超临界CO 2条件下混凝土界面过渡区微结构特征演变规律研究.pdf

收稿日期:基金项目:湖北省自然科学基金青年项目(C F B );国家级地方高校能源和环境材料化学学科创新引智基地项目(D );湖北省教育厅科学技术研究计划青年人才项目(Q )通信作者:徐港(),男,教授,博士,主要从事混凝土结构耐久性研究 E m a i l:p o s t x g c o mD O I:/j c n k i i s s n X 引用格式:鲍浩,李仁德,徐港,等超临界C O条件下混凝土界面过渡区微结构特征演变规律研究J三峡大学学报(自然科学版),():超临界C O条件下混凝土界面过渡区微结构特征演变规律研究鲍浩,李仁德徐港,郑昭然(防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学),湖北 宜昌 ;三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 )摘要:为研究粉煤灰混凝土在超临界碳化前后界面过渡区(i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o nz o n e,I T Z)微结构的演变规律,采用扫描电镜对碳化前后I T Z附近的微观形貌进行了分析,同时构建了I T Z和水泥砂浆的孔隙率与压痕模量的关系模型通过纳米压痕试验测得I T Z和水泥砂浆的压痕模量,并通过压汞试验测得水泥砂浆的孔隙率,推导出了I T Z的孔隙率研究结果表明:经过超临界碳化处理后,粉煤灰混凝土界面过渡区变得更加密实此外,超临界碳化前I T Z孔隙率范围为 ,碳化后I T Z孔隙率范围为 ,相比前者减少了 关键词:粉煤灰混凝土;界面过渡区;超临界C O;微结构特征中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:X()S t u d yo nt h eE v o l u t i o no fM i c r o s t r u c t u r a lC h a r a c t e r i s t i c so fC o n c r e t eI n t e r f a c i a lT r a n s i t i o nZ o n eU n d e rS u p e r c r i t i c a lC OC o n d i t i o n sB AO H a o,L IR e n d eXUG a n g,Z HE N GZ h a o r a n(H u b e iK e y L a b o r a t o r yo fD i s a s t e rP r e v e n t i o na n d M i t i g a t i o n,C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v,Y i c h a n g ,C h i n a;C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g&A r c h i t e c t u r e,C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v,Y i c h a n g ,C h i n a)A b s t r a c t T h ep u r p o s eo f t h i ss t u d yw a st oi n v e s t i g a t et h ee v o l u t i o no f t h em i c r o s t r u c t u r eo f t h e i n t e r f a c i a lt r a n s i t i o nz o n e(I T Z)i nf l ya s hc o n c r e t eb e f o r ea n da f t e rs u p e r c r i t i c a lc a r b o n a t i o n S c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yw a su s e dt oa n a l y z e t h em i c r o s t r u c t u r en e a r t h e I T Zb e f o r ea n da f t e rc a r b o n a t i o n Ar e l a t i o n s h i pm o d e lb e t w e e nt h ep o r o s i t ya n di n d e n t a t i o nm o d u l u so ft h eI T Za n dc e m e n tm o r t a rw a sc o n s t r u c t e d T h ep o r o s i t yo f t h eI T Z w a sd e r i v e df r o mt h ei n d e n t a t i o n m o d u l u so ft h eI T Za n