碳化對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響研究★

齊廣政 元成方 牛荻濤

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 3.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)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(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響研究★

齊廣政1元成方2牛荻濤3

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 3.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

對(duì)不同水膠比和摻加粉煤灰的混凝土進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，使用電鏡掃描、壓汞測(cè)試手段，對(duì)混凝土微觀形貌、孔結(jié)構(gòu)、孔級(jí)配進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：水膠比是混凝土微觀結(jié)構(gòu)的決定因素，低水膠比混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加致密；碳化雖然降低了混凝土孔隙率，但會(huì)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(zhì)更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，不利于混凝土耐久性。

碳化，混凝土，孔結(jié)構(gòu)，電鏡掃描，壓汞

0 引言

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

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著服役期的增長(zhǎng)，混凝土?xí)饾u發(fā)生碳化，失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，從而影響結(jié)構(gòu)抗力和耐久性[8.9]。混凝土的碳化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生重大影響[10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳化后混凝土宏觀性能進(jìn)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(jié)構(gòu)決定宏觀性能，對(duì)碳化后混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，可以從根本上揭示碳化和對(duì)混凝土宏觀性能產(chǎn)生影響的機(jī)理。本文使用電鏡掃描、壓汞等測(cè)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(jié)構(gòu)、孔級(jí)配的變化規(guī)律，為混凝土耐久性研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

水泥：陜西秦嶺水泥廠產(chǎn)P.O42.5R普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：渭河電廠產(chǎn)Ⅱ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料：灞河中砂，細(xì)度模數(shù)2.7；粗骨料：石灰?guī)r質(zhì)錘破碎石，無(wú)針片狀顆粒，粒徑5 mm～20 mm，壓碎指標(biāo)6%；添加劑：西安紅旗外加劑廠GJ-1高效減水劑；水：普通自來(lái)水。

共設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

快速碳化實(shí)驗(yàn)參照GB/T 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[14]進(jìn)行。混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，在標(biāo)準(zhǔn)條件(T=20 ℃±3 ℃，RH≥90%)下養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，然后移入碳化試驗(yàn)箱中(RH=70%±5%，T=20 ℃±3 ℃，CCO2=20%±3%)進(jìn)行快速碳化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為CCB-70W型混凝土碳化試驗(yàn)箱，碳化齡期28 d。

混凝土達(dá)到28 d碳化齡期后，取樣進(jìn)行電鏡掃描(SEM)測(cè)試和壓汞測(cè)試，試樣尺寸為5 mm～10 mm，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡和PoreMaste GT60型壓汞儀。

2 結(jié)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(jiàn)，增大水膠比后，蠕蟲(chóng)狀C—S—H凝膠和Ca(OH)2晶體等水化產(chǎn)物減少，混凝土孔結(jié)構(gòu)整體上變得疏松，孔數(shù)量多且孔徑尺寸大，孔徑可達(dá)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(wǎng)狀或粒狀CaCO3。對(duì)于低水膠比混凝土，雖然碳化反應(yīng)生成物CaCO3的體積較反應(yīng)物膨脹17%，堵塞了部分孔隙，但反應(yīng)過(guò)程中有H2O生成，揮發(fā)后留下細(xì)小孔洞，使得混凝土孔隙被細(xì)化。對(duì)于高水膠比混凝土，孔隙則被嚴(yán)重粗化，如圖2b)，2c)所示。粉煤灰混凝土的碳化產(chǎn)物膠結(jié)緊密，視域內(nèi)無(wú)大孔隙，出現(xiàn)大量微孔均勻分布于視域中，這是因?yàn)榉勖夯业奶畛湫?yīng)和二次水化，使孔的孔徑減小、分布均勻，以網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形式使混凝土更加細(xì)密。

同時(shí)，從圖2看出，碳化后混凝土中出現(xiàn)了微裂縫，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是碳化產(chǎn)物CaCO3主要在孔隙等無(wú)應(yīng)力區(qū)生長(zhǎng)，卻以消耗應(yīng)力區(qū)的水化產(chǎn)物為代價(jià)，且反應(yīng)過(guò)程生成大量水分，這會(huì)引起水泥石收縮，當(dāng)收縮受限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋。

