Sequestrational carbonation of recycled aggregate – the path to circularity and improved concrete quality

openaccess, Vol. 633 (5) 2025 / czwartek, 22 maja, 2025

Karbonatyzacja sekwestracyjna kruszywa z recyklingu – droga do cyrkularności i lepszej jakości betonu

(Open Access)

DOI: 10.15199/33.2025.05.03

citation/cytuj: Zawal D. Sequestrational carbonation of recycled aggregate – the path to circularity and improved concrete quality. Materiały Budowlane. 2025. Volume 633. Issue 05. Pages 16-25. DOI: 10.15199/33.2025.05.03

For about a decade, the carbonation of concrete has been viewed as a way to enable the sequestration of carbon dioxide, previously emitted in cement production processes. CO2 sequestration can be intensified by subjecting recycled aggregate to carbonation. The use of such aggregate in the realization of warm foundation slabs, which are a solution in passive and zero‑energy houses, contributes not only to one of the principles of sustainable construction, which is the circularity of building materials, but also to the improvement of the properties of concrete, such as obtaining greater strength comparing to the use of aggregate not subjected to carbonation. The study shows that the strength increased by an average of about 16% and was comparable to that of concrete with natural aggregate. At the same time, the concrete’s water absorption decreased (13 to as much as 30%) as well as the degree of strength loss in the frost resistance test.

Od prawie dekady karbonatyzację betonu postrzega się jako sposób umożliwiający sekwestrację dwutlenku węgla, wyemitowanego wcześniej w procesach produkcji cementu. Sekwestrację CO2 można zintensyfikować, poddając karbonatyzacji kruszywo z recyklingu. Zastosowanie takiego kruszywa w realizacji ciepłych płyt fundamentowych, stanowiących rozwiązanie w domach pasywnych i zeroenergetycznych, przyczynia się nie tylko do realizacji jednego z założeń budownictwa zrównoważonego, jakim jest cyrkularność materiałów budowlanych, ale również do poprawy właściwości betonu, m.in. uzyskania większej wytrzymałości niż w przypadku zastosowania kruszywa niepoddanego karbonatyzacji. Z przeprowadzonych badań wynika, że wytrzymałość zwiększyła się średnio ok. 16% i była porównywalna z wytrzymałością betonu z kruszywem naturalnym. Jednocześnie zmniejszeniu uległa nasiąkliwość betonu (13 do nawet 30%) oraz stopień utraty wytrzymałości w badaniu mrozoodporności.
sustainable construction; insulated foundation slab; recycled aggregate concrete; concrete carbonation.