dc e m e n tm o r t a ro b t a i n e db yn a n o s c a l ei n d e n t a t i o n t e s t i n g a n d t h e p o r o s i t y o ft h e c e m e n t m o r t a r o b t a i n e d b y m e r c u r yi n t r u s i o np o r o s i m e t r y T h er e s u l t ss h o wt h a t t h e I T Zo f f l ya s hc o n c r e t eb e c o m e sd e n s e r a f t e r s u p e r c r i t i c a l c a r b o n a t i o nt r e a t m e n t I na d d i t i o n,t h ep o r o s i t yr a n g eo ft h eI T Z b e f o r ec a r b o n a t i o ni s t o,w h i l ea f t e rc a r b o n a t i o n,i t i s t o C o m p a r e dw i t hb e f o r ec a r b o n a t i o n,t h ep o r o s i t yo f t h e I T Za f t e r c a r b o n a t i o nd e c r e a s e sb y t o K e y w o r d s f l ya s hc o n c r e t e;i n t e r f a c e t r a n s i t i o nz o n e;s u p e r c r i t i c a lC O;m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s第 卷第期 年 月三峡大学学报(自然科学版)Jo fC h i n aT h r e eG o r g e sU n i v(N a t u r a lS c i e n c e s)V o l N o D e c 国内外学者围绕超临界C O条件下水泥基材料性能演化规律展开了一定的研究 ,王海洋等通过对水泥基材料进行超临界碳化试验,结果表明经过超临界碳化处理的水泥基材料透水性能降低,耐久性提高;U r b o n a s等展开超临界C O对不同碱度水泥浆体性能的研究,证明了高碱度水泥基材料的碳化速率较慢 S a n t o s等研究超临界碳化条件下植物纤维对水泥基耐久性的影响,结果表明植物纤维可以改善水泥基的耐久性综上所述,虽然相关学者针对超临界C O条件下水泥基材料性能的影响因素展开了相关的研究,但界面过渡区(i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o nz o n e,I T Z)对混凝土材料碳化性能影响的研究存在不足 ,因为I T Z区域具有低密度、高孔隙、结构复杂等特征,被认为是混凝土内部薄弱的区域,对混凝土的强度、变形性能和耐久性有着重要的影响 B a o等研究了水胶比对超临界碳化作用下界面过渡区的影响,表明水胶比的增加会增大界面过渡区的厚度,在超临界碳化作用下界面过渡区的厚度从 m降低至 m;但因为粉煤灰水泥基材料具有良好的抗渗性能以及和易性等优点 ,在混凝土中掺加粉煤灰可能改善界面过渡区的性能,为此本文展开粉煤灰掺量对超临界碳化作用下界面过渡区影响的研究,对比分析超临界碳化前后界面过渡区的差异;通过压汞试验测量I T Z附近掺粉煤灰水泥基体的孔隙率,并结合纳米压痕得出I T Z和水泥砂浆的弹性模量建立关系模型,进而估测I T Z的孔隙率范围,以期为细观尺度上的水泥基材料数值模拟提供参考 试验材料与方法 试验材料原材料中水泥采用华新PO 普通硅酸盐水泥,粉煤灰为大唐电厂生产的级粉煤灰,细骨料为中砂,细度模数为 ,受扫描电镜试验样品尺寸限制,不含粗骨料水泥砂浆配合比见表表水泥砂浆配合比编号水胶比粉煤灰含量/体积质量/(k gm)水泥粉煤灰水骨料C F A C F A C F A C F A 注:C F A 表示水胶比为 且粉煤灰掺量为 的试件,余同理为了研究超临界C O条件下粉煤灰砂浆界面过渡区演变规律,同时确保水泥砂浆在h后能够完全碳化 ,浇注边长为 mm的混凝土立方体试件,如图(a)所 示试 件 的 水 泥 砂 浆 层 设 计 厚 度 为mm,如图(b)所示因此,在浇注前将骨料切割并抛光为边长为mm的立方体,并选择网格尺寸为 mm的橡胶模具,将处理过的立方体骨料置于模具中间,确保只有骨料的底面与模具接触共浇注了个试样,其中个试样进行超临界碳化处理将浇筑成型的试件脱模并置于养护室中 d 养护温度和相对湿度分别设定为 和 设定水胶比为,粉煤灰掺量分别为、和 图试件样品示意图 试验方法 超临界碳化试验采用闭合循环碳化系统对养护完成的试件进行超临界碳化试验,试验前,将试件放置到反应釜内并对密封好的反应釜抽真空,如图(a)、(b)所示通过增压泵将气体瓶中的C