引言

泡沫混凝土是一种通过物理或化学方式在水泥浆中引入大量微小气泡而成的轻质多孔建筑材料，具有质轻、保温、隔热、防火等优良特性，在建筑工程、道路填筑、地基处理等领域得到广泛应用。然而，作为一种多孔材料，泡沫混凝土的耐久性问题一直是制约其大规模应用的关键因素，尤其是在冻融环境下的性能劣化问题备受关注。我国地域辽阔，南北纬度跨度大，从寒温带到热带分布着五个温度带，大部分地区年最低气温差异显著，混凝土结构普遍面临冻融破坏的风险。建筑结构长期暴露于年周期性的正负温交替环境中，反复经受冻融循环作用，导致混凝土表面剥落、截面减小、渗透性增加，最终显著缩短其使用寿命。与此同时，水泥工业作为CO₂排放大户，面临着巨大的碳减排压力。据统计，每生产1吨硅酸盐水泥约排放0.8-1.0吨CO₂。在此背景下，将CO₂资源化利用于建筑材料中，既实现碳封存又改善材料性能，成为绿色建筑材料研究的前沿方向。CO₂泡沫混凝土正是在这一理念下应运而生——采用CO₂替代传统空气制备泡沫，使CO₂参与水泥基材料的水化碳化反应，形成稳定的碳酸盐产物，从而实现碳的永久封存。CO₂泡沫混凝土不仅具有低碳排放的环保优势，其碳化反应生成的碳酸盐产物还能优化微观结构，提升力学性能和耐久性。研究表明，基于碱渣和矿渣的低碳泡沫混凝土（AG-FC）的CO₂排放量仅为传统泡沫混凝土的35%-40%，展现出显著的碳减排潜力。另有研究发现，采用废弃土和蛇纹石制备的CO₂泡沫混凝土在经历10次干湿和冻融循环后，碳化产物和CO₂封存能力基本不受影响，展现出良好的耐久性。本文旨在系统综述CO₂泡沫混凝土在冻融循环方面的研究进展，分析其抗冻机理、性能演化规律及工程应用前景，以期为该新型低碳材料在寒冷地区的推广应用提供理论参考。

1 CO₂泡沫混凝土概述

1.1 定义与制备原理

CO₂泡沫混凝土是指在泡沫混凝土制备过程中，采用CO₂气体部分或完全替代传统空气来制备泡沫，或将CO₂通入浆体中进行碳化养护，使CO₂与水泥基材料中的碱性组分发生碳化反应，生成稳定的碳酸盐产物，从而实现碳封存和性能优化的一种新型低碳泡沫混凝土。

CO₂泡沫混凝土的核心在于“自碳化机制”——材料无需经过加速碳化养护，在常温条件下即可通过CO₂泡沫的引入实现充分的碳化反应。其制备过程主要包括：将胶凝材料（如普通硅酸盐水泥、氧化镁、矿渣等）、水、外加剂混合制成浆体；通过发泡装置将CO₂制成稳定泡沫；将泡沫与浆体均匀混合；浇筑成型并养护。

1.2 碳化反应机理与产物

CO₂泡沫混凝土中的碳化反应是其区别于传统泡沫混凝土的本质特征。以氧化镁基CO₂泡沫混凝土为例，其碳化反应机理可概括为：氧化镁首先水化生成氢氧化镁，氢氧化镁进一步与CO₂反应生成各种水合碳酸镁（HMCs），主要包括三水合碳酸镁（MgCO₃·3H₂O）、碱式碳酸镁（Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O）等。这些水合碳酸镁的形成是CO₂泡沫混凝土获得强度和提升耐久性的关键。

对于硅酸盐水泥体系，CO₂的引入会与水泥水化产物氢氧化钙以及未水化的硅酸钙反应，生成碳酸钙和水合硅酸钙凝胶。研究表明，基于碱渣和矿渣的低碳泡沫混凝土（AG-FC）中的主要碳化产物包括CaCO₃、C-S-H凝胶以及Friedel盐（Fs）等。这些碳化产物填充于孔隙之中，使基体更加密实，孔结构得到优化。

1.3 碳封存效益与环境意义

CO₂泡沫混凝土的环境效益体现在两个方面：一是减少了传统水泥的用量（可掺入大量工业废渣），从而降低生产过程中的碳排放；二是直接将CO₂永久封存于材料之中。

研究发现，基于碱渣和矿渣的低碳泡沫混凝土（AG-FC）的CO₂排放量仅为传统泡沫混凝土的35%-40%，展现出显著的碳减排潜力。另有研究采用废弃土和蛇纹石制备CO₂泡沫混凝土，不仅实现了固体废弃物的资源化利用，还通过碳化反应将CO₂转化为稳定的碳酸盐矿物。这种“以废治废”的理念，契合了循环经济和低碳发展的要求。

