轻骨料混凝土抗碳化性能及微结构分析

姚韦靖，庞建勇，刘雨姗

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001； 3.安徽理工大学 土木工程博士后流动站，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

混凝土结构在服役过程中与大气CO2发生碳化反应导致材料内部碱度降低，破坏钢筋表面在高碱度环境中形成的钝化膜，使得材料内部结合氯离子转化为自由氯离子，甚至引起收缩变形，影响结构体积稳定性，进而降低混凝土结构使用寿命，是影响结构耐久性的重要方面[1-2]。

轻骨料混凝土(Light Weight Aggregate Concrete，LWAC)相较于普通骨料混凝土，具有相对强度高、重度小、保温隔热、耐久、抗冻、工程造价低等综合优势，广泛应用于高层建筑、桥梁等工程实践中，而不同轻骨料在密度、型状和表面形态等方面差异明显，造成轻骨料混凝土碳化反应过程更为复杂[3-4]。为此，轻骨料混凝土抗碳化性一直存在争议：一方面，多孔轻骨料使得CO2易于在骨料孔隙中扩散，当混凝土保护层厚度不足或质量较低时，这些孔隙甚至搭建起连接混凝土表面和钢筋的“桥梁”，而普通骨料密实度较高、渗透率较低，导致同水灰比的普通混凝土比轻骨料混凝土抗碳化性佳[5]，相关研究显示轻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，轻骨料混凝土与同等强度普通混凝土相比，水泥相对用量较高、水灰比较低，导致砂浆密实度和可碳化物质含量均较高，使轻骨料混凝土抗碳化性优于普通混凝土[7]，此外，轻骨料独有的吸返水特性能够改善骨料水泥石过渡区界面结构，促进矿物掺和料二次水化反应，形成特有的内养护效果[8-9]，进而抑制CO2扩散，延缓碳化反应进程。为此，开展轻骨料混凝土抗碳化规律研究显得尤为必要。

快速碳化试验是探究混凝土碳化耐久性的常用手段，学者们大多考虑水泥品种、水灰比、骨料、温湿度、应力状态等多种因素对碳化深度的影响，讨论各因素影响顺序、权重，并最终建立预测数学模型[10-12]，但对碳化后混凝土微结构变化却少有关注，而材料宏观性能与微观结构密切相关。为此，本文配制全轻及次轻陶粒轻骨料混凝土，并与普通混凝土比对，探讨其抗碳化规律，建立碳化深度预测模型，利用压汞法(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)分析材料内部微观孔结构变化，从宏观和细微观角度探究轻骨料混凝土抗碳化机理。

2 室内加速碳化试验

2.1 原材料

水泥采用淮南八公山牌P·C 42.5级复合硅酸盐水泥，其3 d和28 d抗压强度分别为29.9 MPa和47.7 MPa；粉煤灰为淮南平圩电厂产Ⅰ级粉煤灰，可有效提升工作性能、优化水泥水化条件、提高后期强度[13]，其化学成分含量见表1；细骨料采用中砂，细度模数2.8；轻骨料为页岩陶粒，粒径5～10 mm，基本性能参数见表2；粗骨料为石灰质碎石，粒径5～15 mm连续级配；外加剂为陕西秦奋建材产HPWR型高性能减水剂。

表1 粉煤灰化学成分组成Table 1 Chemical composition of fly ash %

表2 页岩陶粒性能指标Table 2 Performance indexes of shale ceramsite

页岩陶粒是一种人造多孔轻骨料，图1所示为试验用页岩陶粒实拍、外壳、内核微观形貌。由图1可见其外表面呈粗陶状结构，肉眼可见开放状的孔和裂隙，剖开后内核为明显网络状结构，有部分封闭球状孔和连通形成通路的孔，且孔径较大。正是该种特殊的多孔结构，使得混凝土拌和物在新拌阶段，部分水泥浆体渗入轻骨料表面开孔微裂隙中，进入硬化阶段后，随水泥水化反应进程造成材料内部相对湿度降低，同时轻骨料内部存储的大量水分释放从而对周围水泥浆进行内养护，周围水泥石日趋密实和均匀[14-15]。