O注入反应釜,直到反应釜达到设计的压力和温度,即 MP a和,反应釜内压力和温度由加热器和冷水机组调节和控制超临界碳化试验完成后,通过增压泵将C O从反应釜驱动并注入到气瓶中,将碳化后的试件从反应釜中取出总碳化时间为 h,超临界碳化时间为h将部分碳化后的混凝土试件切成两半,在切口处喷洒酚酞溶液后不显紫红色,以确定试件是否完全被碳化,如图(c)所示图制备混凝土超临界碳化样品 试件超临界碳化前后的微观测试将完成超临界碳化和未碳化的试件的测试面 见图(b)抛光打磨成镜面,采用英国MML公司生产的纳米压痕仪进行纳米压痕试验,测量超临界碳化前第 卷第期鲍浩,等超临界C O条件下混凝土界面过渡区微结构特征演变规律研究后骨料和水泥砂浆附近区域的压痕模量分布;每个测试点的最大载荷和恒定加载速度分别为mN和 mN/m i n,在达到最大载荷后保持s,然后以 mN/m i n的速度卸载对完成纳米压痕测试的试件进行破型,选取受扰动小的样品采用扫描电子显微镜观测碳化前后细骨料和水泥基体附近区域的微观形貌采用A u t o P o r e I V 压汞仪测量不同配合比的水泥砂浆超临界碳化前后的孔隙率 超临界C O条件下试验结果与分析 I T Z的微观结构演变规律为了探究超临界C O条件下界面过渡区的微观结构变化规律,对碳化前后的细骨料和水泥基体附近区域进行扫描电镜试验不同粉煤灰掺量的样品超临界碳化前后微观形貌如图所示,左侧和右侧分别为样品放大 倍和 倍的微观形貌,骨料表面基本均匀,而水泥基体微观形貌不均匀,水化产物复杂,并且掺入粉煤灰的样品可以明显看出球形颗粒状的粉煤灰 粉煤灰的掺入可以节省水泥的用量,并且二次水化生成的产物改善了混凝土的内部结构,让混凝土更加密实 图不同粉煤灰掺量砂浆的S EM图像此外,图所示超临界碳化后骨料与水泥基体之间的微裂缝宽度减小,整体微观结构相对更加致密,超临界碳化前混凝土界面中含有较多的片状氢氧化钙和针状或无定形状的水化硅酸钙,在超临界碳化过程中,生成大量颗粒状碳酸钙,孔隙被填充,孔隙率降低尽管对砂浆进行了超临界碳化处理,但碳化后I T Z在混凝土中仍然是一个薄弱区 I T Z的压痕模量分布规律采用纳米压痕试验得到超临界碳化前后骨料和水泥砂浆附近区域的平均压痕模量分布 ,见表 表水泥砂浆附近区域的压痕模量平均值(单位:G P a)组别编号砂浆压痕模量I T Z压痕模量碳化前C F A C F A C F A C F A 碳化后C F A C F A C F A C F A 由表可知,超临界碳化前后每组试样中水泥砂浆的压痕模量是对应I T Z压痕模量的 倍;超 临 界 碳 化 后 水 泥 砂 浆 的 压 痕 模 量 增 加 了 ,I T Z的压痕模量增加了 粉煤灰掺量对I T Z的压痕模量分布影响规律不明显,这可能与I T Z的宽度比较小,粉煤灰掺量的变化对I T Z的力学性能影响可能不够显著;其次,粉煤灰掺量不足以显著改变I T Z的组分,粉煤灰掺量对I T Z微结构的影响不明显;此外,常用的压痕模量测试方法可能只能测量I T Z中的平均力学性能,无法捕捉到微观尺度的变化因此,即使粉煤灰的掺量对I T Z组分和微结构有一定影响,也可能难以通过常规试验方法检测出来 I T Z孔隙率的评估方法为了厘清超临界C O条件下I T Z的孔隙率变化规律,首先利用压汞试验测量水泥砂浆碳化前后的孔隙率,构建I T Z和水泥砂浆的孔隙率与压痕模量的关系模型,将纳米压痕试验测得的I T Z和水泥砂浆的压痕模量及压汞试验测得水泥砂浆的孔隙率代入到关系模型中,推导出I T Z孔隙率的计算公式水泥砂浆压汞试验得到的累计压汞量与孔径(直径)的关系曲线如图所示,测得的超临界碳化前后水泥浆体的孔隙率见表超临界碳化后水泥砂浆的孔隙率降低了 表水泥浆体的孔隙率(单位:)编号碳化前孔隙率碳化后孔隙率降低率C F A C F A C F A 三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 月图累计压汞量与孔径(直径)的关系曲线水泥砂浆和I T Z的压痕模量与弹性模量之间存在以下关系:Er(C P)C PEC PE()Er(I T Z)I T ZEI T ZE()式中:Er(C P)和Er(I T Z)分别为采用纳米压痕试验测得的水泥砂浆和I T Z的压痕模量;EC P和EI T Z分别为水泥砂浆和I T Z的弹性模量;C P和I T Z分别为水泥砂浆和I T Z的泊松比,取值范围为 ,本文假定C PI T Z;E、分别代表金刚石压头的弹性模量和泊松比,分别为 G P a和 相关学者得出多孔介质材料的孔隙率与弹性模量存在一定的关系,而水泥砂浆是一种多孔介质材料,因此采用公式()估算I T Z的孔隙率EI T ZEC P(nI T Z)()式中:nI T Z为I T Z的孔隙率估算值因此结合公式()()推导得到I T Z的孔隙率估算值计算公式:nI T ZEr(I T Z)(EEr(C P)(v)Er(C P)(EEr(I T Z)(v)()依据公式()估算超临界碳化前后混凝土I T Z的孔隙率,计算得到的I T Z孔隙率与试验得到的水泥砂浆孔隙率的对比如图所示 I T Z的孔隙率大于相应水泥砂浆的孔隙率,碳化前I