2 泡沫混凝土冻融损伤机理

2.1 冻融破坏的物理本质

泡沫混凝土的冻融破坏本质上是其内部孔结构在疲劳应力作用下的渐进式失效过程。当环境温度降低至混凝土孔隙内水的冰点以下时，物理状态的变化便引发内部的力学失衡。

冻融循环对泡沫混凝土造成损伤的根本驱动力源于孔隙水结冰时的体积膨胀。混凝土内部存在大量毛细孔隙，这些孔隙往往处于吸水饱和或半饱和状态。当温度降至冰点时，孔隙中的水开始结冰，体积膨胀约9%。这种瞬间的体积增大在封闭的孔隙空间中产生巨大的静水压力，对孔壁形成挤压。

2.2 损伤累积与性能劣化

每一次冻融循环不仅仅是应力的产生，更是损伤的不可逆叠加。随着循环次数的增加，这些独立的微裂缝逐渐相互连接、贯通，形成更复杂的裂缝网络，最终将原本致密的水泥石结构分割得支离破碎。

当内部微裂缝扩展到一定程度时，混凝土的宏观力学性能开始显著下降，表现为动弹性模量降低、质量损失、抗渗性能急剧下降以及整体承载力丧失。正是由于冻融循环的累积效应，胶凝材料与骨料之间的粘结逐渐退化，最终导致泡沫混凝土内部出现开裂、剥落和破碎。

2.3 孔结构的核心调控作用

泡沫混凝土的冻融破坏与其孔结构特征密切相关。描述孔结构的主要参数包括孔隙率、孔径分布、孔壁厚度以及孔的封闭性等。在泡沫混凝土中，孔隙主要由两部分构成：通过发泡引入的泡沫气孔（孔径通常在0.1mm~1mm级别）和水泥石内部的构造孔隙（包括凝胶孔、毛细孔和过渡孔）。

对于抗冻性而言，孔径分布比总孔隙率更为关键——无害的微小封闭孔能够缓解冻融应力，而有害的大孔和连通孔则为水分提供了充足的进入和储存空间，加剧冻融损伤。因此，优化孔结构是提升泡沫混凝土抗冻性的核心路径。

3 CO₂泡沫混凝土抗冻性能研究进展

3.1 碳化反应对孔结构的优化作用

CO₂泡沫混凝土通过碳化反应生成的碳酸盐产物能够填充水泥石孔隙，显著改善孔结构。研究发现，在常温条件下，碳封存泡沫混凝土因其固有的自碳化机制和致密水合碳酸镁（HMCs）的形成，可以获得较高的强度和刚度。这种孔结构优化体现在多个方面：

首先，碳化产物填充于毛细孔和过渡孔中，降低了总孔隙率。扫描电镜观察表明，碳化后的泡沫混凝土基体更加密实，孔隙壁厚度增加。其次，碳化反应能够细化孔径分布——大孔径孔隙减少，小孔径孔隙比例增加。这种优化的孔结构使冻融过程中产生的冰胀应力得到更有效的分散和缓解。

3.2 冻融循环下的宏观性能演化

关于CO₂泡沫混凝土抗冻性能的研究已取得初步成果。Zhang等研究了利用废弃土和蛇纹石制备的CO₂泡沫混凝土在干湿和冻融循环作用下的耐久性能。研究发现：

在质量变化方面，随着冻融循环次数的增加，CO₂泡沫混凝土试件的质量呈现逐渐增加的趋势。这可能是由于冻融过程中微裂缝的扩展导致吸水率增加所致。

在强度变化方面，经过10次冻融循环后，CO₂泡沫混凝土试件的强度下降了10%至70%，下降幅度与蛇纹石掺量密切相关。不同蛇纹石掺量的试件表现出不同的抗冻性能，表明原材料组成对CO₂泡沫混凝土的冻融耐久性具有显著影响。

值得注意的是，反复的冻融循环对CO₂泡沫混凝土的碳化产物和CO₂封存能力影响甚微。这意味着即使经过多次冻融损伤，材料中封存的CO₂仍以稳定碳酸盐矿物的形式存在，不会重新释放到大气中。这是CO₂泡沫混凝土区别于普通泡沫混凝土的重要环保优势。

Wang等研究了基于碱渣和矿渣的低碳泡沫混凝土（AG-FC）的耐久性能，发现其在冻融循环作用下的耐久性系数达0.798-0.87。研究指出，在冻融循环过程中，材料的劣化效应主要源于孔隙水压力和冻胀力，但AG-FC仍表现出优异的耐久性。

3.3 微观结构演变机制

从微观层面看，CO₂泡沫混凝土在冻融循环作用下的结构演变呈现以下特征：初始阶段，碳化反应生成的水合碳酸镁（HMCs）和碳酸钙等产物使基体保持密实；随着冻融循环的进行，冰胀应力导致界面过渡区出现微裂缝；循环次数增加后，微裂缝扩展并相互连接，但碳化产物的主体结构仍保持稳定。