图1 页岩陶粒实拍与微观结构形貌Fig.1 Photo and microstructure morphology ofshale ceramsite

2.2 配合比设计

依据《普通混凝土配合比设计》(JGJ 55—2011)[16]和《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51—2002)[17]，采用绝对体积法设计普通混凝土(Normal Concrete，NC)、全轻骨料混凝土(All-light Weight Aggregate Concrete，ALWAC)和次轻骨料混凝土(Sub-light Weight Aggregate Concrete，SLWAC)，首先确定水泥用量、水胶比和体积砂率，然后利用绝对体积法计算粗细骨料用量。

经过实验室多次试配，确定胶凝材料用量468 kg/m3，体积砂率40%，粉煤灰掺量为水泥用量的10%，陶粒吸水处理后可有效提高内养护效果，故在配制混凝土前进行1 h吸水处理[18]，吸水率为9.5%～12.0%，经计算和试配相应调整水胶比以保持各组混凝土用水量一致。共设计5种混凝土：LC-100为全轻骨料混凝土；LC-75、LC-50、LC-25分别为采用陶粒取代碎石体积75%、50%和25%水平的次轻骨料混凝土；NC为普通混凝土。各组混凝土配合比见表3。

表3 各组混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete kg/m3

2.3 试验方法

试验前对陶粒轻骨料进行1 h吸水处理，将页岩陶粒、碎石、砂子、水泥、粉煤灰进行干拌和0.5 min，再加入水和减水剂，湿拌和2.5 min，形成混凝土拌和物，浇筑棱柱体试件，尺寸为400 mm×100 mm×100 mm(高×长×宽)，成型24 h后拆模，在标准养护条件下(相对湿度≥95%，温度(20±1) ℃)养护至28 d。

首先，测试各组混凝土试件的基本性能，包括抗压强度、抗拉强度、含水率和导热系数。使用长春试验机研究所产CSS-YAN3000压力机进行抗压、抗拉强度测试；将每组试块放入烘箱中，在105 ℃条件下烘烤，直至质量不再变化，视为完全干燥，记录此时质量m0，再将试块放入水箱中浸泡96 h取出，用湿布擦拭表面，使其表面不存在明水，但仍保持湿润状态，视为饱和状态，记录此时试块饱和质量m，计算含水率ρ=(m-m0)/m0[19]；使用沈阳电子设备有限公司产PDR300导热系数测定仪，采用双平板法测定混凝土试件导热系数。

然后，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[20]进行快速碳化试验，采用上海雷韵公司产BBC-70型混凝土碳化箱，设置CO2浓度(20±3)%，相对湿度(75±5)%，温度(20±2) ℃，碳化至3、7、14、28 d，测量碳化深度。

最后，选取NC和LC-100试样，挑选试件中暴露于外界的侧面作为碳化前后水泥石试样，作MIP压汞测试，采用美国麦克仪器公司产LV9510型压汞仪，定量分析28 d碳化前后，CO2侵入试件内部孔隙率、孔径分布和密实度情况。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土基本性能测试

对混凝土基本性能进行测试，结果见表4，从表4可得：

(1)ALWAC和SLWAC较NC表观密度小，ALWAC表观密度<1 750 kg/m3，满足轻质混凝土要求，随陶粒取代率减少，表观密度逐渐增加，坍落度、扩展度和工作性能随之提高。这是因为陶粒质轻，取代部分碎石粗骨料导致表观密度下降，且在配制混凝土前经预湿吸收大量水分，导致混凝土拌和物用水量减少，因而流动性降低，但28 d后材料内部含水率有较大提高，ALWAC含水率为5.29%，而NC仅有1.10%，形成内养护效果，有益于提高后期强度[18]。

