輕骨料混凝土抗碳化性能及微結(jié)構(gòu)分析

姚韋靖，龐建勇，劉雨姍

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001； 3.安徽理工大學 土木工程博士后流動站，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中與大氣CO2發(fā)生碳化反應導致材料內(nèi)部堿度降低，破壞鋼筋表面在高堿度環(huán)境中形成的鈍化膜，使得材料內(nèi)部結(jié)合氯離子轉(zhuǎn)化為自由氯離子，甚至引起收縮變形，影響結(jié)構(gòu)體積穩(wěn)定性，進而降低混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命，是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要方面[1-2]。

輕骨料混凝土(Light Weight Aggregate Concrete，LWAC)相較于普通骨料混凝土，具有相對強度高、重度小、保溫隔熱、耐久、抗凍、工程造價低等綜合優(yōu)勢，廣泛應用于高層建筑、橋梁等工程實踐中，而不同輕骨料在密度、型狀和表面形態(tài)等方面差異明顯，造成輕骨料混凝土碳化反應過程更為復雜[3-4]。為此，輕骨料混凝土抗碳化性一直存在爭議：一方面，多孔輕骨料使得CO2易于在骨料孔隙中擴散，當混凝土保護層厚度不足或質(zhì)量較低時，這些孔隙甚至搭建起連接混凝土表面和鋼筋的“橋梁”，而普通骨料密實度較高、滲透率較低，導致同水灰比的普通混凝土比輕骨料混凝土抗碳化性佳[5]，相關研究顯示輕骨料混凝土碳化速度比普通混凝土快0.8～1.0倍[6]；另一方面，輕骨料混凝土與同等強度普通混凝土相比，水泥相對用量較高、水灰比較低，導致砂漿密實度和可碳化物質(zhì)含量均較高，使輕骨料混凝土抗碳化性優(yōu)于普通混凝土[7]，此外，輕骨料獨有的吸返水特性能夠改善骨料水泥石過渡區(qū)界面結(jié)構(gòu)，促進礦物摻和料二次水化反應，形成特有的內(nèi)養(yǎng)護效果[8-9]，進而抑制CO2擴散，延緩碳化反應進程。為此，開展輕骨料混凝土抗碳化規(guī)律研究顯得尤為必要。

快速碳化試驗是探究混凝土碳化耐久性的常用手段，學者們大多考慮水泥品種、水灰比、骨料、溫濕度、應力狀態(tài)等多種因素對碳化深度的影響，討論各因素影響順序、權(quán)重，并最終建立預測數(shù)學模型[10-12]，但對碳化后混凝土微結(jié)構(gòu)變化卻少有關注，而材料宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)密切相關。為此，本文配制全輕及次輕陶粒輕骨料混凝土，并與普通混凝土比對，探討其抗碳化規(guī)律，建立碳化深度預測模型，利用壓汞法(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)分析材料內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)變化，從宏觀和細微觀角度探究輕骨料混凝土抗碳化機理。

2 室內(nèi)加速碳化試驗

2.1 原材料

水泥采用淮南八公山牌P·C 42.5級復合硅酸鹽水泥，其3 d和28 d抗壓強度分別為29.9 MPa和47.7 MPa；粉煤灰為淮南平圩電廠產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰，可有效提升工作性能、優(yōu)化水泥水化條件、提高后期強度[13]，其化學成分含量見表1；細骨料采用中砂，細度模數(shù)2.8；輕骨料為頁巖陶粒，粒徑5～10 mm，基本性能參數(shù)見表2；粗骨料為石灰質(zhì)碎石，粒徑5～15 mm連續(xù)級配；外加劑為陜西秦奮建材產(chǎn)HPWR型高性能減水劑。

表1 粉煤灰化學成分組成Table 1 Chemical composition of fly ash %

表2 頁巖陶粒性能指標Table 2 Performance indexes of shale ceramsite

頁巖陶粒是一種人造多孔輕骨料，圖1所示為試驗用頁巖陶粒實拍、外殼、內(nèi)核微觀形貌。由圖1可見其外表面呈粗陶狀結(jié)構(gòu)，肉眼可見開放狀的孔和裂隙，剖開后內(nèi)核為明顯網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)，有部分封閉球狀孔和連通形成通路的孔，且孔徑較大。正是該種特殊的多孔結(jié)構(gòu)，使得混凝土拌和物在新拌階段，部分水泥漿體滲入輕骨料表面開孔微裂隙中，進入硬化階段后，隨水泥水化反應進程造成材料內(nèi)部相對濕度降低，同時輕骨料內(nèi)部存儲的大量水分釋放從而對周圍水泥漿進行內(nèi)養(yǎng)護，周圍水泥石日趨密實和均勻[14-15]。

