основная цель	Оптимизация процесса и скрининг поглощения CO2	Сравнение стойкости к карбонизации	Профилирование глубины карбонизации для классов бетона
Концентрация CO2	от 1% до 20% по объему	3,0% ± 0,5%	3,0% ± 0,5%
Температура	от 20°C до 40°C	20°C ± 2°C	22°C ± 2°C (Горячий климат: 27°C ± 2°C)
Относительная влажность	от 50% до 70% RH	57% ± 3% RH	55% ± 5% RH (Горячий климат: 65% ± 5% RH)
Продолжительность воздействия	от минут до 72 часов	28 дней твердения + 14 дней кондиционирования	Переменные интервалы циклов
Основной конечный показатель	Прирост Pmax, поглощение (г CO2/кг), улучшение поровой структуры	Глубина карбонизации (dk) с помощью индикаторного распыления	Сравнительное отслеживание карбонизационного фронта

Стандартизированный экспериментальный рабочий процесс

Дисциплинированный лабораторный рабочий процесс предотвращает искажение данных о карбонизации из-за различий в предварительной подготовке или эффектов загрузки камеры.

1. Определите цель и подготовьте повторы (≥3 образца на группу)

2. Зафиксируйте исходные показатели (состав смеси, плотность после формования, сухая масса)

3. Стандартизируйте предварительное кондиционирование (равная RH/потеря влаги)

4. Запрограммируйте камеру и проведите твердение (CO2, температура, RH, поток газа)

5. Непрерывный мониторинг и регистрация данных in situ

6. Пост-твердительная характеризация (поглощение, глубина, прочность, XRD)

Ключевые правила выполнения

Зазоры между образцами и воздушный поток: Обеспечьте расстояние не менее 20–50 мм вокруг каждого образца внутри камеры. Плотная укладка блокирует циркуляцию газа, что приводит к неравномерным карбонизационным фронтам.

Баланс массы с поправкой на влажность: Быстрое увеличение массы во время твердения не гарантирует автоматически связывание углерода. Изменения массы необходимо корректировать на испарение воды или конденсацию с помощью термогравиметрического анализа (TGA) или элементного анализа сжиганием.

Точность индикаторного распыления (RILEM CPC-18R1): При измерении глубины карбонизации опрыскайте свежесколотую поверхность 1%-ным спиртовым раствором фенолфталеина. Зафиксируйте не менее 3–5 точек глубины на сторону с точностью до 0,2 мм, различая некарбонизированную пурпурную зону (pH > 10,0) и бесцветную карбонизированную зону.

Применение материалов в строительстве с низким углеродным следом

Контролируемое карбонизационное твердение применяется в нескольких ключевых структурных и материаловедческих направлениях:

Сборные бетонные блоки	Стальной шлак и побочные продукты	Восстановленные заполнители
Быстрая начальная прочность ускоряет расформовку	Превращает отходы в конструкционные карбонаты	Уплотняет пористое растворное покрытие

• Бетонные кладочные блоки (CMU): Раннее воздействие повышенного CO2 ускоряет набор прочности, сокращая время расформовки и снижая энергозатраты на пропаривание.

• Уплотнения из стального шлака и промышленные отходы: Уплотнения из шлака с высоким содержанием кальция/магния приобретают структурную целостность, так как карбонаты связывают рыхлые минеральные частицы в матрицу без использования традиционного портландцемента.

• Улучшение восстановленного бетонного заполнителя (RCA): Карбонизация дробленых бетонных отходов уплотняет пористое прилипшее растворное покрытие, снижая водопоглощение и улучшая механическое сцепление при повторном использовании в свежих бетонных смесях.

Выбор оборудования: исследовательские камеры и стандартные климатические шкафы

Стандартные климатические камеры не имеют газонепроницаемых уплотнений, защитных блокировок и систем контроля на основе недисперсионных инфракрасных (NDIR) датчиков, необходимых для точных исследований карбонизации.

