?；⒅楸厣皾{碳化后基本性能

胡鳳麗，劉元珍，呂丹丹，秦小超

(太原理工大學建筑與土木工程學院， 山西太原030024)

?

?；⒅楸厣皾{碳化后基本性能

胡鳳麗，劉元珍，呂丹丹，秦小超

(太原理工大學建筑與土木工程學院， 山西太原030024)

無機保溫材料玻化微珠保溫砂漿實現了保溫隔熱性能與系統(tǒng)防火安全性的平衡，近年來在內外保溫系統(tǒng)上的應用迅速增加，其在外界環(huán)境作用下的性能穩(wěn)定性及劣化機理也受到了關注。為研究其抗碳化性能，選定保溫砂漿的最優(yōu)配合比，進行了不同碳化齡期的室內快速碳化試驗，測定碳化后的基本性能指標導熱系數、抗壓強度；對碳化前后的保溫砂漿試塊進行X-Ray衍射試驗和微觀形貌分析，研究其變化規(guī)律，進一步揭示保溫砂漿的碳化機理。試驗結果表明：相同碳化齡期下，“保溫砂漿+抗裂砂漿”保溫系統(tǒng)的碳化深度比保溫砂漿小20%，保溫系統(tǒng)的抗碳化能力優(yōu)于保溫砂漿；碳化前期(0～7d)，保溫砂漿的導熱系數和抗壓強度增大較快，隨著碳化齡期的增大，導熱系數的變化率由最初的3.64%降低為2.68%，抗壓強度的變化率由最初的12.08%降低為9.14%，28d碳化作用后，導熱系數和抗壓強度相較于碳化前分別增大了8.55%和29.38%；保溫砂漿碳化后的產物主要是CaCO3，孔隙中Ca+離子的析出，主要由Ca(OH)2分解補償。

玻化微珠保溫砂漿；抗碳化性能；導熱系數；抗壓強度；X-Ray衍射；微觀形貌

0　引　言

水泥基材料的碳化是影響其性能及壽命周期的重要因素，近年來引起越來越多專家學者的關注。相關研究[1-3]表明，水泥基材料的碳化即大氣中的CO2通過基體內部的孔隙擴散，在有水的條件下與水泥水化反應產生的堿性物質發(fā)生中性化反應，生成碳酸鈣和其他物質的過程。隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展以及全球氣候變暖，大氣中的CO2較以前有很大的提高，水泥基材料的碳化成為一個非常嚴重的問題。國內外學者對水泥基材料的碳化進行了大量的研究[1, 4-12]，研究表明影響碳化的因素很多，除環(huán)境條件外，還和漿體本身的一些性質如內部孔隙溶液的pH、水化產物的性質以及結構的密實度等有關。膠凝材料在碳化過程中，水化產物與CO2發(fā)生反應并伴隨著鈣礬石等的分解，使其膠凝性減小，結構產生碳化收縮。

隨著能源問題日趨嚴重，節(jié)能環(huán)保成為當代社會發(fā)展的一大主題。保溫隔熱材料的研發(fā)應用對減少建筑能耗起到關鍵作用。保溫砂漿作為一種非結構性的內外墻保溫隔熱材料，其抗碳化性具有重要的作用。國內外對于保溫砂漿的碳化進行了一定的研究，Batis等[13]的研究指出由于保溫砂漿的多孔性會加速其碳化，降低耐久性，建議通過外設保護層來增強其抗腐蝕和抗碳化能力；Cheah等[14]通過試驗證明摻入一定量鈣灰可以增強砂漿致密性、提高抗碳化能力、減少干縮；Houst等[15]學者研究了水泥砂漿的碳化機理以及孔結構、孔隙率和含水量對碳化過程中CO2氣體擴散的影響；Papadakis等[16-17]采用化學反應動力學方法對碳化過程中水泥水化反應和碳化反應速率進行了研究，并且利用可碳化物質的質量平衡條件建立了碳化模型，得到各國學者的普遍認同。

作為無機保溫隔熱材料的典型代表，?；⒅楸厣皾{基本力學性能和配合比等方面的研究較多[18-19]，但對其耐久性方面特別是碳化性能方面的研究仍處于起步階段[20-22]。本文在現有研究成果的基礎上，根據?；⒅楸厣皾{的材料特性，采取宏微觀相結合的方法對保溫砂漿的抗碳化性能以及碳化作用對其導熱系數和抗壓強度的影響規(guī)律進行了研究，分析其碳化機理，為其理論研究和工程實踐提供一定的參考。