2.2 混凝土孔隙結(jié)構(gòu)

孔隙率、臨界孔徑、最可幾孔徑是表征孔結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵的三個(gè)參數(shù)[15]，孔隙率即孔隙體積與試樣表觀體積之比，對(duì)混凝土耐久性和強(qiáng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表中-C表示加速碳化。

表2 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表2可以發(fā)現(xiàn)，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(shì)，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(duì)混凝土中不同尺寸孔隙進(jìn)行了分類：無(wú)害孔、少害孔、有害孔、多害孔，本文依此對(duì)試樣孔徑級(jí)配進(jìn)行整理得到試樣孔徑級(jí)配，見(jiàn)表3。

表3 試樣孔徑級(jí)配

對(duì)于0.35水膠比混凝土，碳化使得無(wú)害孔體積提高了，而多害孔體積降低了21.1%；當(dāng)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(shì)，以多害孔為例，體積增大了13.4%～90.1%。

2.3 機(jī)理分析

碳化使[14]和孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變化，這根本上是由碳化反應(yīng)決定的，反應(yīng)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(yīng)生成了CaCO3，體積膨脹約17%，使得混凝土孔隙率降低；其次反應(yīng)生成了大量的水，這些水揮發(fā)以后會(huì)產(chǎn)生大量的孔洞，這將極大的改變混凝土本身的孔隙結(jié)構(gòu)，使得混凝土中孔隙的連通性提高、曲折度降低，對(duì)水膠比較低的混凝土尤其如此。

3 結(jié)語(yǔ)

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(shì)。

2)碳化使低水膠比和添加粉煤灰的混凝土孔隙細(xì)化，使高水膠比混凝土孔隙粗化，并使混凝土中產(chǎn)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(jìn)入混凝土內(nèi)部。

[1]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土.北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

[2]李金玉,曹建國(guó).混凝土凍融破壞機(jī)理的研究.水利學(xué)報(bào),1999(1):41-49.

[3]喬伊夫.嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì).趙鐵軍，譯.北京：建材工業(yè)出版社，2010.

[4]羅斯坦姆·斯廷.CEB耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南.周 燕，邸小壇，譯.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989：5-6.

[5]陳立軍，王永平，尹新生，等.混凝土孔徑尺寸對(duì)其抗?jié)B性的影響.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2005，33(4)：500-505.

[6]D Manmohan, P K Mehta. Influence of pozzolanic, slag and chemical admixtures on pore size distribution and permrability of hardened cement pastes.Cement and Concrete Research,1981,3(1)：63-67.

[7]Katz. A. Z. ， Thomson A. H.. Prediction of rock electrical conductivity.1998.

[8]NRIGHT M P, FRANGOPOL D M. Probabilistic analysis of resistance degradation of Reinforced Concrete Bridge beam under corrosion.Journal of Engineering Structure,1998，20(11)：960-971.

[9]馮乃謙，邢 鋒.混凝土與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[10]牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測(cè).北京：科學(xué)出版社，2003.

[11]宋 華，牛荻濤，李春暉.礦物摻合料混凝土碳化性能試驗(yàn)研究.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2009，37(12)：2066-2070.

[12]阿茹罕，閻培渝.不同粉煤灰摻量混凝土的碳化特性.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2011，39(1)：7-12.

[13]金祖權(quán)，孫 偉，李秋義.碳化對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(8)：921-925.

[14]GB/T 50082—2009，普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn).

[15]趙鐵軍，朱金銓，馮乃謙.混凝土孔隙分析中的表征參數(shù).吳中偉院士從事科教工作六十年學(xué)術(shù)討論會(huì)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(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：50725824)

齊廣政(1988- )，男，碩士，研究實(shí)習(xí)員； 元成方(1983- )，男，博士，講師； 牛荻濤(1963- )，男，博士生導(dǎo)師，教授

TU528

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