(2)对于抗压、抗拉强度，ALWAC和SLWAC较NC强度低，随陶粒取代率减少，强度逐渐提高。这是因为陶粒本身筒压强度仅约3 MPa，远低于碎石强度，因而随取代率提高，宏观强度逐渐损失。

(3)对于导热系数，ALWAC和SLWAC较NC低，随陶粒取代率增加，保温隔热性能显著提高，说明陶粒特有的多孔结构，在材料内部有效延长热量传递路径，致使热量既在材料中传递又在空气中传播，而空气本身即为很好的隔热材料，导热系数仅为0.023 W/(m·K)[21]，从而增加能量耗散损失，提高隔热能力。

表4 各组混凝土基本性能测试结果Table 4 Basic performances of each groupof concrete

3.2 轻骨料混凝土碳化深度随时间变化规律

图2所示为不同快速碳化时间下各组混凝土碳化深度情况。

图2 混凝土碳化深度随时间变化规律Fig.2 Variation of carbonation depth of concretewith age

由图2可知：

(1)各试件碳化深度随碳化时间增加而逐渐增大，而碳化速率逐渐降低，3 d以内碳化速度最快，3 d—14 d碳化速度次之，14 d后碳化速度趋于平缓稳定。这是因为CO2与混凝土中Ca(OH)2和水化硅酸钙反应生成CaCO3，封堵混凝土内部孔隙，使CO2扩散通道受阻，碳化反应随时间增加而逐渐减弱。

(2)对于ALWAC和SLWAC，碳化深度显著低于NC，且随陶粒取代量增加碳化深度逐渐递减，在碳化龄期28 d时，LC-100、LC-75、LC-50、LC-25碳化深度分别为7.99、9.22、10.70、11.68 mm，NC碳化深度为12.25 mm，可见，本试验中轻骨料混凝土抗碳化性较普通混凝土优。这是因为轻骨料在材料内部发挥特有吸返水效应，形成内养护，轻骨料周围水泥石日趋密实，阻碍CO2渗入混凝土内部，此外，也与轻骨料混凝土水泥相对用量大、水胶比较低有关。

结合图3和图4可见，相同养护28 d的NC和LC-100试样，水泥胶凝材料的水化程度相差不大，但在骨料与水泥胶凝的界面区，NC试样中，粗骨料与水泥石间往往出现裂隙，这既是混凝土材料的薄弱处，也造成快速碳化试验中CO2的侵入；而LC-100试样中，陶粒与水泥石间往往形成“嵌套”界面区，随预湿陶粒在养护过程中不断释放水分，界面连接处水泥愈发致密，水泥胶凝填充于陶粒表面的孔洞或凹陷，既改变混凝土界面区薄弱的劣势，也能有效阻止CO2侵入[22-23]，因而产生轻骨料混凝土抗碳化性优于普通混凝土的试验现象。

图3 NC试样微观形貌Fig.3 Micro-structures of NC

图4 LC-100试样微观形貌Fig.4 Micro-structures of LC-100

3.3 微细观孔结构分析

混凝土作为一种结构材料，其内部孔结构分布与其抗碳化性能密切相关。为此，选取NC和LC-100水泥石试样作MIP压汞测试，定量分析28 d碳化前后试件内部孔隙率、孔径分布和密实度情况，结果见表5，孔径分布情况见图5和图6。图5、图6中的纵坐标V为孔隙体积，lgV为汞体积对数。

表5 试样孔隙特征参数Table 5 Characteristic parameters of pores in samples

图5 NC试样孔径分布情况Fig.5 Pore size distribution in NC

图6 LC-100试样孔径分布情况Fig.6 Pore size distribution in LC-100

由表5可得，LC-100试样碳化前的总孔隙体积为32.01 mL/g，平均孔径为23.10 nm，孔隙率为30.33%，而NC试样碳化前的总孔隙体积为17.80 mL/g，平均孔径为15.10 nm，孔隙率为14.36%。这说明疏松多孔的轻骨料掺入混凝土中导致水泥石孔隙增长，存储水分产生内养护效果。