budownictwo zrównoważone; ciepła płyta fundamentowa; beton recyklingowy; karbonatyzacja betonu.
  1. Average carbon dioxide (CO₂) levels in the atmosphere worldwide from 1959 to 2024. Statista.com.
  2.  https://ourworldindata.org/emissions‑by‑sector.
  3. PN‑EN 15978:2012 Zrównoważone obiekty budowlane.
  4. Dusiło M. Transformacja energetyczna w Polsce. Edycja 2024. www. forum‑energii. eu.
  5.  UNEP, United Nations Environment Programme. Sustainable building and construction: Facts and figures. Industry and Environment. 2003; p. 5).
  6. Berardi U. Clarifying the new interpretations of the concept of sustainable building. Sustain Cities Soc. 2013; 8, 72‒78.
  7.  Grodecki M. Load capacity of the mixed bench and slab foundation. Numerical simulations and analytical calculation model. Stud Geotech Mech. 2021; 43 (2), 135‒141.
  8.  Godlewski T, Mazur Ł, Szlachetka O, Witowski M, Łukasik S, Koda E. Design of passive building foundations in the Polish climatic conditions. Energies, 2021; 14 (23), 7855.
  9. Küpfer C, Bastien‑Masse M, Fivet C. Reuse of concrete components in new construction projects: Critical review of 77 circular precedents. J Clean Prod. 2023; 383:135235.
  10.  Silva S, Evangelista L, De Brito J. Durability and shrinkage performance of concrete made with coarse multi‑recycled concrete aggregates. Constr Build Mater, 2021; 272, 121645.
  11.  Banjad Pečur I, Štirmer N, Milovanović B. Recycled aggregate concrete for nearly zero‑energy buildings. Mag Concr Res. 2015; 67 (11), 575‒584.
  12.  Silva LS, Najjar MK, Stolz CM, Haddad AN, Amario M, Boer DT. Multiple dimensions of energy efficiency of recycled concrete: a systematic review. Energies. 2024; 17 (15), 3809.
  13.  lowcarboneconomy.cembureau.eu/carbon‑neutrality/ our‑2050‑roadmap‑the‑5c‑approach‑carbonation/.
  14.  Zhan BJ, Poon CS, Liu Q, Kou SC, Shi CJ. Experimental study on CO2 curing for enhancement of recycled aggregate properties. Constr Build Mater. 2014; 67, pp. 3‒7.
  15.  Ramachandran (1988) za Kurdowski W. Chemia cementu i betonu. Wydawnictwo Polski Cement/Wydawnictwo Naukowe PWN. Kraków; 2010.
  16.  Matschei T, Lothenbach B, Glasser FP. The role of calcium carbonate in cement hydration. Cem Concr Res. 2007; 37 (4), 551‒558.
  17.  Haselbach LM, Ma S. Potential for carbon adsorption on concrete: Surface XPS analyses. Environmental Science & technology, 2008; 42 (14), 5329‒5334
  18.  Bruno M, Massaro FR, Prencipe M. Theoretical structure and surface energy of the reconstructed {01.2} form of calcite (CaCO3) crystal. Surf Sci. 2008; 602 (16), 2774‒2782.
  19. Malešev M, Radonjanin V, Marinković S. Recycled concrete as aggregate for structural concrete production. Sustainability 2010; 2 (5), 1204‒1225.
  20. PN‑EN 1097‒6:2002. Badania mechanicznych i fizycznych właściwości kruszyw – Oznaczanie gęstości ziarn i nasiąkliwości.
  21.  Singh PK, Rajhans P, Influence of treated recycled concrete aggregate and modified mixing approach on the mechanical properties of ternary blend geopolymer concrete: Experiments and machine learning algorithms. J Clean Prod. 2024; DOI: 10.1016/J.JCLEPRO.2024.141007.
  22.  Mandal R, Panda SK, and Nayak S. Evaluation of rheological properties of sustainable self‑compacting recycled aggregate concrete produced by two‑stage mixing approach. J Build Eng. 2024; DOI: 10.1016/J.JOBE.2024.109126.
  23.  Salas‑Montoya A, Chung CW, and Mira‑Rada BE.Interaction effect of recycled aggregate type, moisture state, and mixing process on the properties of high‑performance concretes. Case Stud Constr Mater. 2023; DOI: 10.1016/J. CSCM.2023.E02208.
  24.  Tam VWY, Gao XF, Tam CM. Microstructural analysis of recycled aggregate concrete produced from two‑stage mixing approach. Cem Concr Res. 2005; DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.10.025
  25.  Li W, Xiao J, Sun Z, Kawashima S, and Shah SP. Interfacial transition zones in recycled aggregate concrete with different mixing approaches. Constr Build Mater. 2012; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.06.022.
  26.  Gholizadeh‑Vayghan A, Bellinkx A, Snellings R, Vandoren B, Quaghebeur M. The effects of carbonation conditions on the physical and microstructural properties of recycled concrete coarse aggregates. Constr Build Mater. 2020; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119486.
  27.  Xuan DX, BJ Zhan, Poon CS. Assessment of mechanical properties of concrete incorporating carbonated recycled concrete aggregates. Cem Concr Compos. 2016; 65, pp. 67‒74
  28.  Qu D, Lian W, Fang X. Characterization of the interfacial transition zone between wet carbonated fine recycled aggregate and fresh cement paste. Constr Build Mater. 2025; 458, 139702.
  29.  Huang Y, Zhang J, Hu X, Wang Y, Drissi S, Shi C. Effect of early CO2 curing and subsequent water curing on the interfacial transition zone between cement paste and aggregates. Constr Build Mater. 2025; 460, 139857.
  30.  Kou SC, Zhan BJ, Poon CS. Use of a CO2 curing step to improve the properties of concrete prepared with recycled aggregates. Cem Concr Compos. 2014; 45, pp. 22‒28
  31.  Zhang J, Shi C., Li Y, Pan X, Poon CS, Xie Z. Performance enhancement of recycled concrete aggregates through carbonation. J. Mater. Civ. Eng. 2015; 27 (11), p. 04015029
  32. Zhang T, Chen M, Wang Y, Zhang M. Roles of carbonated recycled fines and aggregates in hydration, microstructure and mechanical properties of concrete: A critical review. Cem Concr Compos. 2023; 138, 104994.
  33.  Zhang T, Cui J, Chen M, Yang J, Yan Z, Zhang M. Durability of concrete containing carbonated recycled aggregates: A comprehensive review. Cem Concr Compos. 2024; 105865.
  34.  Monkman S., Shao Y. Integration of carbon sequestration into curing process of precast concrete. Can J Civ Eng. 2010; 37 (2), 302‒310.
dr inż. Daniel Zawal, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych
ORCID: 0000-0002-9682-9176

dr inż. Daniel Zawal, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych
ORCID: 0000-0002-9682-9176

Correspondence address: daniel.zawal@amu.edu.pl

Full paper:

DOI: 10.15199/33.2025.05.03

Article in PDF file

Received: 20.01.2025 / Artykuł wpłynął do redakcji: 20.01.2025 r.
Revised: 10.03.2025 / Otrzymano poprawiony po recenzjach: 10.03.2025 r.
Published: 22.05.2025 / Opublikowano: 22.05.2025 r.