碳化养护是一种新型的集二氧化碳捕获储存和水泥基材料性能提升于一体的新型绿色养护技术。碳化养护可以在水泥基材料水化早期,将主要温室气体二氧化碳以稳定不溶的碳酸钙的形式固定下来,并能明显提高水泥基材料的早期强度和密实度,改善水泥基材料在复杂环境下的长期性能。同时,碳化养护还可以作为蒸汽养护、高温水养等加速养护技术的替代手段,明显减少养护过程中的能源消耗。在目前全球环境和能源问题日趋紧张的背景下,水泥基材料的碳化养护得到了广泛的关注和研究。本文主要围绕碳化养护水泥基材料的数学建模、水泥基材料的碳化养护制度、水泥基材料的矿物组成对碳化养护效果的影响、碳化养护水泥净浆的耐久性以及通过碳化养护对透水混凝土进行改性强化展开试验研究和机理分析,从而优化碳化养护技术,并利用碳化养护提高透水混凝土的适用性,为不同体系的碳化养护水泥基材料在多种环境条件下的广泛应用奠定理论基础。本文的主要研究内容和成果包括:1.基于水泥净浆的早期一维碳化,在碳化反应动力学和扩散方程的基础上建立了模拟水泥净浆早期碳化的数学模型,从而对水泥净浆中不同反应组分的浓度、孔隙率、饱和度、碳化程度和碳化深度等关键参数在早期碳化养护过程中的变化进行预测,并通过MIP、TGA的测试结果对模型的模拟结果进行了对比和验证。使用无量纲分析方法,探索了水泥净浆早期碳化中各组分的传输机制和反应机理,发现在碳化养护中,二氧化碳的扩散速度对整体碳化效率的影响逐渐减小;硅酸三钙和氢氧化钙在早期碳化反应中占主导地位,在各组分碳化反应对二氧化碳的竞争中更加优先。2.研究了不同预养护静置和碳化养护条件对水泥净浆抗压强度和微观组成结构的影响,发现碳化养护可以有效地提高水泥净浆早期抗压强度,随着龄期的延长,碳化养护对水泥净浆抗压强度的影响逐渐减小;当水泥净浆在预养护静置过程中,相对失水量为30%～40%时,碳化养护对强度的改善效果和固碳量最佳。TGA、MIP和EDS测试结果显示,碳化养护能够明显地改善水泥石孔结构,降低孔隙率,将部分毛细孔转化为无害的凝胶孔;在碳化过程中,水泥水化产物中的结合水含量会降低,且过度碳化会导致C-S-H凝胶结构劣化甚至逐渐分解。3.探索了矿物组成对水泥净浆碳化养护效果的影响。研究发现:C3S在8 h碳化养护内,碳化反应速度较快,但后续碳化程度的增长趋于平缓;当碳化养护时长超过24 h后,β-C2S和γ-C2S的抗压强度逐渐达到与C3S相近的水平,碳化程度则大幅超过了C3S。碳化养护低热硅酸盐水泥净浆的3 d抗压强度可以达到与通用硅酸盐水泥相近的水平,同时7 d和28 d抗压强度也有一定提高;相对于通用硅酸盐水泥,低热硅酸盐水泥达到最高抗压强度所需的碳化时间更长。在碳化反应中,C3S碳化生成的碳酸钙晶体相主要为方解石,而β-C2S和γ-C2S碳化则会生成方解石和霰石,同时还伴随有少量球霰石。随着碳化时间的不断延长,球霰石晶体会逐渐转化为其他晶体相。4.通过试验测定了碳化养护对水泥石抗溶蚀性能的影响,结果显示:碳化养护可以提高水泥石表面的密实度,同时将易溶解的氢氧化钙转化为稳定的碳酸钙,从而有效地减少水泥石在溶蚀过程中的质量损失和强度损失;通过模拟孔溶液法,试验测定了碳化养护水泥净浆在6 M硝酸铵溶液中溶蚀的钙元素固液平衡曲线,发现碳化养护会提高C-S-H的溶解度,因此碳化程度过高会为水泥石在溶蚀条件下的长期性能带来一定隐患。根据试验测得的碳化养护水泥净浆钙元素固液平衡关系,结合水泥石碳化区内孔隙结构的变化,对已有的水泥基材料溶蚀PNP数学模型做出了修正,使其适用于碳化养护水泥基材料的溶蚀,并通过EDS测试对修正前后模型的模拟结果进行了对比和试验验证。5.研究了碳化养护透水混凝土的强度和冻融-溶蚀耦合条件下性能的演变规律,结果表明:适宜的碳化养护能够明显提高透水混凝土的早期抗压强度,相比于普通混凝土,透水混凝土碳化内部的水泥石碳化程度更高,内外碳化更加均匀,但对碳化时长较为敏感,过度碳化造成的负面影响更大。碳化养护还可以提高透水混凝土的抗冻融和抗溶蚀性能,并减小水泥石孔结构在冻融和溶蚀破坏中的劣化。此外,碳化养护还能够改善透水混凝土中水泥石-骨料界面过渡区的粘结性能,使界面过渡区内的水泥石更加密实。