Рабочий параметр	Стандартная камера температуры/влажности	Камера карбонизационного твердения CO2 от LIB
Диапазон концентрации CO2	Окружающий (~0,04% только)	0% – 20% (управляется через NDIR-датчик)
Диапазон температур	-20°C до +100°C	-60°C до +150°C (точность ±0,5°C)
Диапазон влажности	20% – 98% RH	10% – 98% RH (точность от ±1,0% до ±1,5% RH)
Система газообработки	Открытая вентиляция / негерметичная	Газоплотное рабочее пространство, автоматическая продувка и клапан сброса давления
Материал рабочего пространства	Стандартная нержавеющая сталь	Коррозионно-стойкая нержавеющая сталь марки SUS304
Защитные блокировки	Отключение при тепловой перегрузке	Сигнализация избыточного давления, обнаружение утечки CO2, блокировка дверцы с фиксацией

Инженерный опыт LIB и комплексные решения для CO2-твердения

Выбор специализированного испытательного оборудования требует инженерного партнера с проверенным производственным опытом и полной поддержкой «под ключ».

О компании LIB Industry

Основанная в 2009 году, компания Xi'an LIB Environmental Simulation Industry является специализированным производителем и глобальным поставщиком климатических испытательных камер. LIB предоставляет решения «под ключ» — от индивидуального проектирования конструкции и интеграции газовых систем до доставки, монтажа, калибровки и обучения операторов.

• Комплексный парк испытательного оборудования: LIB производит камеры температуры/влажности, камеры карбонизационных испытаний CO2, системы соляного тумана, камеры погодных воздействий и индивидуальные климатические комнаты с возможностью входа.

• Гарантия качества: Все камеры LIB проходят строгую функциональную проверку, многопозиционную калибровку датчиков и непрерывный пусконаладочный контроль перед отправкой.

• Ведущая в отрасли гарантия: Все оборудование LIB обеспечивается 3-летней полной гарантией и пожизненной технической поддержкой и обслуживанием.

Ключевые технические особенности камеры карбонизационного твердения CO2 от LIB

• Прецизионный NDIR-контроль CO2: Недисперсионные инфракрасные датчики непрерывно отслеживают концентрацию CO2 до 20% без потребления газа, управляя автоматическими соленоидными инжекторными клапанами.

• Многопараметрический программируемый ПЛК: Интерфейс сенсорного экрана отображает в реальном времени кривые для процентного содержания CO2, температуры и относительной влажности, с полной регистрацией данных в CSV через USB и Ethernet.

• Интегрированная архитектура безопасности: Автоматические клапаны сброса избыточного давления, сигнализация утечки газа и принудительная продувка окружающим воздухом перед открыванием дверцы обеспечивают защиту лабораторного персонала.

Смежные решения LIB для климатических испытаний

Для поддержки комплексных исследований CCUS, оценки долговечности бетона и многофакторных климатических испытаний LIB Industry предлагает полный портфель дополнительного климатического испытательного оборудования:

Камера быстрого замораживания-оттаивания бетона

Основное применение:
Оценивает стойкость к замораживанию-оттаиванию и внутреннее микротрещинообразование бетонных призм, сборных блоков и кладочных элементов в соответствии сASTM C666 (Процедура A и B) and ASTM C1262.

Ключевые особенности:

Автоматизированная система циркуляции воды
Быстрое циклирование температуры между-18°C и +4°C
Поддерживает испытания динамического модуля упругости
Стабильный контроль температуры для длительного циклирования замораживания-оттаивания
Подходит для оценки долговечности бетона и срока службы

Камера влажного тепла с высокой температурой и влажностью (серия DH)

Основное применение:
Предназначена для длительных исследований диффузии влаги, твердения с высокой влажностью и изучения выщелачивания солей или щелочей из цементных материалов с низким углеродным следом, геополимерного бетона и других перспективных вяжущих.

Ключевые особенности:

Диапазон температур от-70°C до +150°C
Точный контроль влажности от10% до 98% RH
Встроенная система непрерывной очистки воды
Долговременная стабильная работа по температуре и влажности
Подходит для долговечности и ускоренного старения

Камера ускоренных погодных испытаний (серии ксеноновая дуга / УФ)

Основное применение:
Имитирует солнечный свет, ультрафиолетовое излучение, водяные опрыскивания и циклы конденсации для оценки атмосферостойкости карбонизированных бетонных поверхностей, защитных герметиков, архитектурных покрытий и наружных строительных материалов.

Ключевые особенности:

Точная калибровка облученности
Программируемые циклы освещения, темноты, опрыскивания и конденсации
СоответствуетASTM G154, ASTM G155, иISO 4892
Ускоряет наружное выветривание в контролируемых лабораторных условиях

Климатическая комната с возможностью входа для карбонизации и окружающей среды

Основное применение:
Изготовляется на заказ для крупномасштабного карбонизационного твердения и климатических испытаний полноразмерных сборных бетонных компонентов, строительных балок, фасадных панелей и крупнообъемных исследовательских проектов.

