摘要
空气中的CO2进入混凝土内部，与混凝土中的碱性物质和水分发生反应，生成碳酸盐，使混凝土内部液相碱度降低，被称作“混凝土的碳化反应”，简称“碳化”。碳化会导致钢筋混凝土内部钢筋表面的钝化膜破坏，钢筋发生腐蚀，进而造成钢筋混凝土力学性能和耐久性能的劣化，严重影响钢筋混凝土的服役寿命。 空气中CO2无处不在，混凝土的碳化不可避免。而随着工业的发展，大气中CO2的浓度在逐年上升，将使混凝土的碳化问题日益加剧。混凝土中的可碳化物质来源于硬化水泥浆体，而作为硬化水泥浆体主要物相的氢氧化钙和水化硅酸钙（C-S-H），在碳化时不仅带来碱度下降的问题，还会造成孔隙率及浆体体积变化，为整个结构的体积稳定性带来十分不利的影响。长期以来，关于碳化对水泥基胶凝材料硬化浆体孔隙率及浆体体积变化的影响规律，开展的研究工作十分有限，未有统一的表述。因此，利用现代测试技术，深入开展这方面的研究工作，具有十分重要的理论与实践价值。 本文首先利用自行设计组装的碳化循环装置进行了碳化循环测试，初步探讨水胶比对纯硅酸盐水泥硬化浆体的碳化的影响，重点通过真密度分析仪考查其体积变化，通过pH计跟踪浆体碳化反应后浸出液的碱度变化，同时通过XRD与SEM分析其产生不同变化的原因。结果显示：1）在前24h的碳化循环中，硬化浆体的体积随碳化循环次数的增加而增大，且水胶比越大，经过24h碳化循环后的硬化浆体的体积增大越多；2）再进一步持续碳化时，硬化浆体的体积变化呈先增大后减小的变化规律，但28d时仍表现为体积“膨胀”；3）硬化浆体浸出液的pH值随碳化循环次数的增加及碳化时间的延长而降低，且同一碳化时间情况下，水胶比大的浆体的浸出液其pH值更低。从XRD图谱可以看出，对于养护龄期为28d的硬化浆体来说，随着水胶比的增大，硬化浆体中的Ca(OH)2含量增加。这主要是由于水胶比大的浆体中水泥的水化更充分所致。水泥硬化浆体碳化后的主要物相为方解石和球霰石两种晶型的碳酸钙。而碳酸钙相不仅来源于Ca(OH)2的碳化，还会因C-S-H凝胶被碳化而产生。SEM图像显示，水胶比为0.5的水泥浆体中方解石的尺寸比水胶比为0.3者更粗大，这一现象很好地解释了“水胶灰越大，经过24h碳化循环后的硬化浆体的体积增大越多”的原因之所在。 本文探究了粉煤灰、矿渣粉和硅灰三种矿物掺合料在单掺情况下对水泥硬化浆体碳化的影响。试验结果表明，掺加这三种矿物掺合料均会使硬化浆体碳化后的体积膨胀量有所减小。其中，1）掺加粉煤灰的硬化浆体在碳化循环24h内的体积膨胀量先增大后减小，且在同一碳化时间，掺量较大者体积变化较小；2）掺加矿渣粉的硬化浆体在碳化循环24h内的体积膨胀量持续增加，且掺量越低，膨胀量越大，继续进行碳化时，其体积较为稳定；3）掺加硅灰的硬化浆体在碳化循环24h内的体积变化与纯硅酸盐水泥硬化浆体的变化相似，且当碳化作用不断进行时，其体积最终向膨胀量减小的方向发展，而出现膨胀量减小的时间随硅灰掺量的减小有所延迟。碳化后硬化浆体浸出液pH值的测试结果显示：1）掺加这三种矿物掺合料均会使碳化后硬化浆体浸出液的pH值降低，且随着矿物掺合料掺量的增加，pH值下降幅度更大；2）掺量相同的情况下，掺加矿渣粉的硬化浆体碳化后浸出液的pH值最大，说明掺加矿渣粉的硬化浆体的抗中性化能力较好，这主要与矿渣粉的化学组成有关。从XRD图谱可以看出，水胶比为0.5情况下，养护龄期为28d的硬化浆体内Ca(OH)2的含量随矿物掺合料掺量的增加而减少。这主要是由于掺加矿物掺合料的浆体中的Ca(OH)2既是水泥水化的重要产物之一，又是矿物掺合料发生火山灰反应的重要原料而参与火山灰反应被作用掉一部分。矿物掺合料掺量为20%时，矿渣粉的火山灰效应影响系数最大。试验还发现，C-S-H凝胶在碳化程度较低时体积膨胀，而在碳化程度较高时其体积缩小是硬化浆体体积产生变化的原因之一。SEM图像显示，方解石通常穿插在C-S-H凝胶中，或覆盖在C-S-H凝胶表面，其尺寸大小与矿物掺合料的种类有关。
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