CO2养护椰壳炭再生混凝土的力学性能和固碳能力

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0724

摘要/Abstract

摘要：

为应对建筑垃圾回收与混凝土行业碳封存的双重挑战，本研究采用CO₂矿化再生粗骨料和椰壳炭作为天然骨料的可持续替代材料，系统研究了再生粗骨料（质量取代率0%~100%）与椰壳炭（体积取代率0%~30%）对CO₂养护再生混凝土力学性能、固碳能力及微观结构的影响。结果表明，最优配合比（0%再生粗骨料+20%椰壳炭）混凝土的抗压强度达到42.1 MPa（较正常养护的对照组试件提升38.0%），劈裂抗拉强度达到3.86 MPa（提升23.7%）。这归因于椰壳炭的多级孔隙结构能调控水分促进二次水化反应，并加速CO₂扩散驱动CaCO₃致密化。通过热重分析、傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜等多尺度表征发现，当椰壳炭取代率为20%时，既能有效促进CaCO₃的多晶型转化，又能较好维持水化硅酸钙（C-S-H）的稳定性，使碳封存能力提升100%。本研究通过协同废弃物资源化与CO₂利用，为开发高性能低碳混凝土提供了有效方案，对可持续建筑实践具有重要价值。

关键词: 椰壳炭, 再生混凝土, CO₂养护, 力学性能, 矿化程度

Abstract:

To address the dual challenges of construction waste recycling and carbon sequestration in the concrete industry， this study employed CO₂-mineralized recycled coarse aggregates （RCA） and coconut shell biochar （CSB） as sustainable substitutes for natural aggregates. The effects of RCA （0% to 100% by mass replacement） and CSB （0% to 30% by volume replacement） on the mechanical properties， carbon sequestration capacity， and microstructure of CO₂-cured recycled aggregate concrete were systematically investigated. Results indicate that the concrete with optimal mixture （0% RCA + 20% CSB） achieves a compressive strength of 42.1 MPa （a 38.0% increase compared to the control group with normal curing） and a splitting tensile strength of 3.86 MPa （a 23.7% improvement）. This enhancement is attributed to the hierarchical pore structure of CSB， which regulates moisture to promote secondary hydration and facilitates CO₂ diffusion， thereby driving the densification of CaCO₃. Multiscale characterization via thermogravimetric analysis， Fourier transform infrared spectroscopy， and scanning electron microscopy reveals that a 20% CSB substitution rate not only promotes the polymorphic transformation of CaCO₃ but also maintains the stability of calcium silicate hydrate （C-S-H）， resulting in a 100% increase in carbon sequestration capacity. This study demonstrates a synergistic approach to waste valorization and CO₂ utilization， offering an effective strategy for developing high-performance， low-carbon concrete with significant implications for sustainable construction practices.

Key words: coconut shell biochar, recycled aggregate concrete, CO₂ curing, mechanical property, degree of mineralization

中图分类号:

TB332

黄振辉, 赵菲, 常钧, 李文政, 周智. CO₂养护椰壳炭再生混凝土的力学性能和固碳能力[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 156-164.

HUANG Zhenhui, ZHAO Fei, CHANG Jun, LI Wenzheng, ZHOU Zhi. Mechanical Properties and Carbon Sequestration Capacity of CO₂-Cured Recycled Aggregate Concrete Incorporating Coconut Shell Biochar[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(1): 156-164.

图/表 11

表1 混凝土试件配合比设计

Table 1 Concrete specimen mix ratio design

Sample No.	Mix ratio/（kg·m^-3）
Sample No.	Cement	NCA	RCA	Sand	CSB	Water
R0_CSB0	390	1 150	0	670	0	195
R50_CSB0	390	575	575	670	0	195
R75_CSB0	390	287	863	670	0	195
R100_CSB0	390	0	1 150	670	0	195
R0_CSB10	390	1 150	0	603	12	195
R50_CSB10	390	575	575	603	12	195
R75_CSB10	390	287	863	603	12	195
R100_CSB10	390	0	1 150	603	12	195
R0_CSB20	390	1 150	0	536	24	195
R50_CSB20	390	575	575	536	24	195
R75_CSB20	390	287	863	536	24	195
R100_CSB20	390	0	1 150	536	24	195
R0_CSB30	390	1 150	0	469	36	195
R50_CSB30	390	575	575	469	36	195
R75_CSB30	390	287	863	469	36	195
R100_CSB30	390	0	1 150	469	36	195

图1 不同RCA取代率下CSB-RAC的抗压强度

Fig.1 Compressive strength of CSB-RAC with different

图2 不同RCA取代率下CSB-RAC的劈裂抗拉强度

Fig.2 Splitting tensile strength of CSB-RAC with different RCA substitution rates RCA substitution rates

