碳酸化激活作用对GUL-GGBFS混合砂浆微观结构的改善：收缩减缓与强度提升

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Carbonation-activated microstructural refinement in GUL-GGBFS blended mortars: Shrinkage mitigation and strength enhancement

碳化养护下矿渣掺量对水泥基材料体积稳定性和力学性能的影响。通过研究0%-80%矿渣（GGBFS）替代石灰石水泥（GUL）的砂浆，发现中掺量（40%-60%）在加速碳化条件下可提升抗压强度达46.9%，同时减少收缩20.3%-7%。但高掺量（≥60%）导致孔隙结构破坏和裂纹形成，降低长期性能。碳化过程通过生成碳酸钙和方解石细化孔隙，但过量矿渣会抑制水化反应，减少Ca(OH)?缓冲能力，加速C-S-H分解。研究揭示了碳化养护与矿渣掺量的协同效应，为低碳混凝土开发提供理论依据。

　　碳中和混凝土的实现是应对全球气候变化和减少二氧化碳排放的重要课题。本文研究了使用高掺量粉煤灰（GGBFS）与普通石灰石水泥（GUL）混合的砂浆在干燥和加速碳化条件下的体积稳定性与微观结构变化。研究采用5种不同掺量的混合材料，包括0%、20%、40%、60%和80%的GGBFS替代GUL水泥，评估了28天至174天期间的宏观性能，如抗压强度和收缩率，并结合X射线衍射（XRD）、热重分析（TG）、X射线计算机断层扫描（XCT）和动态蒸汽吸附（DVS）等技术对材料的矿物组成和微观结构变化进行了深入分析。

### 抗压强度的变化

在干燥条件下，随着GGBFS掺量的增加，砂浆的抗压强度显著下降。例如，80% GGBFS替代的砂浆在28天时的抗压强度比0% GGBFS混合的砂浆降低了65.6%。然而，加速碳化条件对这种强度下降有明显的补偿作用。当GGBFS含量从0%增加到40%时，加速碳化条件下抗压强度提高了46.9%，这是由于碳酸钙和方解石的形成促进了孔隙结构的细化。这一结果表明，适当的GGBFS掺量可以在加速碳化过程中有效提升砂浆的强度，同时保持良好的体积稳定性。

然而，随着GGBFS含量继续增加至60%和80%，砂浆在118天时的抗压强度出现了下降趋势。这可能与加速碳化过程中氢氧化钙（Ca(OH)?）的消耗和C-S-H胶体的反应有关。一旦Ca(OH)?几乎耗尽，C-S-H胶体的反应速率加快，导致其含量减少，从而影响抗压强度。此外，XCT分析还显示，高GGBFS掺量的砂浆在碳化后出现了裂缝，这进一步削弱了其强度和耐久性。这些结果强调了在使用高掺量GGBFS时，需要特别关注其对碳化过程的反应特性，以确保材料的稳定性和耐久性。

### 收缩性能的变化

在干燥条件下，随着GGBFS掺量的增加，砂浆的收缩率呈现出复杂的变化趋势。研究发现，GGBFS掺量在20%至60%之间时，收缩率有所下降，而当掺量达到80%时，收缩率反而增加。这种现象可能与GGBFS的颗粒特性及其对水化反应的影响有关。高掺量的GGBFS颗粒较粗，表面活性较低，导致早期水化反应受限，从而增加了自由水的蒸发量，进而增加了收缩率。此外，GGBFS的掺入还可能减少C-S-H和AFt等水化产物的生成，从而降低孔隙率，影响材料的体积稳定性。

在加速碳化条件下，砂浆的收缩率进一步增加，但GGBFS的掺入在一定程度上缓解了这种现象。研究发现，掺入40%至80%的GGBFS可以将碳化引起的收缩减少20.3%。这表明，虽然加速碳化会促进收缩，但GGBFS的掺入可以通过减少氢氧化钙的含量，降低碳化反应的体积变化，从而改善体积稳定性。此外，XCT分析还显示，高GGBFS掺量的砂浆在碳化过程中形成了裂缝，这可能是收缩率增加的一个重要因素。