Ключевые особенности:

Индивидуальные объемы камер от10 м³ до более 100 м³
Многозональный контроль концентрации CO₂ и влажности
Усиленное напольное покрытие для вилочных погрузчиков и крупных образцов
Конфигурируемые стеллажи, газораспределение и размещение образцов
Идеально подходит для пилотных и промышленных исследований бетона в рамках CCUS

Реальный кейс заказчика и проверка в полевых условиях

Предыстория проекта

Лаборатория гражданского строительства университета, ведущая исследования CCUS на уплотнениях из стального шлака и восстановленных бетонных заполнителях, нуждалась в климатической камере, способной стабильно выполнять профили карбонизационного твердения при 20% CO2, поддерживая строгие условия 60% RH и 30°C.

Рабочий процесс внедрения LIB на объекте

1. Монтаж на месте и подключение газовой магистрали

2. Проверка падения газоплотности и калибровка NDIR-датчика

3. Многоточечное картирование температуры и влажности по стеллажам с образцами

4. Практическое обучение исследовательской группы выполнению шагов программы

5. Окончательная приемка и активация 3-летней гарантии

Результаты

Используя камеру карбонизации CO2 от LIB, исследовательская группа достигла воспроизводимых показателей минерализованного поглощения (>8% прироста массы за счет CO2) на уплотнениях из стального шлака в течение 24-часовых циклов. Автоматическая регистрация данных позволила установить четкую корреляцию между стабильностью RH в камере и глубиной карбонизационного фронта.

«Стабильность камеры LIB на протяжении длительных 72-часовых циклов карбонизации была критически важна для нашего моделирования поглощения CCUS. Функции автоматической газовой продувки и предохранительного сброса дали нашей команде полную уверенность при работе с повышенными концентрациями CO2».

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: В чем главное различие между карбонизационным твердением и естественной карбонизацией?

Карбонизационное твердение — это быстрая, управляемая обработка на ранней стадии (использующая от 1% до 20% CO2), применяемая к свежим или расформованным материалам для ускорения набора прочности и минерализации диоксида углерода. Естественная карбонизация — это медленный, пассивный процесс, движимый окружающим воздухом (~0,04% CO2) в течение многих лет, который может депассивировать сталь в зрелом железобетоне.

В2: Почему контроль влажности критичен во время экспериментов по карбонизации?

Диоксид углерода должен растворяться в поровой воде, чтобы вступать в реакцию с кальциевыми фазами. Если относительная влажность слишком низкая (<40% RH), поры высыхают, и реакция прекращается. Если влажность слишком высокая (>80% RH), вода заполняет поровую сеть, сильно ограничивая диффузию CO2. Оптимальное окно обычно составляет от 50% до 70% RH.

В3: Как точно измерить поглощение CO2 в отвержденных образцах?

Чистое поглощение можно рассчитать из баланса массы, но гравиметрические данные необходимо корректировать на потерю или прирост воды. Для точной проверки исследователи комбинируют изменение массы с термогравиметрическим анализом (TGA) или элементным анализом сжиганием для прямого измерения массы карбонатных минералов.

В4: Может ли LIB изготовить камеры карбонизации CO2 под крупногабаритные образцы на заказ?

Да. LIB предлагает индивидуальные объемы рабочего пространства от компактных настольных блоков до климатических испытательных комнат с возможностью входа, в комплекте с усиленными стеллажами для образцов, многозональным впрыском газа и специальными портами для кабелей и датчиков.

Продвиньте ваши исследования бетона для CCUS с LIB Industry

Для ускорения исследований карбонизации требуется точный контроль концентрации газов, тепловой динамики и относительной влажности. Партнерство с LIB Industry обеспечит вашу лабораторию надежным оборудованием, прослеживаемой регистрацией данных и поддержкой «под ключ».

Готовы сконфигурировать вашу камеру карбонизации CO2?

Свяжитесь с LIB Industry сегодня, чтобы проконсультироваться со специалистом по климатическим испытаниям, получить технические спецификации или запросить коммерческое предложение, адаптированное к вашей исследовательской программе.

Email:ellen@lib-industry.com

Предоставляемые услуги: Бесплатная техническая консультация, Индивидуальное проектирование камер, Монтаж на объекте, Сертифицированная калибровка, 3-летняя гарантия, Пожизненная техническая поддержка.

References