图3 矿化28 d后CSB-RAC的酚酞染色横截面

Fig.3 Phenolphthalein-stained cross-section of

图4 矿化28 d后CSB-RAC的矿化深度

Fig.4 Mineralization depth of CSB-RAC after 28 d mineralization CSB-RAC after 28 d mineralization

图5 矿化28 d后不同CSB取代率混凝土的TG-DTG曲线

Fig.5 TG-DTG curves of concrete with different CSB substitution rates after 28 d mineralization

图6 矿化28 d后不同CSB取代率混凝土的FT-IR谱

Fig.6 FT-IR spectra of concrete with different CSB substitution rates after 28 d mineralization

图7 矿化28 d后不同CSB取代率混凝土的SEM照片

Fig.7 SEM images of concrete with different CSB substitution rates after 28 d mineralization

表2 矿化28 d后CSB混凝土的固碳率

Table 2 Carbon sequestration efficiency of CSB concrete after 28 d mineralization

Sample No.	m₆₀₀/%	m₈₀₀/%	U/%
R0_CSB0	89.59	86.59	3.00
R0_CSB10	91.94	86.15	5.79
R0_CSB20	89.85	83.83	6.02
R0_CSB30	91.38	84.51	6.87

表3 混凝土原材料价格

Table 3 Prices of raw materials for concrete

Material	Cement	NCA	Sand	CSB	CO₂
Price/（yuan·t^-1）	520	117	185	1 000	-72

表4 CSB混凝土材料成本

Table 4 Material cost of CSB concrete

Sample No.	Price/（yuan·m^-3）
Sample No.	Cement	NCA	Sand	CSB	CO₂	Total
R0_CSB0	202.80	134.55	123.95	0	-0.84	460.46
R0_CSB10	202.80	134.55	111.55	12	-1.62	459.28
R0_CSB20	202.80	134.55	99.16	24	-1.69	458.82
R0_CSB30	202.80	134.55	86.76	36	-1.93	458.18