### 质量变化与碳化效率

在干燥和加速碳化条件下，砂浆的质量变化也受到GGBFS掺量的影响。干燥阶段的质量损失在不同GGBFS掺量下呈现出一定的差异，而加速碳化阶段的质量变化则主要由碳酸钙的形成引起。研究发现，加速碳化过程中，GGBFS掺量越高，质量增加越显著，这表明更多的二氧化碳被吸收并转化为稳定的碳酸盐。同时，TG分析显示，随着碳化时间的延长，氢氧化钙的含量逐渐减少，而碳酸盐的含量显著增加，这进一步验证了碳化反应的有效性。

### 矿物相的转变

XRD分析揭示了碳化过程中矿物相的变化。在28天时，所有混合砂浆中均检测到了方解石和菱镁矿，这些碳酸盐的形成表明碳化反应已经发生。随着碳化时间的延长，氢氧化钙的含量逐渐减少，而碳酸盐的含量显著增加。这表明，在碳化过程中，氢氧化钙与二氧化碳发生了反应，形成了更多的碳酸盐。同时，GGBFS的掺入促进了更多的碳酸盐生成，这是由于其与氢氧化钙的火山灰反应以及更高的镁含量，导致了更多的方解石和菱镁矿的形成。

### 孔隙结构的变化

DVS和XCT分析进一步揭示了碳化过程中孔隙结构的变化。在干燥和加速碳化条件下，砂浆的孔隙率呈现出不同的变化趋势。对于掺入0%至40% GGBFS的砂浆，孔隙率随着碳化时间的延长而显著降低，这表明碳化过程有效密实了孔隙结构。然而，对于掺入60%和80% GGBFS的砂浆，孔隙率在28天至90天期间出现了显著的下降，但随后又有所回升。这可能是由于高掺量的GGBFS在干燥阶段已经发生了部分碳化，导致孔隙被填充，从而减少了孔隙率。然而，随着碳化反应的进行，氢氧化钙的减少可能促进了菱镁矿的溶解，进而影响了孔隙结构的稳定性。

### 碳化对材料性能的影响

加速碳化不仅提高了砂浆的抗压强度，还显著增加了碳化深度和碳化率。研究发现，加速碳化条件下的碳化率比干燥条件下的碳化率高出数倍，这表明在高二氧化碳浓度下，碳化反应更为迅速。此外，碳化过程中形成的碳酸盐有助于提高砂浆的体积稳定性，通过减少孔隙率和限制二氧化碳的进一步渗透。然而，高掺量的GGBFS在加速碳化过程中也可能导致裂缝的形成，这会影响材料的耐久性。

### 结论与展望

本研究通过系统的实验和分析，揭示了高掺量GGBFS砂浆在干燥和加速碳化条件下的体积稳定性和微观结构变化。结果表明，适度的GGBFS掺量（如40%）可以在不显著降低抗压强度的情况下有效减少收缩率，从而提高材料的体积稳定性。然而，过高的GGBFS掺量（如60%和80%）可能会导致碳化过程中裂缝的形成，进而影响材料的强度和耐久性。因此，在实际应用中，需要根据具体的工程需求和环境条件，合理选择GGBFS的掺量，以实现最佳的碳中和效果和材料性能。

此外，本研究的结果为低碳混凝土材料的开发提供了重要的理论支持。通过结合加速碳化技术和高掺量GGBFS的使用，可以有效减少混凝土的碳足迹，同时保持其结构性能。然而，为了进一步优化这种材料，还需要深入研究其在不同环境条件下的反应机制，以及如何通过材料改性和工艺调整来减少碳化引起的体积变化和裂缝的形成。未来的研究可以探索更多类型的低碳材料，以及它们在碳化过程中的行为，以推动更加可持续的混凝土技术的发展。