T Z的孔隙率范围为 ,碳化后I T Z的孔隙率范围为 图粉煤灰混凝土I T Z孔隙率的估算 结论本研究采用超临界碳化试验,结合扫描电镜和纳米压痕技术对混凝土的界面过渡区进行了深入研究,结果表明:)经过超临界碳化处理后,粉煤灰可以填充混凝土骨料之间的孔隙,从而改善混凝土的密实性,这也从扫描电镜实验的微观结构变化中得到了佐证)建立了I T Z和水泥砂浆的孔隙率与压痕模量之间的关系模型,据此推导出了I T Z的孔隙率研究发现,超临界碳化前I T Z孔隙率在 之间,而碳化后在 之间,相比之下,孔隙率减少了 总之,超临界碳化处理可显著减少混凝土界面过渡区的孔隙率,从而有望提高混凝土的力学性能和耐久性参考文献:G A R C A GON Z L E ZCA,E LG R OUH N,H I D A L G OA,e ta l N e wi n s i g h t so nt h eu s eo fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e f o r t h ea c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o no fc e m e n tp a s t e sJ T h ej o u r n a lo fs u p e r c r i t i c a l f l u i d s,():S HOR T N R,B R OUGH AR,S E N E V I R A TN EA MG,e t a l P r e l i m i n a r y i n v e s t i g a t i o n so f t h ep h a s e c o m p o s i t i o na n df i n ep o r es t r u c t u r eo f s u p e r c r i t i c a l l yc a r b o n a 第 卷第期鲍浩,等超临界C O条件下混凝土界面过渡区微结构特征演变规律研究t e dc e m e n tp a s t e sJ J o u r n a lo f m a t e r i a l ss c i e n c e,():查晓雄,王海洋,冯甘霖超临界碳化对水泥基材料性能和孔径结构的影响J哈尔滨工业大学学报,():B AO H,YU M,CH IY,e t a l P e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fs t e e l p o l y p r o p y l e n eh y b r i df i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eu n d e rs u p e r c r i t i c a lc a r b o n a t i o nJ J o u r n a lo fb u i l d i n ge n g i n e e r i n g,:王海洋,查晓雄,徐期勇几种水泥基材料的渗透率及其超临界碳化的应用J土木建筑与环境工程,():UR B ONA SL,L E NO V,HE I N IDE f f e c to fc a r b o n a t i o ni ns u p e r c r i t i c a lC Oo nt h ep r o p e r t i e so fh a r d e n e dc e m e n tp a s t eo fd i f f e r e n t a l k a l i n i t yJ C o n s t r u c t i o na n db u i l d i n gm a t e r i a l s,:S AN T O SSF,S CHM I D TR,A LME I D A AEFS,e ta l S u p e r c r i t i c a lc a r b o n a t i o nt r e a t m e n to ne x t r u d e df i b r e c e m e n t r e i n f o r c e dw i t hv e g e t a b l ef i b r e sJ C e m e n ta n dc o n c r e t ec o m p o s i t e s,:Z HAXX,N I NGJQ,S AA F IM,e ta l E f f e c to fs u p e r c r i t i c a l c a r b o n a t i o no nt h es t r e n g t ha n dh e a v ym e t a lr e t e n t i o no fc e m e n t s o l i d i f i e df l ya s hJ C e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h,:郝晓玉,王卓粉煤灰对再生混凝土抗硫酸盐侵蚀及界面过渡区微观性能影响研究J混凝土,():L I J,J IYS,X UZS M