参考文献 32

[1]	蒋正武，高文斌，杨　巧，等. 低碳混凝土的技术理念与途径思考［J］. 建筑材料学报， 2023， 26（11）： 1143-1150.
	JIANG Z W， GAO W B， YANG Q， et al. Technical principles and approaches for low carbon concrete［J］. Journal of Building Materials， 2023， 26（11）： 1143-1150 （in Chinese）.
[2]	元　强，张胶玲，张苏辉，等. CO₂矿化再生骨料物理性能影响因素与机理［J］. 建筑材料学报， 2024， 27（10）： 895-903.
	YUAN Q， ZHANG J L， ZHANG S H， et al. Influencing factors of physical properties of CO₂ mineralized recycled aggregate and its mechanism［J］. Journal of Building Materials， 2024， 27（10）： 895-903 （in Chinese）.
[3]	ZHAN B J， XUAN D X， POON C S. Enhancement of recycled aggregate properties by accelerated CO₂ curing coupled with limewater soaking process［J］. Cement and Concrete Composites， 2018， 89： 230-237. DOI URL
[4]	WANG C Q， GUO J， WANG X Z， et al. Dynamic mechanical properties and damage constitutive model of high-toughness recycled aggregate concrete under high strain rate impact loads［J］. Journal of Building Engineering， 2025， 106： 112589. DOI URL
[5]	WU J Y， JING H W， GAO Y， et al. Effects of carbon nanotube dosage and aggregate size distribution on mechanical property and microstructure of cemented rockfill［J］. Cement and Concrete Composites， 2022， 127： 104408. DOI URL
[6]	DUNG N T， HAY R， LESIMPLE A， et al. Influence of CO₂ concentration on the performance of MgO cement mixes［J］. Cement and Concrete Composites， 2021， 115： 103826. DOI URL
[7]	SONG S Y， LIU Z X， LIU G M， et al. Application of biochar cement-based materials for carbon sequestration［J］. Construction and Building Materials， 2023， 405： 133373. DOI URL
[8]	陈铁锋，高小建. 生物炭对碳化养护水泥砂浆的改性机理［J］. 建筑材料学报， 2023， 26（8）： 831-837.
	CHEN T F， GAO X J. Modification mechanism of biochar on carbonation-cured cement mortar［J］. Journal of Building Materials， 2023， 26（8）： 831-837 （in Chinese）.
[9]	ROYCHAND R， LI J， KILMARTIN-LYNCH S， et al. Carbon sequestration from waste and carbon dioxide mineralisation in concrete： a stronger， sustainable and eco-friendly solution to support circular economy［J］. Construction and Building Materials， 2023， 379： 131221. DOI URL
[10]	YE P， GUO B L， QIN H Y， et al. Investigation of the properties and sustainability of modified biochar-doped cement-based composite［J］. Cement and Concrete Composites， 2024， 153： 105684. DOI URL
[11]	ROSA L， BECATTINI V， GABRIELLI P， et al. Carbon dioxide mineralization in recycled concrete aggregates can contribute immediately to carbon-neutrality［J］. Resources， Conservation and Recycling， 2022， 184： 106436.
[12]	李善武，樊展霖，刘剑辉，等. 温度和相对湿度对CO₂养护钢渣制品性能的影响［J］. 建筑材料学报， 2025， 28（1）： 33-41.
	LI S W， FAN Z L， LIU J H， et al. Effect of temperature and relative humidity on performance of CO₂ curing steel slag products［J］. Journal of Building Materials， 2025， 28（1）： 33-41 （in Chinese）.
[13]	邹庆焱，史才军，郑克仁，等. 预养护对砌块混凝土二氧化碳养护的影响［J］. 建筑材料学报， 2008， 11（1）： 116-120.
	ZOU Q Y， SHI C J， ZHENG K R， et al. Effect of pre-conditioning on CO₂ curing of block concretes［J］. Journal of Building Materials， 2008， 11（1）： 116-120 （in Chinese）.
[14]	应敬伟，蒙秋江，肖建庄. 再生骨料CO₂强化及其对混凝土抗压强度的影响［J］. 建筑材料学报， 2017， 20（2）： 277-282.
	YING J W， MENG Q J， XIAO J Z. Effect of CO₂-modified recycled aggregate on compressive strength of concrete［J］. Journal of Building Materials， 2017， 20（2）： 277-282 （in Chinese）.
[15]	ZHANG T， CUI J Z， CHEN M， et al. Durability of concrete containing carbonated recycled aggregates： a comprehensive review［J］. Cement and Concrete Composites， 2025， 156： 105865. DOI URL
[16]	BHAGAT T S， PANCHARATHI R K. Performance， microstructure and carbon sequestration potential of agro biochar based cement mortars［J］. Cement and Concrete Composites， 2025， 156： 105867. DOI URL
[17]	SHI X S， LYU S X， WANG Q Y， et al. Experimental study on the effect of carbonate ions on ITZs of geopolymeric recycled concrete［J］. Construction and Building Materials， 2024， 446： 137919. DOI URL
[18]	冷　勇，余　睿，范定强，等. 碳化再生粗骨料环保型超高性能混凝土的制备［J］. 建筑材料学报， 2022， 25（11）： 1185-1189+1218.
	LENG Y， YU R， FAN D Q， et al. Preparation of environmentally friendly UHPC containing carbonized recycled coarse aggregate［J］. Journal of Building Materials， 2022， 25（11）： 1185-1189+1218 （in Chinese）.
[19]	MEDINA C， ZHU W Z， HOWIND T， et al. Influence of mixed recycled aggregate on the physical-mechanical properties of recycled concrete［J］. Journal of Cleaner Production， 2014， 68： 216-225. DOI URL
[20]	ELGAALI H H， LOPEZ-ARIAS M， VELAY-LIZANCOS M. Accelerated CO₂ exposure treatment to enhance bio-receptivity properties of mortars with natural and recycled concrete aggregate［J］. Construction and Building Materials， 2024， 449： 138423. DOI URL
[21]	JIANG L B， WANG Z， XU H Z， et al. Nanoparticle stabilized carbon dioxide foam： improving hydration， carbonation and pore structure of foamed concrete［J］. Composites Part B： Engineering， 2025， 305： 112714.
[22]	SEO J H， PARK S M， LEE H K. Evolution of the binder gel in carbonation-cured Portland cement in an acidic medium［J］. Cement and Concrete Research， 2018， 109： 81-89. DOI URL
[23]	BERSISA A， MOON K Y， KIM G M， et al. Microstructural characterization of CO₂-cured calcium silicate cement［J］. Developments in the Built Environment， 2024， 19： 100518. DOI URL
[24]	LIU J， LIU G， ZHANG W Z， et al. Application potential analysis of biochar as a carbon capture material in cementitious composites： a review［J］. Construction and Building Materials， 2022， 350： 128715. DOI URL
[25]	REN Z S， WANG L， WANG H， et al. Carbonation behavior of solidified/stabilized cadmium in phosphogypsum slag-based cementitious materials［J］. Construction and Building Materials， 2024， 437： 136848. DOI URL
[26]	KALKREUTH J， ULLRICH A， GARBEV K， et al. Accelerated carbonation of hardened cement paste： quantification of calcium carbonate via ATR infrared spectroscopy［J］. Journal of the American Ceramic Society， 2024， 107（4）： 2627-2640. DOI URL
[27]	GUNN P F E， ONN C C， MO K H， et al. Enhancing carbon sequestration in cement mortar using high volume local rice husk biochar coupled with carbonation curing［J］. Case Studies in Construction Materials， 2024， 21： e03591.
[28]	王　丹. 钢渣碳酸化过程中碳酸钙生长与性能关系［D］. 大连：大连理工大学， 2020.
	WANG D. Relationship between calcium carbonate growth and properties during carbonation of steel slag［D］. Dalian： Dalian University of Technology， 2020 （in Chinese）.
[29]	TAN S L， LIU W， QING L B， et al. Evaluation on the ability of carbon capture， utilization and storage of cementitious pastes incorporated with CO₂-free and CO₂-saturated biochar［J］. Construction and Building Materials， 2025， 482： 141691. DOI URL
[30]	SHI X C， SHUI Z H. Effect of eggshell powder addition on the properties of cement pastes with early CO₂ curing and further water curing［J］. Construction and Building Materials， 2023， 404： 133231. DOI URL
[31]	ZHANG Y， MAIERDAN Y， GUO T B， et al. Biochar as carbon sequestration material combines with sewage sludge incineration ash to prepare lightweight concrete［J］. Construction and Building Materials， 2022， 343： 128116. DOI URL
[32]	CHEN T F， ZHAO L Y， GAO X J， et al. Modification of carbonation-cured cement mortar using biochar and its environmental evaluation［J］. Cement and Concrete Composites， 2022， 134： 104764. DOI URL

