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二氧化碳(CO2)养护水泥基材料是指利用CO2与水泥熟料矿物之间发生化学反应生成具有胶凝作用的反应产物。它与通常所说的碳化完全不同，碳化通常是指硬化水泥基材料中的水化产物与CO2发生的反应。利用CO2养护水泥混凝土制品，不仅可得到性能更好的产品、避免了蒸养所需的能耗、降低生产成本，同时可有效利用排放的CO2，将CO2回收和利用这个全球性课题与混凝土材料科学有机结合，对水泥混凝土行业的可持续发展及缓解温室效应具有重要意义。本文以利用CO2制备高性能建筑材料为目的，主要针对CO2水泥基材料及其后续水化微观结构变化进行了系统的研究：
本文首先研究不同CO2浓度养护水泥基材料性能及微观结构，发现水泥基材料碳化深度和碳化反应程度均随CO2浓度的提高而增大，但当CO2浓度超过20%时，继续增加CO2浓度增强效果不明显。碳化深度与碳化时间的平方根成线性关系，但CO2浓度的增加降低了二者间的线性相关系数。CO2浓度的改变对碳化产物CaCO3晶型影响较小，均有方解石、文石和球霰石生成，但方解石为最主要的晶型。增加CO2浓度提高了CaCO3生成量、晶体完整程度以及平均弹性模量值，方解石呈棱柱状或立方状，球霰石呈球状聚合体，而文石则呈针状或杆状。碳化产物CaCO3中方解石晶型主要沿(1 0 4)晶面生长，文石则主要沿(0 2 1)晶面生长。CO2养护水泥基材料有高聚合度的硅胶生成，且TEM测试表明硅胶呈纳米颗粒凝胶体状态。CO2浓度的增加提高了硅胶的聚合程度和平均弹性模量值。
研究了温度对CO2养护水泥基材料性能及微观结构的影响。提高温度加速了水泥基材料的碳化反应，提高了CaCO3含量。不同温度CO2养护条件下方解石仍是主要的CaCO3晶型，但低温有利于球霰石的生成，而高温则更趋向于文石的生成。升高温度有利于方解石晶体尺寸的增长，但超过20℃时，继续增加温度方解石晶体尺寸和形貌影响不大，但对文石的形貌影响显著。提高温度文石晶体形貌由针状向杆状转变。CaCO3和硅胶的平均弹性模量值随CO2养护温度的提高而增大。并计算了CO2养护水泥基材料的反应活化能，证实了CO2养护水泥基材料可以在室温下发生瞬时反应。
探究了不同CO2浓度养护后水泥基材料在后续水养护过程中性能及微观结构的变化。与水养试样相比，CO2养护水泥基材料早期抗压强度发展快，且CO2养护并未阻碍水泥基材料的后续水化反应，反而提高了水泥基材料的后续水化进程。20%CO2浓度比3%CO2浓度养护的水泥基材料具有更高的早期和后期抗压强度。早期CO2养护得到的碳化产物CaCO3具有填充效应、晶核效应和化学活性效应。20%CO2养护的水泥基材料在后续水养护过程中CaCO3与铝相反应比例较3%CO2养护条件下高，但整体反应比例较低。而碳化产物硅胶则与水化产物Ca(OH)2反应生成二次C-S-H凝胶，从而促进水泥基材料的后续水化过程，改善水泥基材料性能，并阐述了CO2养护水泥基材料及后续水化作用机理。
研究了低温CO2养护水泥基材料在低温后续水养护过程中性能及微观结构的变化。与低温水养水泥试件相比，低温CO2养护的水泥基材料早期强度发展快，且早期抗压强度随CO2养护时间的延长而增大。低温CO2养护水泥基材料并未阻碍其后续水化反应过程。低温CO2养护的水泥基材料具有较高的后期抗压强度，且CO2养护时间越长，后期水泥基材料抗压强度也越高。早期CO2养护形成的碳化产物CaCO3发挥了填充效应、晶核效应和化学活性效应。CaCO3与铝相反应比例较低，但随着初始CO2养护时间的延长而增大。碳化产物硅胶则与水化产物Ca(OH)2反应生成二次C-S-H凝胶。但低温CO2养护速率及后续水化速率均较常温CO2养护及后续水化过程低。
最后系统研究了CO2强化处理再生微粉转化为高性能辅助胶凝材料对水泥基材料性能及微观结构的影响。与未经CO2处理的再生微粉相比，CO2强化处理后的再生微粉主要产物是方解石和硅胶。与未碳化再生微粉相比，碳化再生微粉可掺入水泥基材料，改善工作性能、吸水率和干燥收缩，提高抗压强度，但对抗碳化性能不利。未碳化再生微粉的掺入对水泥基材料的水化产物没有影响，而碳化再生微粉的掺入因碳化产物CaCO3的化学活性效应则生成了碳铝酸钙等新的水化产物，且抑制了钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙的转化过程。掺加未碳化再生微粉提高了水泥基材料的孔隙结构，而掺加低于20%的碳化再生微粉则改善了水泥基材料的孔隙率，提高了其致密程度，从而改善了水泥基材料的性能及微观结构。
