碳化對混凝土微觀結構的影響研究★

齊廣政 元成方 牛荻濤

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究院 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001； 3.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

CO2+H2O=H2CO3

Ca(OH)2+H2CO3=CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3=3CaCO3+2SiO2+6H2O

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碳化對混凝土微觀結構的影響研究★

齊廣政1元成方2牛荻濤3

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究院 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001； 3.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

對不同水膠比和摻加粉煤灰的混凝土進行快速碳化試驗，使用電鏡掃描、壓汞測試手段，對混凝土微觀形貌、孔結構、孔級配進行了分析，研究結果表明：水膠比是混凝土微觀結構的決定因素，低水膠比混凝土微觀結構更加致密；碳化雖然降低了混凝土孔隙率，但會使臨界孔徑和最可幾孔徑增大，孔隙連通性提高，使得外界環(huán)境中有害物質更容易進入混凝土內部，不利于混凝土耐久性。

碳化，混凝土，孔結構，電鏡掃描，壓汞

0 引言

混凝土是一種復雜多相的非均質體，微觀結構主要由礦物組分、孔隙結構、界面區(qū)結構和微觀組織形貌等方面組成。研究表明混凝土微觀結構決定了混凝土的強度、滲透性、抗凍融性等宏觀性能[2-7]。

鋼筋混凝土結構隨著服役期的增長，混凝土會逐漸發(fā)生碳化，失去對鋼筋的保護作用，從而影響結構抗力和耐久性[8.9]?；炷恋奶蓟且粋€復雜的物理化學過程，對混凝土的性能產生重大影響[10]。國內外學者對碳化后混凝土宏觀性能進行了系統(tǒng)研究，取得了諸多成果[11-13]，但是微觀層面上的研究較少。微觀結構決定宏觀性能，對碳化后混凝土微觀結構進行深入研究，可以從根本上揭示碳化和對混凝土宏觀性能產生影響的機理。本文使用電鏡掃描、壓汞等測試手段，分析不同水膠比和摻加粉煤灰的混凝土碳化前后微觀形貌、孔結構、孔級配的變化規(guī)律，為混凝土耐久性研究提供參考。

1 實驗

1.1 材料

水泥：陜西秦嶺水泥廠產P.O42.5R普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：渭河電廠產Ⅱ級粉煤灰；細骨料：灞河中砂，細度模數2.7；粗骨料：石灰?guī)r質錘破碎石，無針片狀顆粒，粒徑5 mm～20 mm，壓碎指標6%；添加劑：西安紅旗外加劑廠GJ-1高效減水劑；水：普通自來水。

共設計了4組配合比的混凝土，分別為：水膠比0.35，0.45，0.55的混凝土及1組粉煤灰替代量為20%的混凝土，配合比設計如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 實驗與測試

快速碳化實驗參照GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[14]進行。混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，在標準條件(T=20 ℃±3 ℃，RH≥90%)下養(yǎng)護至28 d齡期，然后移入碳化試驗箱中(RH=70%±5%，T=20 ℃±3 ℃，CCO2=20%±3%)進行快速碳化實驗，實驗設備為CCB-70W型混凝土碳化試驗箱，碳化齡期28 d。

混凝土達到28 d碳化齡期后，取樣進行電鏡掃描(SEM)測試和壓汞測試，試樣尺寸為5 mm～10 mm，實驗設備為JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡和PoreMaste GT60型壓汞儀。

2 結果與分析

2.1 [14]

圖1為未碳化混凝土的SEM照片。由圖1可見，增大水膠比后，蠕蟲狀C—S—H凝膠和Ca(OH)2晶體等水化產物減少，混凝土孔結構整體上變得疏松，孔數量多且孔徑尺寸大，孔徑可達8 μm。

圖2為碳化28 d混凝土的SEM照片，碳化使C—S—H凝膠和板狀Ca(OH)2消失，生成絮網狀或粒狀CaCO3。對于低水膠比混凝土，雖然碳化反應生成物CaCO3的體積較反應物膨脹17%，堵塞了部分孔隙，但反應過程中有H2O生成，揮發(fā)后留下細小孔洞，使得混凝土孔隙被細化。對于高水膠比混凝土，孔隙則被嚴重粗化，如圖2b)，2c)所示。粉煤灰混凝土的碳化產物膠結緊密，視域內無大孔隙，出現大量微孔均勻分布于視域中，這是因為粉煤灰的填充效應和二次水化，使孔的孔徑減小、分布均勻，以網格結構的形式使混凝土更加細密。

