Дилемма улавливания углерода и коррозии в бетоне: сведения из исследований раннего возраста растворной смеси на основе CSA–ПЦ

Почему «запереть» углерод в бетоне не так просто

Бетон — один из крупнейших в мире источников углекислого газа, но со временем он также способен вновь поглощать CO2. Новая идея состоит в том, чтобы преднамеренно вводить дополнительный CO2 в свежий бетон, чтобы «запечатать» его и даже повысить прочность материала. В этом исследовании поставлен важный практический вопрос: если на раннем этапе агрессивно насыщать популярную низкоуглеродную цементную смесь CO2, получим ли мы реальное улучшение долговечности — или тайно сделаем арматуру внутри более склонной к ржавлению?

Бетон как скрытая губка для углерода

Современное общество ежегодно заливает около 30 миллиардов тонн бетона, и цементсодержащие материалы уже поглощают почти гига- тонну CO2 в год, медленно реагируя с воздухом. Инженеры сейчас экспериментируют с «принудительной карбонизацией», когда свежий или переработанный бетон подвергают воздействию концентрированного CO2 под давлением. На ранней стадии материал всё ещё достаточно пористый, поэтому газ легко проникает, ускоряя химические реакции, которые захватывают CO2 в виде твёрдых карбонатных минералов. Эти реакции также могут уплотнять поры и повышать раннюю прочность, что делает такой подход привлекательным для более экологичных и более прочных зданий и инфраструктуры.

Низкоуглеродная цементная смесь под микроскопом

Авторы сосредоточились на гибридном растворе, состоящем из 75% цемента кальций-сульфоалюминатного (CSA) и 25% обычного портландцемента. Производство CSA требует меньше энергии и выделяет меньше CO2, но внутри он создаёт менее щелочную (менее основную) среду по сравнению со стандартным цементом. Это важно, потому что стальные арматурные стержни в обычном бетоне обычно защищены очень щелочным раствором в порах, который поддерживает их поверхность в «пассивном» состоянии и устойчивой к коррозии. В работе тонкие цилиндры раствора, каждый с тонким стальным стержнем, подвергали либо никакой искусственной карбонизации, либо 4, 24 или 72 часам воздействия чистого CO2 под высоким давлением в возрасте всего одного дня. Затем все образцы выдерживали до 28 дней, после чего в течение 43 недель подвергали повторным циклам погружения в солёную воду и сушки, имитируя суровые хлоридные условия.

Наблюдение за утратой сталью защитного щита

В ходе экспозиции команда использовала электрохимические методы для отслеживания состояния стали — измеряя её потенциал в свободной цепи, сопротивление поляризации и плотность тока коррозии, которые в совокупности показывают, насколько активно металл растворяется. Они также периодически измеряли pH раствора. Даже до агрессивного солевого воздействия общий pH в этом растворе с высокой долей CSA был ниже обычного порога (около 11,5), необходимого для надёжной пассивной плёнки на стали. По мере проведения циклов намокания и сушки pH падал ещё сильнее, особенно в предварительно карбонизированных образцах. Ток коррозии в карбонизированных растворах быстро вырос до значений примерно в десять раз выше, чем в некарбонизированном эталоне, что соответствует «высокой» скорости коррозии. Иными словами, хотя все стержни были подвержены риску, ранняя принудительная карбонизация явно подвинула сталь в более серьёзный режим коррозионного поражения.

Ржавчина, которая распространяется и заполняет бетон

Чтобы увидеть, где и как развивался ущерб, исследователи использовали высокоразрешающую визуализацию и химический анализ. Рентгеновская компьютерная томография дала трёхмерные карты зон, заполненных ржавчиной вокруг стержней, тогда как растровая электронная микроскопия с обратным рассеянием и элементные карты показали, как продукты коррозии, богатые железом, мигрировали в окружающий раствор. В некарбонизированных образцах к стали прикреплялся лишь тонкий слой ржавчины, проникавший в раствор лишь на несколько десятков микрометров. Напротив, в карбонизированных образцах наблюдались гораздо более толстые и нерегулярные полосы ржавчины, с продуктами коррозии, проникающими примерно до 2 мм в матрицу и образующими агрегаты, средний объём которых примерно удвоился уже после всего 4 часов ранней обработки CO2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия подтвердила, что поверхность стали в карбонизированных образцах содержала больше оксидов и гидроксидов железа в высоких степенях окисления и больше связанной воды — признаки более толстой, более активной ржавой плёнки, склонной к дальнейшему разрушению.

Более плотный материал, который тем не менее корродирует быстрее

Парадоксально, но та же карбонизация, которая ускоряла коррозию, одновременно уплотняла микроструктуру раствора. Термальный анализ и измерения сорбции азота показали, что наружные зоны цилиндров образовали больше карбоната кальция и произошёл сдвиг от крупных пор к более тонким микро- и мезопорам, в то время как внутренние области рядом со стержнем были изменены как карбонизацией, так и внутренним ростом и внешней миграцией продуктов коррозии. В целом поровая сеть стала более плотной, что в принципе должно замедлять перемещение агрессивных ионов, таких как хлориды, и ограничивать степень распространения продуктов коррозии. В исследовании действительно было отмечено, что увеличение времени карбонизации с 4 до 72 часов не сильно увеличивало общий объём ржавчины, а в основном меняло её распределение — появлялось больше, но более мелких зон ржавления вместо нескольких крупных, поскольку уточнённая пористость мешала дальнейшему проникновению.

Что это значит для более экологичного бетона

Для неспециалиста ключевой вывод таков: вкачивание дополнительного CO2 в молодую железобетонную конструкцию — это палка о двух концах. Это действительно помогает запереть углерод и делает внутренние поры материала меньше и плотнее. Однако в низкощелочной системе, такой как смесь CSA–Портланд, ранняя глубинная карбонизация также лишает значительной части химической защиты, которая обычно предохраняет сталь от ржавления. В результате коррозия начинается чаще и ржавчина распространяется по бетону шире, даже если плотная микроструктура ограничивает глубину её проникновения. Авторы приходят к выводу, что хотя ранняя принудительная карбонизация имеет явные экологические и механические преимущества, она может серьёзно подорвать долговечность армированных элементов, если химия и конструктивные решения не будут тщательно контролироваться.

Цитирование: Qiang, Z., Yan, L., Yue, Q. et al. The carbon sinking-corrosion dilemma in concrete: insights from early-age CSA-PC mortar. npj Mater Degrad 10, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00737-4

Ключевые слова: карбонизация бетона, коррозия стали, цемент кальций-сульфоалюминатный, секвестрация CO2, долговечность железобетона