本文首先研究不同CO2浓度养护水泥基材料性能及微观结构，发现水泥基材料碳化深度和碳化反应程度均随CO2浓度的提高而增大，但当CO2浓度超过20%时，继续增加CO2浓度增强效果不明显。碳化深度与碳化时间的平方根成线性关系，但CO2浓度的增加降低了二者间的线性相关系数。CO2浓度的改变对碳化产物CaCO3晶型影响较小，均有方解石、文石和球霰石生成，但方解石为最主要的晶型。增加CO2浓度提高了CaCO3生成量、晶体完整程度以及平均弹性模量值，方解石呈棱柱状或立方状，球霰石呈球状聚合体，而文石则呈针状或杆状。碳化产物CaCO3中方解石晶型主要沿(1 0 4)晶面生长，文石则主要沿(0 2 1)晶面生长。CO2养护水泥基材料有高聚合度的硅胶生成，且TEM测试表明硅胶呈纳米颗粒凝胶体状态。CO2浓度的增加提高了硅胶的聚合程度和平均弹性模量值。
研究了温度对CO2养护水泥基材料性能及微观结构的影响。提高温度加速了水泥基材料的碳化反应，提高了CaCO3含量。不同温度CO2养护条件下方解石仍是主要的CaCO3晶型，但低温有利于球霰石的生成，而高温则更趋向于文石的生成。升高温度有利于方解石晶体尺寸的增长，但超过20℃时，继续增加温度方解石晶体尺寸和形貌影响不大，但对文石的形貌影响显著。提高温度文石晶体形貌由针状向杆状转变。CaCO3和硅胶的平均弹性模量值随CO2养护温度的提高而增大。并计算了CO2养护水泥基材料的反应活化能，证实了CO2养护水泥基材料可以在室温下发生瞬时反应。
探究了不同CO2浓度养护后水泥基材料在后续水养护过程中性能及微观结构的变化。与水养试样相比，CO2养护水泥基材料早期抗压强度发展快，且CO2养护并未阻碍水泥基材料的后续水化反应，反而提高了水泥基材料的后续水化进程。20%CO2浓度比3%CO2浓度养护的水泥基材料具有更高的早期和后期抗压强度。早期CO2养护得到的碳化产物CaCO3具有填充效应、晶核效应和化学活性效应。20%CO2养护的水泥基材料在后续水养护过程中CaCO3与铝相反应比例较3%CO2养护条件下高，但整体反应比例较低。而碳化产物硅胶则与水化产物Ca(OH)2反应生成二次C-S-H凝胶，从而促进水泥基材料的后续水化过程，改善水泥基材料性能，并阐述了CO2养护水泥基材料及后续水化作用机理。
研究了低温CO2养护水泥基材料在低温后续水养护过程中性能及微观结构的变化。与低温水养水泥试件相比，低温CO2养护的水泥基材料早期强度发展快，且早期抗压强度随CO2养护时间的延长而增大。低温CO2养护水泥基材料并未阻碍其后续水化反应过程。低温CO2养护的水泥基材料具有较高的后期抗压强度，且CO2养护时间越长，后期水泥基材料抗压强度也越高。早期CO2养护形成的碳化产物CaCO3发挥了填充效应、晶核效应和化学活性效应。CaCO3与铝相反应比例较低，但随着初始CO2养护时间的延长而增大。碳化产物硅胶则与水化产物Ca(OH)2反应生成二次C-S-H凝胶。但低温CO2养护速率及后续水化速率均较常温CO2养护及后续水化过程低。
最后系统研究了CO2强化处理再生微粉转化为高性能辅助胶凝材料对水泥基材料性能及微观结构的影响。与未经CO2处理的再生微粉相比，CO2强化处理后的再生微粉主要产物是方解石和硅胶。与未碳化再生微粉相比，碳化再生微粉可掺入水泥基材料，改善工作性能、吸水率和干燥收缩，提高抗压强度，但对抗碳化性能不利。未碳化再生微粉的掺入对水泥基材料的水化产物没有影响，而碳化再生微粉的掺入因碳化产物CaCO3的化学活性效应则生成了碳铝酸钙等新的水化产物，且抑制了钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙的转化过程。掺加未碳化再生微粉提高了水泥基材料的孔隙结构，而掺加低于20%的碳化再生微粉则改善了水泥基材料的孔隙率，提高了其致密程度，从而改善了水泥基材料的性能及微观结构。