CO₂养护椰壳炭再生混凝土的力学性能和固碳能力

Mechanical Properties and Carbon Sequestration Capacity of CO₂-Cured Recycled Aggregate Concrete Incorporating Coconut Shell Biochar

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[1]	安仰壮, 俞海, 刘昌庚. 基于数字图像相关的玄武岩纤维泡沫混凝土压缩损伤研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 92-102.
[2]	刘仕琪, 周紫晨, 黄修林, 曾明, 张冰, 张剑峰, 沈春华. 燃煤渣对水泥力学和水化过程的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 165-176.
[3]	王文胜, 吕海龙, 马江涛, 刘琦, 聂晓东. 珊瑚混凝土基础力学性能及工程应用研究现状[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 1-20.
[4]	唐咸远, 任博文, 胡冰倩, 柳大成, 冯美杰. 超早强环保型钢渣微粉UHPC制备及形成机理[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 191-201.
[5]	梁新星, 张敬申, 王朝胜, 梁李归祖, 刘泽, 张通, 朱颖灿. 预养护对硅钙渣复合蒸压加气混凝土宏观性能与微观结构的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 40-46.
[6]	姜德民, 胡思雨, 康红龙, 李御锦, 候宇翔. 改性处理对3D打印稻草纤维水泥基复合材料性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 47-57.
[7]	张争奇, 刘祉鑫, 芮照诚, 石杰荣, 杨新红. 地聚物稳定建筑固废再生集料性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3347-3354.
[8]	王倩倩, 戴航, 王立川, 张春瑜, 李利平, 王海彦, 张京京. 高氯盐加速侵蚀下水泥-水玻璃双液浆结石体耐久性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3137-3146.
[9]	义启贵, 湛缕金, 刘祥, 许瑞天, 梁莹, 陈宗平. 碳酸氢钠溶液碳化:一种提高再生骨料混凝土性能的新方法[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3227-3237.
[10]	朱子龙, 陈培冲, 廖洁, 杨旋, 赵德强, 曲良辰, 王桂明, 沈卫国. 砂砾岩机制砂粒形对混凝土性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3168-3177.
[11]	刘佳钰, 高誉, 刘泽, 温帅云, 王栋民, 危鹏, 张春辉, 朱正江, 李清亚. 水泥固化飞灰-水泥复合胶凝材料的性能与微观结构研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3272-3279.
[12]	张小龙, 王伟, 姚爱军, 王朝晖, 冯希浩, 王杰. 低温低压养护条件下复合胶凝材料性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3295-3304.
[13]	叶纪盛, 马英, 李淯伟, 邰安, 王家豪. 早期CO₂养护对钢渣固废胶凝材料性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3326-3336.
[14]	余洁歆, 朱艺婷, 庄旭, 陈玉霜, 张广达, 许莉. 以尾矿砂为骨料的绿色工程水泥基复合材料力学性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3337-3346.
[15]	黄友奇, 史刘彤, 高玉波, 周林. 蓝宝石单晶的动态力学性能及本构关系研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3391-3401.