混凝土中碳封存与腐蚀的两难：来自早龄 CSA–波特兰水泥砂浆的见解

为何把碳“锁”进混凝土并不那么简单

混凝土是全球最大的二氧化碳排放源之一，但也能随着时间重新吸收 CO2。一种新思路是有意在新拌混凝土中强制注入额外的 CO2，将其“锁”住，甚至增强材料强度。本研究提出了一个关键的实际问题：如果我们在早龄阶段对一种常用的低碳水泥混合料施加强制碳化，是否真的能提高耐久性，还是会悄然增加内部钢筋生锈的风险？

混凝土作为隐形的碳海绵

现代社会每年大约浇筑 300 亿吨混凝土，水泥基材料每年通过与空气缓慢反应已经吸收接近 10^9 吨的 CO2。工程师们正尝试“强化碳化”，即在压力或高浓度 CO2 下使新拌或再生混凝土暴露于 CO2。处于早期的材料孔隙仍然较多，气体容易渗透，从而加速将 CO2 固化为碳酸盐矿物的化学反应。这些反应还能致密化孔隙并提高早期强度，为更环保、更坚固的建筑与基础设施提供了有吸引力的途径。

显微镜下的低碳水泥配比

作者关注的是一种由 75% 铝酸钙硫酸盐（CSA）水泥与 25% 普通波特兰水泥混合形成的复合砂浆。CSA 的生产能耗和 CO2 排放较低，但其内部环境的碱性（碱度）也低于标准水泥。这一点重要，因为常规混凝土中钢筋通常由非常碱性的孔隙液保护，使其表面处于“钝化”状态，从而抗锈。在本研究中，细长砂浆圆柱体内嵌细钢筋，样品在龄期为 1 天时分别不做人工碳化或在高压纯 CO2 下处理 4、24 或 72 小时。之后，所有试件养护至 28 天，并在接下来的 43 周内反复进行盐水浸泡—干燥循环，以模拟氯离子侵蚀严重的恶劣环境。

观察钢筋保护层的丧失

在暴露期间，研究团队采用电化学方法跟踪钢筋状态——测量开路电位、极化电阻和腐蚀电流密度，这些指标共同显示金属的溶解活性。他们还定期测量砂浆的 pH。即使在严酷的盐害暴露之前，这种富 CSA 的砂浆的总体 pH 已低于通常认为能维持钢筋稳健钝化膜的阈值（约 11.5）。随着湿—干循环的进行，pH 进一步下降，预碳化样品下降得更明显。碳化砂浆的腐蚀电流迅速升高，约为未碳化对照的十倍，对应的为“高”腐蚀速率。换言之，尽管所有钢筋都处于风险中，但早龄强化碳化明显把钢筋推入了更严重的腐蚀状态。

蔓延并填充混凝土的锈蚀

为了解损伤如何发展，研究者采用高分辨率成像和化学分析。X 射线计算断层扫描提供了钢筋周围被锈蚀填充区域的三维图，而背散射电子显微镜与元素分布图揭示了富铁腐蚀产物如何向周围砂浆迁移。在未碳化样品中，仅有一层薄薄的铁锈附着在钢筋表面，侵入砂浆仅数十微米。相比之下，碳化砂浆表现出更厚且更不规则的锈带，腐蚀产物可渗入基体约 2 毫米，并形成团簇；在仅 4 小时的早期 CO2 处理后，这些团簇的平均体积就约增大了一倍。X 射线光电子能谱证实，碳化样品的钢筋表面含有更多高价铁氧化物和氢氧化物以及更多结合水——这些都是更厚、更活跃锈层并易受继续侵蚀的特征。

更致密的材料却更快腐蚀

具有悖论的是，相同的碳化既加速了腐蚀，又使砂浆的微观结构更致密。热分析和氮吸附测量显示，圆柱体外层生成了更多的碳酸钙，孔径从较大孔隙向更细的小孔和介孔转化，而靠近钢筋的内层则既受碳化影响，也受锈蚀向内生长与向外迁移的影响。总体上，孔隙网络变得更紧密，理论上应当减缓氯离子等侵害性离子的迁移并限制腐蚀产物的扩散。研究确实观察到，将碳化时间从 4 小时延长到 72 小时并未显著增加总锈蚀体积，而主要改变了锈蚀的分布——更多数量但更浅的锈区取代了少数大的锈区，因为细化的孔隙阻碍了进一步渗透。

对更环保混凝土的含义

对非专业读者来说，关键结论是：在早龄钢筋混凝土中注入额外 CO2 是把双刃剑。这样做确实有助于固存碳并使材料内部孔隙更小、更致密。然而，在像这种 CSA–波特兰混合体系中，深度早期碳化也剥蚀了通常保护钢筋免于生锈的大部分化学屏障。结果是更频繁的腐蚀起始和更多锈蚀向混凝土内部扩散，尽管致密的微观结构在一定程度上限制了锈蚀的穿透深度。作者认为，尽管早龄强化碳化在环境和力学方面具有明显优势，但如果不对化学成分与设计进行非常谨慎的控制，就可能严重损害钢筋构件的长期耐久性。

引用: 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

关键词: 混凝土碳化, 钢筋腐蚀, 铝酸钙硫酸盐水泥, CO2 固存, 钢筋混凝土耐久性