圖1 頁巖陶粒實拍與微觀結(jié)構(gòu)形貌Fig.1 Photo and microstructure morphology ofshale ceramsite

2.2 配合比設計

依據(jù)《普通混凝土配合比設計》(JGJ 55—2011)[16]和《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)[17]，采用絕對體積法設計普通混凝土(Normal Concrete，NC)、全輕骨料混凝土(All-light Weight Aggregate Concrete，ALWAC)和次輕骨料混凝土(Sub-light Weight Aggregate Concrete，SLWAC)，首先確定水泥用量、水膠比和體積砂率，然后利用絕對體積法計算粗細骨料用量。

經(jīng)過實驗室多次試配，確定膠凝材料用量468 kg/m3，體積砂率40%，粉煤灰摻量為水泥用量的10%，陶粒吸水處理后可有效提高內(nèi)養(yǎng)護效果，故在配制混凝土前進行1 h吸水處理[18]，吸水率為9.5%～12.0%，經(jīng)計算和試配相應調(diào)整水膠比以保持各組混凝土用水量一致。共設計5種混凝土：LC-100為全輕骨料混凝土；LC-75、LC-50、LC-25分別為采用陶粒取代碎石體積75%、50%和25%水平的次輕骨料混凝土；NC為普通混凝土。各組混凝土配合比見表3。

表3 各組混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete kg/m3

2.3 試驗方法

試驗前對陶粒輕骨料進行1 h吸水處理，將頁巖陶粒、碎石、砂子、水泥、粉煤灰進行干拌和0.5 min，再加入水和減水劑，濕拌和2.5 min，形成混凝土拌和物，澆筑棱柱體試件，尺寸為400 mm×100 mm×100 mm(高×長×寬)，成型24 h后拆模，在標準養(yǎng)護條件下(相對濕度≥95%，溫度(20±1) ℃)養(yǎng)護至28 d。

首先，測試各組混凝土試件的基本性能，包括抗壓強度、抗拉強度、含水率和導熱系數(shù)。使用長春試驗機研究所產(chǎn)CSS-YAN3000壓力機進行抗壓、抗拉強度測試；將每組試塊放入烘箱中，在105 ℃條件下烘烤，直至質(zhì)量不再變化，視為完全干燥，記錄此時質(zhì)量m0，再將試塊放入水箱中浸泡96 h取出，用濕布擦拭表面，使其表面不存在明水，但仍保持濕潤狀態(tài)，視為飽和狀態(tài)，記錄此時試塊飽和質(zhì)量m，計算含水率ρ=(m-m0)/m0[19]；使用沈陽電子設備有限公司產(chǎn)PDR300導熱系數(shù)測定儀，采用雙平板法測定混凝土試件導熱系數(shù)。

然后，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[20]進行快速碳化試驗，采用上海雷韻公司產(chǎn)BBC-70型混凝土碳化箱，設置CO2濃度(20±3)%，相對濕度(75±5)%，溫度(20±2) ℃，碳化至3、7、14、28 d，測量碳化深度。

最后，選取NC和LC-100試樣，挑選試件中暴露于外界的側(cè)面作為碳化前后水泥石試樣，作MIP壓汞測試，采用美國麥克儀器公司產(chǎn)LV9510型壓汞儀，定量分析28 d碳化前后，CO2侵入試件內(nèi)部孔隙率、孔徑分布和密實度情況。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 混凝土基本性能測試

對混凝土基本性能進行測試，結(jié)果見表4，從表4可得：

(1)ALWAC和SLWAC較NC表觀密度小，ALWAC表觀密度<1 750 kg/m3，滿足輕質(zhì)混凝土要求，隨陶粒取代率減少，表觀密度逐漸增加，坍落度、擴展度和工作性能隨之提高。這是因為陶粒質(zhì)輕，取代部分碎石粗骨料導致表觀密度下降，且在配制混凝土前經(jīng)預濕吸收大量水分，導致混凝土拌和物用水量減少，因而流動性降低，但28 d后材料內(nèi)部含水率有較大提高，ALWAC含水率為5.29%，而NC僅有1.10%，形成內(nèi)養(yǎng)護效果，有益于提高后期強度[18]。