1　試驗方案

試驗過程中，試驗所需試塊規(guī)格，快速碳化為100mm×100mm×100mm；導熱系數為300mm×300mm×30mm；抗壓強度為70.7mm×70.7mm×70.7mm。

?；⒅楸厣皾{按照行業(yè)標準《玻化微珠保溫隔熱砂漿應用技術規(guī)程》(JC/T2164—2013)中的有關方法并結合本文試驗實際情況來配制。配制過程中，?；⒅楸厣皾{按干粉漿料和所需水質量比1∶1的比例配制；抗裂砂漿按干粉漿料和所需水質量比0.25∶1的比例配制。攪拌過程中，先加入水再加干粉混料，攪拌時間為3～5min，當干混料攪拌成均勻膏狀體時結束。將攪拌好的保溫砂漿漿體裝入相應大小的鋼模具內，成型后用聚乙烯薄膜覆蓋，養(yǎng)護2d后脫模。

保溫砂漿本身尚缺少相應的試驗規(guī)程，本文依據《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》(DL/T5126—2001)設計碳化試驗。為了更能反映實際情況，碳化試驗分為兩部分，即“保溫砂漿室內快速碳化”、“‘保溫砂漿+抗裂砂漿’保溫系統(tǒng)室內快速碳化”。所采用的處理方法為：保溫砂漿將試塊的5個面用石蠟密封；保溫系統(tǒng)將試塊的一個表面涂抹厚度為5mm的抗裂砂漿并將其余各面用石蠟密封；試件共15組，每組三塊。將處理后的試塊置于碳化箱的鐵架上，進行碳化試驗，碳化齡期分別為0、3、7、14、28d；碳化過程中，使用密封條將碳化箱密封，碳化箱內條件設定為溫度(20±5) ℃、濕度(70±5)%，CO2濃度(20±3)%。

導熱系數及立方體抗壓強度試驗試塊不做封蠟及涂抹抗裂處理，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28d后，放入碳化箱內進行碳化處理，齡期分別為0、3、7、14、28d，完成相應的碳化試驗后，測定相應齡期后的導熱系數及抗壓強度值，同時對碳化0d和28d后的試塊取樣進行X-Ray衍射及SEM電鏡掃描試驗。

2　試驗結果及分析

2.1快速碳化試驗結果

外抹5mm抗裂砂漿的“保溫砂漿+抗裂砂漿”保溫系統(tǒng)經過3、7、14、28d碳化作用后的碳化現象以及碳化深度值，如圖1和表1所示(在沿抗裂面切開的試件表面噴上酚酞酒精溶液，碳化區(qū)域為無色，未碳化區(qū)域為紫色)。從圖1和表1中可以明顯看出，隨著碳化齡期的增加，保溫砂漿系統(tǒng)呈現紫色區(qū)域的面積越來越??；沿著裸露的外抹抗裂砂漿的那個側面觀察，保溫砂漿系統(tǒng)的碳化深度隨著碳化齡期的增加而增大。砂漿的抗碳化性能很大程度上取決于其內部的密實程度和孔隙結構以及早期水化程度[7, 13-15]。保溫砂漿和抗裂砂漿是由級配良好的復合輕骨料摻料——?；⒅楹蜕白庸餐M成。本試驗采用三種范圍粒徑(分別為1～3mm、2～4mm、3～5mm，三種粒徑的百分比依次為50%、30%、20%)的?；⒅轭w粒進行混合，級配較為合理。此外，?；⒅楸厣皾{中水泥采取快硬鋁酸鹽水泥，與普通硅酸鹽水泥相比，其早期水化反應快，具有一定的早期強度，早期密實度大，能阻礙CO2氣體的進入；鋁酸鹽水泥反應后的堿度低，使CaCO3的溶解度相對較高，因此可以減少水化產物的分解，降低碳化作用對水泥基結構的破壞。綜上所述，?；⒅楸厣皾{系統(tǒng)具有良好的抗碳化性能。

T=3 d

保溫砂漿的快速碳化深度值見表2，由表2可知，隨著碳化齡期的增加，保溫砂漿的碳化深度值逐漸增大。對比表1和表2的結果可知，相同碳化齡期下，保溫砂漿的碳化深度值大于“保溫砂漿+抗裂砂漿”保溫系統(tǒng)，保溫系統(tǒng)的碳化深度比保溫砂漿小20%。抗裂砂漿的使用提高了保溫砂漿的抗碳化能力，保護了保溫砂漿。相關研究[13]指出由于砂漿的多孔性會加速其碳化，降低耐久性，通過外設保護層可以增強其抗碳化能力。