同時，從圖2看出，碳化后混凝土中出現了微裂縫，產生這種現象的原因是碳化產物CaCO3主要在孔隙等無應力區(qū)生長，卻以消耗應力區(qū)的水化產物為代價，且反應過程生成大量水分，這會引起水泥石收縮，當收縮受限時就會產生拉應力，產生裂紋。

2.2 混凝土孔隙結構

孔隙率、臨界孔徑、最可幾孔徑是表征孔結構最為關鍵的三個參數[15]，孔隙率即孔隙體積與試樣表觀體積之比，對混凝土耐久性和強度有重要影響；臨界孔徑反映了混凝土孔隙連通性和滲透路徑的曲折性；最可幾孔徑反映孔徑分布情況。表2為壓汞實驗數據，表中-C表示加速碳化。

表2 孔結構參數

由表2可以發(fā)現，碳化使混凝土孔隙率下降了18.8%～39.8%；N1組混凝土碳化后臨界孔徑和最可幾孔徑有所降低，其余各組均呈上升趨勢，特別是摻加了粉煤灰的S1組，臨界孔徑急劇增大為碳化前的7.33倍。

吳中偉院士對混凝土中不同尺寸孔隙進行了分類：無害孔、少害孔、有害孔、多害孔，本文依此對試樣孔徑級配進行整理得到試樣孔徑級配，見表3。

表3 試樣孔徑級配

對于0.35水膠比混凝土，碳化使得無害孔體積提高了，而多害孔體積降低了21.1%；當水膠比提高和摻加了粉煤灰之后，碳化后混凝土中的有害孔和多害孔體積總體呈變大的趨勢，以多害孔為例，體積增大了13.4%～90.1%。

2.3 機理分析

碳化使[14]和孔隙結構產生重大變化，這根本上是由碳化反應決定的，反應方程式如下[10]：

CO2+H2O=H2CO3

(1)

Ca(OH)2+H2CO3=CaCO3+2H2O

(2)

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3=3CaCO3+2SiO2+6H2O

(3)

首先碳化反應生成了CaCO3，體積膨脹約17%，使得混凝土孔隙率降低；其次反應生成了大量的水，這些水揮發(fā)以后會產生大量的孔洞，這將極大的改變混凝土本身的孔隙結構，使得混凝土中孔隙的連通性提高、曲折度降低，對水膠比較低的混凝土尤其如此。

3 結語

1)降低水膠比和添加粉煤灰，混凝土孔隙率和臨界孔徑降低，混凝土中有害孔和多害孔體積總體呈下降趨勢。

2)碳化使低水膠比和添加粉煤灰的混凝土孔隙細化，使高水膠比混凝土孔隙粗化，并使混凝土中產生微裂縫。

3)碳化使混凝土孔隙率下降，臨界孔徑和最可幾孔徑均增大，孔隙的連通性提高，曲折度降低，多害孔增多，這將使得外界環(huán)境中有害離子更容易進入混凝土內部。

[1]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土.北京：中國鐵道出版社，1999.

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[10]牛荻濤.混凝土結構耐久性與壽命預測.北京：科學出版社，2003.

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[13]金祖權，孫 偉，李秋義.碳化對混凝土中氯離子擴散的影響.北京科技大學學報，2008，30(8)：921-925.

[14]GB/T 50082—2009，普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準.

[15]趙鐵軍，朱金銓，馮乃謙.混凝土孔隙分析中的表征參數.吳中偉院士從事科教工作六十年學術討論會論文集.2004.

Research on influence of carbonization on concrete microstructure★

Qi Guangzheng1Yuan Chengfang2Niu Ditao3

(1.TrafficIndustryKeyLabforHydrologicalTechnicalMonitoring,DiagnosisandConsolidationTechnique,TianjinWaterwayTrafficEngineeringAcademy,TransportationDepartment,Tianjin300456,China; 2.CivilEngineeringCollege,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China; 3.CivilEngineeringCollege,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

The paper undertakes the speedy carbonization tests on the concrete with various water-binder ratio and flyash with the scanning electron microscope and press pumping measure, analyzes the micro shapes, pore structure, and pore gradation of the concrete, proves by the result that the water-binder ratio is the decisive element in the concrete microstructure, and the low ratio leads to the tighter structure, although the carbonization lowers the porosity of the concrete, it can enlarge the interface diameter and most probable pore diameter and enhance the pore’s connection, so it brings the hazardous substances into the concrete which will be harmful to the concrete durability.

carbonization, concrete, pore structure, scanning electron microscope, press pump

1009-6825(2015)18-0023-03

2015-04-19★：國家杰出青年科學基金資助項目(項目編號：50725824)

齊廣政(1988- )，男，碩士，研究實習員； 元成方(1983- )，男，博士，講師； 牛荻濤(1963- )，男，博士生導師，教授

TU528

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