一种测试二氧化碳在多孔水泥基材料中扩散及固定的方法

本发明涉及水泥基材料性能测试，特别涉及一种测试二氧化碳在多孔水泥基材料中扩散及固定的方法。

背景技术：

1、水泥基材料是目前工程建设中用量最大的基础材料之一，其生产、使用和服役过程与二氧化碳排放密切相关。随着“双碳”目标和低碳建材技术的发展，将co2固定于水泥基材料内部，利用碳化反应生成稳定的碳酸钙产物，已成为水泥行业碳减排和碳封存研究的重要方向。多孔水泥基材料中co2的扩散与固定受孔隙率、孔径分布、孔连通性、水化产物含量、湿度及co2浓度等因素共同影响。生物炭、引气剂等多孔介质能够改变材料内部孔结构，一方面可能为co2传输提供通道，另一方面也可能通过吸附、填充和促进碳化产物形成等方式改变固碳效率。因此，需要建立一种能够同时评价co2扩散路径、扩散深度、固碳产物、孔隙结构及力学性能变化的系统测试方法。现有水泥基材料碳化试验多采用加速碳化箱进行全方位碳化养护，并通过酚酞显色法测量碳化深度。该类方法能够反映材料的抗碳化性能，但难以模拟实际工程中co2从材料外表面向内部单方向渗透的过程，也难以揭示多孔介质掺量、孔隙结构和caco3生成之间的定量关系。

2、另一种现有技术重点关注固碳混凝土或水泥基材料的总固碳量或整体co2吸收能力，通过测定co2浓度变化、试件质量变化等计算固碳量，但该类方法不能反映co2在材料内部沿深度方向的扩散路径和浓度梯度，通常未将试件按扩散方向进行分段测试，无法比较不同深度区域的固碳产物差异，且缺少与力学性能、孔隙结构等指标的协同分析，对多孔介质调控co2扩散及固定的机理揭示不足，难以用于指导多孔水泥基材料配合比优化。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种测试二氧化碳在多孔水泥基材料中扩散及固定的方法，以解决现有碳化测试中co2扩散方向不可控、测试指标单一以及缺乏量化预测模型的问题，揭示co2在多孔水泥基材料中的扩散规律和固定机理，为低碳水泥基材料配比优化提供依据。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种测试二氧化碳在多孔水泥基材料中扩散及固定的方法，包括以下步骤：

3、s1、制备多孔水泥基基准试件；

4、以硅酸盐水泥、水及多孔介质为原料，按设定配合比搅拌均匀后注入长条形模具，经振动排气、标准养护成型后脱模，得到长条形水泥基基准试件；

5、s2、构建单方向co2扩散体系；

6、采用密封材料包覆基准试件的外表面，仅保留一个端面作为co2唯一接触端面，使co2仅能沿基准试件长轴方向向内渗透；

7、s3、碳化养护；

8、将密封完成的基准试件放入碳化养护箱中，设定恒定的碳化温度、相对湿度及co2浓度，开展恒温恒湿恒浓度碳化养护，养护过程持续监测环境参数保证稳定；

9、s4、沿扩散方向分段切割；

10、碳化养护结束后，去除密封材料，沿co2扩散方向将基准试件等距切割为多个分段试件，形成不同扩散深度的测试样品；

11、s5、多维度协同测试；

12、对各分段试件分别开展碳化深度、力学性能、孔隙率、微观结构及固碳产物定量测试，获取不同扩散深度位置的各项性能数据；

13、s6、数据处理与量化模型建立；

14、整理测试数据，建立多孔介质掺量、孔隙率、固碳产物参数与co2扩散深度的量化关系模型，通过相关系数评价模型拟合精度；

15、s7、多因素影响机制研究；

16、分别改变多孔介质掺量、co2养护浓度、养护时间和多孔介质类型，重复步骤s1—s6，分析各因素对co2扩散速率、固碳产物生成、孔隙结构演化和力学性能的耦合影响。

17、上述方案中：步骤s1中，按照水灰比0.5、水泥固定用量440kg/m3设计配合比；多孔介质选用竹制生物炭和三萜皂苷类引气剂，竹制生物炭掺量为硅酸盐水泥质量的1%-5%，三萜皂苷类引气剂掺量为硅酸盐水泥质量的0.1%；标准养护条件为温度20±2℃，相对湿度不低于90%。上述多孔介质用于调控水泥基材料内部孔隙结构。