(2)對于抗壓、抗拉強度，ALWAC和SLWAC較NC強度低，隨陶粒取代率減少，強度逐漸提高。這是因為陶粒本身筒壓強度僅約3 MPa，遠低于碎石強度，因而隨取代率提高，宏觀強度逐漸損失。

(3)對于導熱系數(shù)，ALWAC和SLWAC較NC低，隨陶粒取代率增加，保溫隔熱性能顯著提高，說明陶粒特有的多孔結(jié)構(gòu)，在材料內(nèi)部有效延長熱量傳遞路徑，致使熱量既在材料中傳遞又在空氣中傳播，而空氣本身即為很好的隔熱材料，導熱系數(shù)僅為0.023 W/(m·K)[21]，從而增加能量耗散損失，提高隔熱能力。

表4 各組混凝土基本性能測試結(jié)果Table 4 Basic performances of each groupof concrete

3.2 輕骨料混凝土碳化深度隨時間變化規(guī)律

圖2所示為不同快速碳化時間下各組混凝土碳化深度情況。

圖2 混凝土碳化深度隨時間變化規(guī)律Fig.2 Variation of carbonation depth of concretewith age

由圖2可知：

(1)各試件碳化深度隨碳化時間增加而逐漸增大，而碳化速率逐漸降低，3 d以內(nèi)碳化速度最快，3 d—14 d碳化速度次之，14 d后碳化速度趨于平緩穩(wěn)定。這是因為CO2與混凝土中Ca(OH)2和水化硅酸鈣反應生成CaCO3，封堵混凝土內(nèi)部孔隙，使CO2擴散通道受阻，碳化反應隨時間增加而逐漸減弱。

(2)對于ALWAC和SLWAC，碳化深度顯著低于NC，且隨陶粒取代量增加碳化深度逐漸遞減，在碳化齡期28 d時，LC-100、LC-75、LC-50、LC-25碳化深度分別為7.99、9.22、10.70、11.68 mm，NC碳化深度為12.25 mm，可見，本試驗中輕骨料混凝土抗碳化性較普通混凝土優(yōu)。這是因為輕骨料在材料內(nèi)部發(fā)揮特有吸返水效應，形成內(nèi)養(yǎng)護，輕骨料周圍水泥石日趨密實，阻礙CO2滲入混凝土內(nèi)部，此外，也與輕骨料混凝土水泥相對用量大、水膠比較低有關。

結(jié)合圖3和圖4可見，相同養(yǎng)護28 d的NC和LC-100試樣，水泥膠凝材料的水化程度相差不大，但在骨料與水泥膠凝的界面區(qū)，NC試樣中，粗骨料與水泥石間往往出現(xiàn)裂隙，這既是混凝土材料的薄弱處，也造成快速碳化試驗中CO2的侵入；而LC-100試樣中，陶粒與水泥石間往往形成“嵌套”界面區(qū)，隨預濕陶粒在養(yǎng)護過程中不斷釋放水分，界面連接處水泥愈發(fā)致密，水泥膠凝填充于陶粒表面的孔洞或凹陷，既改變混凝土界面區(qū)薄弱的劣勢，也能有效阻止CO2侵入[22-23]，因而產(chǎn)生輕骨料混凝土抗碳化性優(yōu)于普通混凝土的試驗現(xiàn)象。

圖3 NC試樣微觀形貌Fig.3 Micro-structures of NC

圖4 LC-100試樣微觀形貌Fig.4 Micro-structures of LC-100

3.3 微細觀孔結(jié)構(gòu)分析

混凝土作為一種結(jié)構(gòu)材料，其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)分布與其抗碳化性能密切相關。為此，選取NC和LC-100水泥石試樣作MIP壓汞測試，定量分析28 d碳化前后試件內(nèi)部孔隙率、孔徑分布和密實度情況，結(jié)果見表5，孔徑分布情況見圖5和圖6。圖5、圖6中的縱坐標V為孔隙體積，lgV為汞體積對數(shù)。