i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o no f i n t e r f a c eb e t w e e n m a g n e s i u ma mm o n i u m p h o s p h a t ec e m e n ta n dp o r t l a n dc e m e n tu n d e rs u l p h a t ec o r r o s i o ne n v i r o n m e n tJ S a d h a n a,():WUK,S H IHS,X ULL,e t a l M i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i z a t i o no fI T Zi nb l e n d e dc e m e n tc o n c r e t e sa n di t sr e l a t i o nt ot r a n s p o r tp r o p e r t i e sJ C e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h,:雷斌,邹俊,扶名福,等混凝土I T Z性能及其对混凝土性能影响研究J混凝土,():B AO H,XUG,YU M,e t a l E v o l u t i o no f I T Za n d i t se f f e c to nt h ec a r b o n a t i o nd e p t ho f c o n c r e t eu n d e rs u p e r c r i t i c a lC Oc o n d i t i o nJ C e m e n ta n dc o n c r e t ec o m p o s i t e s,:刘玉琨,魏星蓉,董建华粉煤灰掺量对混凝土性能影响试验研究J粉煤灰综合利用,():罗小博,宋彧,郭启明,等粉煤灰掺量对混凝土力学性能影响的试验研究J混凝土,():,L I AOKY,CHAN GPK,P E N GYN,e t a l As t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r f a c i a lt r a n s i t i o nz o n ei nc o n c r e t eJ C e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h,():苏杰,董芸,杨华全骨料品种对混凝土界面孔结构的影响J混凝土,():B AO H,YU M,X U L H,e ta l E x p e r i m e n t a ls t u d ya n dm u l t i p h y s i c sm o d e l l i n go f c o n c r e t eu n d e r s u p e r c r i t i c a l c a r b o n a t i o nJ C o n s t r u c t i o na n db u i l d i n gm a t e r i a l s,:B AOH,YU M,L I UY,e t a l E x p e r i m e n t a l a n ds t a t i s t i c a l s t u d yo n t h e i r r e g u l a r i t yo f c a r b o n a t i o nd e p t ho f c e m e n tm o r t a ru n d e rs u p e r c r i t i c a l c o n d i t i o nJ C o n s t r u c t i o na n db u i l d i n gm a t e r i a l s,:裴新意,赵鹏,王尉和,等粉煤灰的微观形态及其在水泥水化中的特性J粉煤灰综合利用,():赵庆新,齐立剑,潘慧敏基于混凝土碳化耐久性的粉煤灰临界掺量J建筑材料学报,():何智海,钱春香,张异,等等强混凝土界面过渡区的纳米压痕表征J建筑材料学报,():陈思颖,雷冬,赵彬娜等混凝土界面过渡区弹性模量分布的数值模拟J混凝土,():郭耀华,丁红岩,张浦阳,等基于压汞试验的S A P混凝土孔结构特征J建筑材料学报,():江俊 达水 泥基 材 料微 观结 构 测试 与纳 米压 痕 表征D上海:上海交通大学,李明,蓝林刚,庞海燕,等基于纳米压痕方式测定P B X的弹性模量J含能材料,():KOV I KJ C o r r e l a t i o nb e t w e e ny o u n gsm o d u l u s a n dp o r o s i t y i np o r o u sm a t e r i a l sJ J o u r n a l o fm a t e r i a l s s c i e n c e l e t t e r s,():责任编辑马建平三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 月