快速碳化28 d后，试样总孔隙体积、平均孔径和孔隙率均有不同程度降低，NC试样孔隙率下降至13.53%，LC-100试件孔隙率下降至28.70%，表明经碳化后混凝土中大量孔隙被细化填充，孔径减小，孔隙率降低。

图5(a)和图6(a)分别定量分析了试样碳化前后孔径分布情况，可以看出2组试样经碳化试验后，d>30 nm的孔隙大量减小，d<10 nm的孔体积增长，且孔径越大，其汞体积对数越小。图5(b)和图6(b)分别定量显示了试样碳化前后累计孔隙体积分布情况，可见与孔径分布相对应，碳化后各试样累计孔隙体积相应减小，且孔径越大，累计孔隙体积越小。

造成上述现象的原因在于，CO2侵入混凝土试件内部与水泥水化产物Ca(OH)2以及水泥熟料中硅酸三钙、硅酸二钙等发生化学反应，产生大量CaCO3，填充细化大量孔隙，导致孔隙率降低，同时减缓CO2侵入速度，致使碳化速度降低，材料密实度增加，宏观表现为材料强度提高。这与相关研究的结论是一致的[24]。

3.4 碳化模型建立

目前，常用的混凝土碳化深度趋势公式为

(1)

式中：k为碳化系数；X为碳化深度(mm)；t为碳化时间(d)。其假定混凝土为各向同性连续介质材料，用稳态扩散理论模拟CO2扩散过程，得到学者们的广泛认可[25]。

对实测碳化深度数据进行拟合分析，如图7。

图7 混凝土碳化深度与时间拟合关系Fig.7 Fitting relations between carbonation depthand age of concrete

拟合结果见表6。由表6可见各拟合公式决定系数均>0.95，拟合效果较好。由各拟合公式可见，碳化系数k随陶粒掺量增加而递减，说明全轻及次轻骨料混凝土的抗碳化性优于NC，且随陶粒掺量减少，碳化系数愈接近于NC，说明抗碳化能力愈接近于NC。对表6中碳化系数k与陶粒掺量p相关关系进行拟合，得到关于陶粒掺量的碳化深度预测公式：

表6 混凝土碳化深度与时间的关系拟合结果Table 6 Fitting results between carbonation depth andage of concrete

4 结 论

采用绝对体积法配制全轻骨料混凝土(All-Light Weight Aggregate Concrete，ALWAC)和次轻骨料混凝土(Sub-Light Weight Aggregate Concrete，SLWAC)，同时与普通混凝土(Normal Concrete，NC)比对，对其抗碳化特性进行快速碳化试验研究，得到如下结论：

(1)轻骨料掺入混凝土中能发挥吸返水效应，在材料内部有效形成内养护效果，致使轻骨料周围水泥石日趋密实，阻碍CO2侵入试件内部，且轻骨料混凝土水泥相对用量较高、水胶比小，造成全轻与次轻骨料混凝土抗碳化性优于普通混凝土。

(2)各混凝土试件碳化深度随时间增长而增加，而碳化速率显著降低；根据试验实测数据，建立了基于陶粒掺量的轻骨料混凝土碳化深度预测模型，拟合效果较好。

(3)采用MIP压汞法分析碳化前后典型试样微结构变化，结果表明碳化后混凝土孔隙率明显降低，NC试样孔隙率由14.36%下降至13.53%，ALWAC试样孔隙率由30.33%下降至28.70%，定量说明了碳元素入侵造成混凝土大量孔隙被填充细化，与水泥水化产物反应生成CaCO3，孔隙率、孔径减小，密实度增加。