表1　外抹5 mm抗裂砂漿的保溫砂漿系統(tǒng)的碳化深度值Tab.1　Carbonation depth of GHBs thermal insulationmortar with 5 mm anti-crack mortar

表2　保溫砂漿的快速碳化深度值Tab.2　Carbonation depth of GHBsthermal insulation mortar

2.2碳化作用后保溫砂漿的導熱系數和抗壓強度變化規(guī)律

2.2.1碳化作用后導熱系數的變化規(guī)律

保溫砂漿試塊達到相應的碳化齡期后，測定保溫砂漿的導熱系數，繪制導熱系數隨碳化齡期的變化趨勢如圖2所示。

由圖2所示可知，玻化微珠保溫砂漿的導熱系數隨著碳化齡期的延長而逐漸增大，但增長幅度不是很明顯，其碳化28d后的導熱系數為0.059 7W/(m·K)，與碳化前相比增大了8.55%。通過對導熱系數的變化規(guī)律曲線分析可知，碳化初期(0～7d)，導熱系數變化率較大，隨著碳化齡期的增加，變化率逐漸減小，變化率由最初的3.64%下降到2.68%。

2.2.2碳化作用后抗壓強度的變化規(guī)律

圖3所示為不同碳化齡期后玻化微珠保溫砂漿試塊的立方體抗壓強度變化趨勢。

從圖3可以看出，?；⒅楸厣皾{隨著碳化齡期的增加，立體抗壓強度逐漸增大。28d碳化作用后，抗壓強度相對于碳化前，增大了29.38%。T=7d時,保溫砂漿的立方體抗壓強度為0.538MPa，碳化第一周的強度相對初始強度增大12.08%；T=14d時,立方體抗壓強度為0.569MPa，碳化第二周的強度相對第一周強度增大5.76%；而碳化進行到28d后，碳化后的強度為0.621MPa，相對于第二周強度增大了9.14%(碳化周期2周)，可見?；⒅楸厣皾{的立方體抗壓強度前期變化較快，隨著碳化齡期的增大，變化率逐漸減小。

圖2不同碳化齡期下?；⒅楸厣皾{的導熱系數

Fig.2ThecoefficientofthermalconductivityofGHBsinsulationmortar

圖3保溫砂漿立方體抗壓強度和碳化齡期的擬合曲線

Fig.3Fittingrelationshipcurvebetweencubecompressivestrengthandcarbonationages

2.3碳化作用后保溫砂漿的微觀結構

2.3.1碳化前后保溫砂漿的化合物分析

?；⒅楸厣皾{試塊碳化前后的X-Rag衍射圖見圖4，圖4中A代表Ca(OH)2，B代表CaCO3，C代表鈣釩石(AFt)，D代表C—S—H凝膠。對比圖4(a)和圖4(b)可以看出，玻化微珠保溫砂漿碳化后的主要生成物為CaCO3。碳化后A物相所在的位置，其衍射峰強度明顯減弱；B物相碳化后的衍射峰強度明顯高于其他物相；C和D物相的結構特征峰碳化前后位置并未變化，僅是特征峰的相對強度發(fā)生變化；C物相和D物相所在位置的衍射峰強度有較小幅度的減弱，變化不明顯。研究[23-24]表明，水泥水化后的產物Ca(OH)2主要以晶體狀態(tài)存在，少部分溶解在孔隙溶液中。碳化過程中，空氣中的CO2由孔隙進入漿體內部，首先與孔隙溶液中的Ca(OH)2反應，生成難溶于水的化合物CaCO3，主要以方解石的狀態(tài)存在，隨著保溫砂漿孔隙溶液中Ca2+濃度的降低，晶體形態(tài)的Ca(OH)2開始分解，維持孔溶液的堿度，極少部分Ca2+由C—S—H凝膠脫鈣補償，從而保護了水化產物C—S—H凝膠等的脫鈣分解。由圖4可知，碳化28d后，C—S—H凝膠(C)和AFt(D)基本無變化，CaCO3大量增加，因此，?；⒅楸厣皾{在碳化的過程中主要是Ca(OH)2與CO2發(fā)生反應生成溶解度較小的CaCO3，導致Ca+的析出，堿度降低，Ca+離子的析出量主要由Ca(OH)2分解補償，和相關學者的研究[25-27]相符。