扫描电镜观察显示，经历冻融循环后的CO₂泡沫混凝土中，致密的团聚体被破碎成松散碎片。这表明冻融损伤主要表现为物理结构的破坏，而非化学产物的分解。X射线衍射和热重分析结果进一步证实，冻融循环对CO₂泡沫混凝土的碳化产物类型和数量影响有限。

4 工程应用前景分析

4.1 寒区道路工程应用

CO₂泡沫混凝土凭借其轻质、保温、抗冻等特性，在寒冷地区的道路工程中具有广阔的应用前景。作为路基填料，泡沫混凝土可有效减轻路基自重，控制不均匀沉降；作为保温层，可缓解路基冻胀翻浆问题。

研究表明，CO₂泡沫混凝土在经历多次冻融循环后仍能保持较好的结构完整性和力学性能，满足工程实践要求。这意味着其适用于我国东北、西北、华北等季节性冻土地区的道路工程建设。结合其低碳环保优势，CO₂泡沫混凝土有望成为寒区绿色公路建设的新型材料选择。

4.2 建筑围护结构应用

在建筑围护结构中，外墙保温系统长期暴露于自然环境，经受年复一年的冻融循环作用。CO₂泡沫混凝土兼具保温隔热和抗冻耐久双重优势，可作为外墙保温材料或轻质填充墙材料。

与有机保温材料（如聚苯板、聚氨酯）相比，CO₂泡沫混凝土具有不燃、耐老化、与基层粘结良好等优点；与普通泡沫混凝土相比，其抗冻性能和低碳特性更为突出。因此，在严寒地区的外墙保温工程中，CO₂泡沫混凝土具有良好的替代潜力。

4.3 面临的挑战与解决路径

尽管CO₂泡沫混凝土在抗冻性方面展现出良好前景，但其工程应用仍面临若干挑战：

• 成本问题：CO₂的捕获、纯化和运输成本较高，增加了材料制备成本。解决路径包括：利用工业废CO₂（如电厂烟气）降低成本，或通过碳交易机制实现环境效益的经济转化。
• 标准化问题：目前CO₂泡沫混凝土缺乏统一的性能测试标准和工程应用规范。应加快相关标准制定，明确抗冻性等技术指标要求。
• 长期耐久性数据不足：现有研究多为短期室内加速试验（如10次冻融循环），缺乏现场长期暴露数据。应建立足尺构件现场试验点，积累长期性能数据，为工程应用提供可靠依据。
• 配合比优化设计：不同原材料体系（如蛇纹石掺量）对CO₂泡沫混凝土的抗冻性能有显著影响，需针对具体工程条件开展系统试验研究，建立“材料组成-孔结构-抗冻性能”的定量关系模型。

5结论与展望

5.1主要结论

CO₂泡沫混凝土通过碳化反应形成稳定的碳酸盐产物，在实现碳封存的同时优化孔结构。氧化镁基CO₂泡沫混凝土中形成的水合碳酸镁（HMCs）以及碱渣-矿渣基体系中的CaCO₃、C-S-H凝胶和Friedel盐等产物，能够填充孔隙，提升基体密实度，为改善抗冻性能奠定微观基础。

CO₂泡沫混凝土在冻融循环作用下表现出良好的耐久性能。基于碱渣和矿渣的低碳泡沫混凝土（AG-FC）的耐久性系数可达0.798-0.87。采用废弃土和蛇纹石制备的CO₂泡沫混凝土经过10次冻融循环后，碳化产物和CO₂封存能力基本不受影响，展现出优异的耐久性。

CO₂泡沫混凝土兼具低碳环保和抗冻耐久双重优势。AG-FC的CO₂排放量仅为传统泡沫混凝土的35%-40%，碳减排效果显著。同时，其在冻融循环作用下表现出的抗冻性能满足工程实践要求，在寒区道路工程和建筑围护结构中具有广阔的应用前景。

5.2未来研究方向

多因素耦合作用研究：开展冻融与盐侵蚀、干湿循环、荷载等因素耦合作用下的长期耐久性研究，揭示复杂环境下CO₂泡沫混凝土的损伤机理与演化规律。已有研究表明，干湿循环和冻融循环对CO₂泡沫混凝土的影响机制有所不同，多因素耦合作用值得深入探索。

寿命预测模型构建：基于损伤力学和数值模拟方法，建立CO₂泡沫混凝土在冻融环境下的服役寿命预测模型，为工程设计提供科学依据。

原材料体系拓展：探索更多工业废渣（如钢渣、粉煤灰、锂渣等）在CO₂泡沫混凝土中的应用，进一步提升固废利用率和碳封存潜力。

工程现场验证：开展足尺构件现场暴露试验，获取长期性能数据，验证室内研究成果的工程适用性。

标准规范制定：加快CO₂泡沫混凝土相关技术标准的制定，明确抗冻性能指标和测试方法，推动其在工程中的规范化应用。

参考文献：

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3. [3] Shah S N. Lightweight foamed concrete as a promising avenue for incorporating waste materials: a review[J]. Resources, conservation and recycling,2021,164.
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