18、上述方案中：步骤s2中，所述密封材料选用密封膜、环氧树脂、石蜡、硅橡胶、铝箔胶带或多层复合密封材料中的任意一种，密封后需检查气密性，以防止co2从侧面渗入，保证co2沿基准试件长轴方向单向传输。

19、上述方案中：步骤s3中，所述碳化养护参数为：温度20±3℃，相对湿度70±5%，co2浓度5%-30%，养护时间3d-28d。co2浓度、温度、相对湿度和养护时间可根据实际研究需求调整。

20、上述方案中：所述基准试件尺寸为40×40×160mm，也可采用50×50×200mm、70.7×70.7×70.7mm拼接试件或其他长条形试件。只需保证沿扩散方向能够分段取样，并保持各分段尺寸和测试点位一致，即可实现扩散梯度分析。

21、上述方案中：步骤s4中，使用金刚石切割机沿基准试件长轴方向每隔40mm垂直切割，得到c1、c2、c3、c4四个40×40×40mm分段试件，其中c1靠近co2接触面，c4 距离co2接触面最远，测试不同分段试件即可实现扩散梯度分析。

22、上述方案中：步骤s5中，所述多维度协同测试具体为：

23、（a）碳化深度测试：将分段试件劈开后在新鲜断面喷洒1%酚酞酒精溶液，测量截面四角及中心共5个点位的碳化深度，取平均值作为该分段碳化深度；

24、（b）力学性能测试：采用万能试验机测试抗压强度与抗折强度，抗压强度加载速率0.8kn/s，抗折强度采用三点弯曲法，跨度100mm，加载速率10n/s；

25、（c）孔隙率测试：将分段样品105℃烘干24h，采用骨架密度分析仪测定真密度，结合体积密度计算孔隙率，每组重复测试取稳定平均值；

26、（d）微观结构与固碳产物测试：采用sem观察水化产物、碳化产物和孔隙填充形貌；采用tg-dtg分析ca(oh)2分解、caco3分解及其他水化产物变化；采用xrd测定caco3的物相组成和结晶度；通过c1-c4不同位置样品的对比，判断co2扩散深度与caco3生成位置之间的对应关系。

27、上述方案中：步骤s6中，所述量化模型为多元线性回归模型，模型表达式为d = -122.70177ρ + 12.47075c + 366.75092ω + 25.13154，其中d为截面碳化深度，ρ为孔隙率，c为碳酸钙结晶度，ω为生物炭掺量，通过多元回归决定系数r2评价模型拟合精度。除多元线性回归外，可采用响应面法、偏最小二乘回归、随机森林、支持向量回归或神经网络模型建立多因素预测模型，用于提升co2扩散深度和固碳效果的预测精度。

28、上述方案中：还包括实时监测系统，所述实时监测系统包括布置在co2接触端面或不同扩散深度位置的co2浓度传感器、湿度传感器或光纤传感器，用于实时记录co2渗透过程，并与分段测试结果相互校正。

29、本发明的有益效果是：

30、1、单方向扩散模拟更贴近工程实际。本发明通过单端面接触co2、其余面密封的方式，使co2传输路径具有明确方向性，能够更真实地模拟co2从水泥基材料外表面向内部渗透的过程。2、实现不同扩散深度位置的分区评价。本发明将试件沿扩散方向切割分段，可获得不同深度位置的碳化深度、孔隙率、caco3产物和力学性能数据，揭示co2扩散和固定的空间分布规律。3、测试指标全面，能够建立宏观性能与微观机理的联系。本发明将碳化深度、强度、孔隙结构、sem形貌、tg-dtg固碳产物含量和xrd结晶度纳入同一测试体系，可全面评价co2固定效果。4、适用于多孔介质改性水泥基材料。本发明可评价生物炭、引气剂及其他多孔介质对co2扩散与固定的影响，为低碳水泥基材料和碳封存材料的配合比优化提供依据。5、标准化程度高、重复性好，有利于提高实验结果的可比性和重现性。6、具有量化预测能力。本发明通过量化模型建立生物炭掺量、孔隙率、caco3结晶度与碳化深度之间的数学关系，可用于预测不同配比下co2扩散及固定效果，缩短材料研发周期。7、应用范围广。本发明不仅适用于水泥净浆或砂浆体系，也可根据需要扩展至混凝土、再生骨料混凝土、固废基胶凝材料、含可溶性纤维造孔材料等多孔水泥基体系。