(a) 養(yǎng)護28d試塊

(b) 碳化28d試塊

圖4玻化微珠保溫砂漿試塊碳化前后的X-Ray衍射圖

Fig.4X-RaydiffractionpatternofGHBsthermalinsulationmortar

2.3.2碳化前后保溫砂漿的微觀形貌分析

圖5為未碳化保溫砂漿試塊的微觀形貌圖，由圖5可以看出，玻化微珠保溫砂漿試塊結構密實，未碳化試塊的表面凹凸不平，這可能是由于玻化微珠顆粒是不規(guī)則的球狀空腔結構，在摻入砂漿后經過攪拌、振搗會造成部分空腔破碎，表面更加不規(guī)則。保溫砂漿試塊未碳化時孔隙較多且多為內部引氣劑形成的氣孔和毛細孔。其中放大300倍、1 000倍的圖像顯示未碳化時保溫砂漿內部孔隙多為連通孔，表面也無任何多余物質。

從圖6可以看出，保溫砂漿試塊經過碳化作用后，內部出現了一簇簇的晶體，填充在孔隙內部或分布在孔隙邊緣，毛細孔邊緣有較多碳化生成物附著，在孔隙周圍形成較致密的碳化區(qū)域，說明在毛細孔邊緣碳化較為明顯。結合X-Ray衍射結果和放大300倍、1 000倍的圖像可知該碳化生成物為菱形狀的CaCO3，主要以方解石的狀態(tài)存在，填充在保溫砂漿的孔隙內部，使得其孔隙率降低，孔徑細化；在孔隙表面，CaCO3則是在相對自由的空間生長，晶粒長至2μm左右，晶形非常完整。

(a)×50

對比圖5和圖6可知，碳化作用后，保溫砂漿內部孔隙減小，碳化產物CaCO3在大的毛細孔內部沉淀，將其分割成小的毛細孔，使其內部孔徑細化，最可幾孔徑減小，總孔隙率和平均孔徑降低。

2.4?；⒅楸厣皾{碳化機理分析

相關研究表明，在外部環(huán)境一定的情況下，水泥基材料的抗碳化能力主要和自身水化產物的性質、堿儲備量及內部的孔結構有關。對CO2擴散有重要影響的因素主要是內部的孔隙率以及孔徑的分布情況，孔隙率越小，最可幾孔徑越小，孔徑越細化，則CO2在漿體內部的擴散越慢，相應的碳化速率也越慢。

X-Ray衍射和SEM電鏡掃描試驗結果表明，保溫砂漿碳化后生成了大量的CaCO3，填充在孔隙內部，使其密實度增大，孔徑細化，最可幾孔徑減小，總孔隙率和平均孔徑降低。導熱系數和立方體抗壓強度試驗表明，?；⒅楸厣皾{碳化后的導熱系數和抗壓強度均隨著碳化齡期的增大而增大，且在碳化初期變化速率較大，后期變化率慢慢減小。分析其原因可知，保溫砂漿作為一種新型的保溫隔熱材料，其保溫骨料為球狀空腔結構的?；⒅?，其內部成蜂窩狀，孔隙率較高，在這些封閉的孔隙間充滿空氣，而空氣的導熱系數小，從而使保溫砂漿具有良好的保溫隔熱性。而經過碳化作用后，保溫砂漿內部的部分孔隙被碳化產物CaCO3所填充，導致孔隙間的空氣變少，導熱系數相應的增大。同時，材料的密實度對導熱系數也有一定的影響，密實度越大，導熱系數也會相應增大；砂漿的立方體抗壓強度和結構的密實度有很大的關系，碳化后CaCO3填充于內部的毛細孔中，使碳化層的孔隙率降低，密實度提高，從而抗壓強度逐漸增大；而碳化初期生成的碳化產物如CaCO3等填充在砂漿內部的毛細孔中，使內部的毛細孔隙率下降，這在一定程度上阻礙了CO2進入砂漿內部參與碳化反應，降低CO2在內部的擴散速率，從而降低了砂漿碳化發(fā)展的速率，因此，碳化后期導熱系數和抗壓強度的變化速率小于碳化初期，與導熱系數及抗壓強度試驗結果相符。