表5 試樣孔隙特征參數(shù)Table 5 Characteristic parameters of pores in samples

圖5 NC試樣孔徑分布情況Fig.5 Pore size distribution in NC

圖6 LC-100試樣孔徑分布情況Fig.6 Pore size distribution in LC-100

由表5可得，LC-100試樣碳化前的總孔隙體積為32.01 mL/g，平均孔徑為23.10 nm，孔隙率為30.33%，而NC試樣碳化前的總孔隙體積為17.80 mL/g，平均孔徑為15.10 nm，孔隙率為14.36%。這說明疏松多孔的輕骨料摻入混凝土中導致水泥石孔隙增長，存儲水分產(chǎn)生內(nèi)養(yǎng)護效果。

快速碳化28 d后，試樣總孔隙體積、平均孔徑和孔隙率均有不同程度降低，NC試樣孔隙率下降至13.53%，LC-100試件孔隙率下降至28.70%，表明經(jīng)碳化后混凝土中大量孔隙被細化填充，孔徑減小，孔隙率降低。

圖5(a)和圖6(a)分別定量分析了試樣碳化前后孔徑分布情況，可以看出2組試樣經(jīng)碳化試驗后，d>30 nm的孔隙大量減小，d<10 nm的孔體積增長，且孔徑越大，其汞體積對數(shù)越小。圖5(b)和圖6(b)分別定量顯示了試樣碳化前后累計孔隙體積分布情況，可見與孔徑分布相對應，碳化后各試樣累計孔隙體積相應減小，且孔徑越大，累計孔隙體積越小。

造成上述現(xiàn)象的原因在于，CO2侵入混凝土試件內(nèi)部與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2以及水泥熟料中硅酸三鈣、硅酸二鈣等發(fā)生化學反應，產(chǎn)生大量CaCO3，填充細化大量孔隙，導致孔隙率降低，同時減緩CO2侵入速度，致使碳化速度降低，材料密實度增加，宏觀表現(xiàn)為材料強度提高。這與相關研究的結(jié)論是一致的[24]。

3.4 碳化模型建立

目前，常用的混凝土碳化深度趨勢公式為

(1)

式中：k為碳化系數(shù)；X為碳化深度(mm)；t為碳化時間(d)。其假定混凝土為各向同性連續(xù)介質(zhì)材料，用穩(wěn)態(tài)擴散理論模擬CO2擴散過程，得到學者們的廣泛認可[25]。

對實測碳化深度數(shù)據(jù)進行擬合分析，如圖7。

圖7 混凝土碳化深度與時間擬合關系Fig.7 Fitting relations between carbonation depthand age of concrete

擬合結(jié)果見表6。由表6可見各擬合公式?jīng)Q定系數(shù)均>0.95，擬合效果較好。由各擬合公式可見，碳化系數(shù)k隨陶粒摻量增加而遞減，說明全輕及次輕骨料混凝土的抗碳化性優(yōu)于NC，且隨陶粒摻量減少，碳化系數(shù)愈接近于NC，說明抗碳化能力愈接近于NC。對表6中碳化系數(shù)k與陶粒摻量p相關關系進行擬合，得到關于陶粒摻量的碳化深度預測公式：

表6 混凝土碳化深度與時間的關系擬合結(jié)果Table 6 Fitting results between carbonation depth andage of concrete

4 結(jié) 論

采用絕對體積法配制全輕骨料混凝土(All-Light Weight Aggregate Concrete，ALWAC)和次輕骨料混凝土(Sub-Light Weight Aggregate Concrete，SLWAC)，同時與普通混凝土(Normal Concrete，NC)比對，對其抗碳化特性進行快速碳化試驗研究，得到如下結(jié)論：

(1)輕骨料摻入混凝土中能發(fā)揮吸返水效應，在材料內(nèi)部有效形成內(nèi)養(yǎng)護效果，致使輕骨料周圍水泥石日趨密實，阻礙CO2侵入試件內(nèi)部，且輕骨料混凝土水泥相對用量較高、水膠比小，造成全輕與次輕骨料混凝土抗碳化性優(yōu)于普通混凝土。

(2)各混凝土試件碳化深度隨時間增長而增加，而碳化速率顯著降低；根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)，建立了基于陶粒摻量的輕骨料混凝土碳化深度預測模型，擬合效果較好。

(3)采用MIP壓汞法分析碳化前后典型試樣微結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明碳化后混凝土孔隙率明顯降低，NC試樣孔隙率由14.36%下降至13.53%，ALWAC試樣孔隙率由30.33%下降至28.70%，定量說明了碳元素入侵造成混凝土大量孔隙被填充細化，與水泥水化產(chǎn)物反應生成CaCO3，孔隙率、孔徑減小，密實度增加。