碳化对水泥石和砂浆的结构及砂浆渗透性的影响

碳化对水泥石和砂浆的结构及砂浆渗透性的影响

丁艳芬

佛山市三水区建筑工程质量检测站528100

摘要：本文利用压汞法、X射线衍射、电子显微镜扫描、渗透法初步探究碳化对水泥石和砂浆的结构及砂浆渗透性的影响，实验得出，由碳化形成的碳酸钙会积淀在水泥毛细孔中，继而将毛细孔堵塞，抑或将毛细孔分割成诸多小毛细孔，减少了水泥石与砂浆孔隙率，进一步细化了孔径，促使砂浆渗透性提高。

关键词：碳化；水泥石；砂浆；渗透性

碳化不仅会使混凝土结构中钢筋锈蚀，还会致使混凝土出现不可逆收缩，极易导致混凝土表面出现裂缝，因此，碳化的这种导致混凝土收缩的特征，定于水泥石结构及其孔隙结构的变化紧密相关。在碳化对混凝土结构及其内部孔隙结构的影响上，学术界较为统一的看法是会导致混凝土总孔隙率的减少，但在孔隙范围的影响上，不同学者有着不同的看法。既然碳化会导致混凝土孔隙率及孔径发生变化，那么它对水泥渗透性也会产生相关影响，但是在具体的影响上，不同学者的研究也有不尽相同的结果，例如，赵铁军在《碳化对混凝土渗透性及孔隙率的影响》一文中指出，碳化会显著降低混凝土渗透性，而方璟在《碳化对混凝土性能影响的研究》一文中，通过实验说明碳化会提高混凝土渗透性。笔者借助压汞法、x射线衍射、显微镜扫描等对碳化影响进行实验，探究碳化对混凝土砂浆渗透性的影响。

1、实验方法

1.1实验材料及配合比

选用P.O.32.5硅酸盐水泥，选用细度模数为2.5的粉煤灰中砂，水泥与粉煤灰配合比如表1所示，加水量以流动度等同于坍落度为50mm的混凝土砂浆、水泥流动度为依据，结合《水泥胶砂强度检测方法》与《水工混凝土试验规程》制成砂浆抗渗试件，温度条件为（20±1）℃，湿度条件为φ＞90%，经过28h的养护，选取部分试件，对其抗压强度与抗折强度进行测试，测试结果见表1，剩余试件用于碳化渗透试验。

试件

类别编号配合比抗压强度（RC/MPa）抗折强度

表1水泥浆与砂浆的配合比及其强度

1.2碳化

将试件置于干燥箱，温度在60℃以下，经过24h的干燥，并用试件将试件中5个面进行密封，剩余一个面不封，随后将其放入碳化试验箱，确保其中温度条件（20±3）℃，CO2体积分数为0.2±0.03，湿度条件（70±5）%，方可进行碳化。28d、56d后用含量为1%的酒精溶液对试件碳化深度进行测定。在完全碳化区与未完全碳化区选取部分试样，用锥子凿出，以备后续检测使用。按试样编号将碳化试样记作：P1C、P2C、M1C、M2C。在对抗渗试件进行碳化时，不对试件作蜂蜡处理，试件碳化深度借助整体试件碳化深度进行估计计算。为碳化试件，可作为对比试件，60℃以下的环境下，经过24h的干燥，在温度条件（20±2）℃，CO2体积分数为0.2±0.03，湿度条件（70±5）%的干燥室环境下进行碳化，直至碳化结束。

1.3渗透性试验

依据《水工混凝土试验规程》中的“水泥砂浆抗渗性试验”对碳化砂浆、碳化试样与其对比试样作抗渗性试验。

1.4结构分析

利用XRD对水泥石碳化过程相组成变化进行分析，并用压汞仪对其孔隙率、孔结构进行测定，用显微镜对试样结构变化做细致观察。

2、实验结果

2.1碳化深度

碳化28h后，对水泥石及砂浆试样碳化深度进行测定，得出结果如表2所示。从中可看出，水胶比在很大程度上影响了水泥石、砂浆碳化过程，主要由于碳化中CO2在水泥石中多是通过毛细孔扩散至内部，因此，水胶比与孔隙率呈正比增长，水胶比越大，孔隙率也越大，同时越容易碳化。在相同的碳化龄期，水泥石碳化深度小于砂浆碳化深入，主要因为砂浆中水泥浆含有CaO少。从表2来看，28d时M2的碳化深度为9.5mm，还未达到抗渗试件的二分之一，因此，将其碳化时间延长至56d，对其碳化深度测定后，其结果为15.5mm。

表2试件碳化深度

2.2碳化对砂浆抗渗性的影响

碳化前后记录下水泥砂浆抗渗性的相应变化，如图1所示，从中可以看出，碳化会增强砂浆抗渗性能，M1、M2的碳化前抗渗系数（MPa°h）分别为3.5与13.5，碳化后增至6.5与18.0。另外，水泥砂浆的透水性由水泥石孔隙率及其孔径决定，因此，碳化后增加的抗渗性系数，在某种程度上说明水泥石中的孔隙率在减小，或孔径变小。

图1碳化对砂浆抗渗性的影响

2.3碳化对砂浆孔结构的影响

P1、P2、M1、M2在碳化前后，孔隙率变化趋势如图2所示，从中可知，水泥石与水泥砂浆在碳化后其总空隙率都有所降低，同时孔隙分布变化也较为明显。一般而言，渗水应有较大毛细孔作为基础，碳化后孔隙率缩小、孔径变大，导致水泥石、砂浆渗透性减弱，即碳化后砂浆抗渗性变大。碳化后孔隙率的减小，孔径的细化，或许是因为碳化后形成的CaCO3沉淀在毛细孔中，进而分割大毛细孔所致。

水泥石砂浆

图2碳化前后水泥石、砂浆孔隙率随孔径的变化情况

2.4碳化对水泥石、砂浆显微结构的影响

碳化会使CO2与水泥中Ca(OH)2产生化学反应而生成CaCO3，进而导致孔隙中钙离子浓度减小，破坏原先平衡的离子浓度，更有甚之会使水泥水化产物进一步分解。以P1为例，碳化后Ca(OH)2消失，生成碳酸钙颗粒，这些颗粒沉积在毛细孔中，使得水泥石孔径细化。如图3所示为水泥石试样P1碳化前后的XRD谱。

图3水泥石试样P1碳化前后的XRD谱

通过SEM观察碳化前后试样变化，从结果来看，碳化后生成的碳酸钙会堵塞毛细孔，这是导致孔隙率减少、孔径细化的重要因素。水泥石若没有经过碳化，其中有很多不同大小的孔隙，一旦经过碳化，碳化中形成的细小的碳酸钙会堵塞填充入这些孔隙之中，这些碳酸钙在生成过程中会受到空间限制，因此其晶粒细小，均径在0.2µm左右。

碳化前后砂浆价格变化类似于水泥石，砂浆在碳化之前内部有很多孔隙，且孔隙中含有钙矾石，因此，孔隙填充度小，但经过碳化后，微小的碳酸钙颗粒依旧能填充这些孔隙，使得孔隙率减小，孔径细化。

结语：

碳化会导致水泥石、砂浆孔隙率减少、孔径减小细化，碳化过程中会形成大量微小的碳酸钙颗粒，这些碳酸钙颗粒会填充积淀在毛细孔中，并将原本大的毛细孔分割成很多小孔。碳化后，孔隙率的减少、孔径的细化会使得水泥石、砂浆渗透性减弱。

参考文献：

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