?；⒅楸厣皾{使用快硬鋁酸鹽水泥替代硅酸鹽水泥，使其早期水化反應快，具有一定的早期強度，水化產物填充于孔隙內部，早期密實度高，能夠阻礙CO2的進入，減緩碳化作用對砂漿的影響；保溫砂漿中加入了一定量的硅灰和減水劑。相關研究表明，硅灰材料具有較高的火山灰活性和比表面積，加入到水泥基材料中能夠起到微集料效應，填充在孔隙內部，使?jié){體的結構更密實。除此之外，硅灰在漿體內部產生二次水化反應，生成C-S-H凝膠，堵塞毛細孔，優(yōu)化內部孔隙結構；而減水劑的加入能夠進一步使總孔隙率減少，同時可使孔分布中最可幾孔徑的尺寸減小。而孔徑越小，結構越密實，碳化速率越緩慢。綜上所述，玻化微珠保溫砂漿具有良好的抗碳化性能。

3　結　語

通過研究?；⒅楸厣皾{的抗碳化性能和碳化后抗壓強度及導熱系數的變化規(guī)律，得出以下結論：

①“保溫砂漿+抗裂砂漿”保溫系統(tǒng)的碳化深度比保溫砂漿小20%，保溫系統(tǒng)的抗碳化能力優(yōu)于保溫砂漿。

②碳化作用后，導熱系數和立方體抗壓強度均隨著碳化齡期的增大而增大，碳化前期(0～7d)，變化速率較大，隨著碳化齡期的增大，變化率逐漸降低，導熱系數的變化率由最初的3.64%降低為2.68%，抗壓強度的變化率由最初的12.08%降低為9.14%。28d碳化作用后，導熱系數和抗壓強度相對于碳化前分別增大了8.55%和29.38%。

③X-Ray衍射和SEM電鏡掃描試驗結果表明，28d碳化作用后，?；⒅楸厣皾{的碳化過程主要是CO2與Ca(OH)2發(fā)生反應生成溶解度較小的CaCO3，填充在孔隙內部，使其密實度增大，孔徑細化，最可幾孔徑減小，總孔隙率和平均孔徑降低，孔隙中Ca+離子的析出，主要由Ca(OH)2分解補償。

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(責任編輯唐漢民梁碧芬)

Experimental study on basic performance of thermal insulation glazed hollow bead mortar after carbonation

HU Feng-li, LIU Yuan-zhen, LYU Dan-dan, QIN Xiao-chao

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Asatypicalrepresentativeofinorganicinsulationmaterial,thermalinsulationglazedhollowbead(GHB)mortarachievesanexcellentbalancebetweenthermalinsulationperformanceandfireprotection.WiththeincreasingapplicationofthermalinsulationGHBmortartotheinternalandexternalinsulationsystem,muchattentionwaspaidontheperformancestabilityanddeteriorationmechanismofthemortarexposedtonaturalenvironment.ToobtainabetterunderstandingonthecarbonationresistanceofthermalinsulationGHBmortar,anacceleratedcarbonationexperimenthasbeencarriedoutonthemortarwiththeoptimalmixture.Thethermalconductivityandcompressivestrengthofthemortarundercarbonationhavebeenmeasured.Besides,theX-RayandSEMtests,intendedtoshowtheinternalstructureandexplainthecarbonationmechanism,havebeenconductedonthemortar.Testresultsshowthatthecarbonationdepthoftheinsulationsystemis20%lowerthanthatofthethermalinsulationmortar,whichindicatesthattheinsulationsystemhasbettercarbonationresistance.BothofthethermalconductivityandcompressivestrengthofthermalinsulationGHBmortarincreaseduringthefirststageof0～7dandtheincreasepercentagesofthermalconductivityandcompressivestrengthdropfrom3.64%to2.68%and12.08%to9.14%,respectively.The28-day’scarbonationresultsinasignificantincreaseincompressivestrengthof29.38%,andasmallerchangeinthermalconductivityof8.55%.CaCO3isthemainreactionproductaftercarbonationandthedecreaseofCa+inporesolutioniscompensatedbythedegradationofCa(OH)2.

GHBsthermalinsulationmortar;carbonationresistance;thermalconductivity;compressivestrength;X-Raydiffraction;microstructure

2016-03-30；

2016-04-22

國家自然科學基金資助項目(51308371)；山西省自然科學基金資助項目(2014011033-1)

劉元珍(1974—)，女，山西霍州人，博士，太原理工大學副教授；E-mail:liuyuanzhen@tyut.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1206

TQ177.6+2

A

1001-7445(2016)04-1206-08

引文格式：胡鳳麗，劉元珍，呂丹丹，等.?；⒅楸厣皾{碳化后基本性能[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1206-1213.