低胶凝材料土壤水泥（Soilcrete）的耐久性评估：碳化与硫酸盐侵蚀下的低碳胶凝体系研究

《Developments in the Built Environment》：Durability assessment of soilcrete with low carbon binders

　　

本研究探讨了土壤水泥（soilcrete）的耐久性，这是一种高孔隙率的胶凝性土基材料，其中掺入了低碳胶凝材料，包括高炉矿渣含量高的CEM III/C、CEM VI（熟料-矿渣-石灰石）以及CEM III/A-MK（熟料-矿渣-偏高岭土），并以不同胶凝材料掺量应用于粉质黏土中。由于其多孔的微观结构，土壤水泥对环境的敏感性高于传统混凝土。研究人员在加速条件下（0.4% CO2）评估了碳化作用，结果表明，增加胶凝材料掺量会同时提高可碳化相的含量并使微观结构致密化，从而对碳化动力学产生相互竞争的影响。富含矿渣的胶凝材料表现出更高的碳化系数，这与其较低的碱度和较低的缓冲能力一致。在富含硫酸盐或受污染的土壤中，熟料含量较低的胶凝材料表现出更好的抗硫酸盐侵蚀性能，这是因为熟料相中C3A的总体可用性较低；而当基质中已存在硫酸盐时，较高的胶凝材料掺量会增加膨胀。这些结果强调，土壤水泥的耐久性不能直接基于传统混凝土的行为来预测。

土壤水泥耐久性研究解读：低碳胶凝体系在碳化与硫酸盐侵蚀下的性能评估

一、研究背景与问题提出

土壤水泥（soilcrete）是一种将原位土与胶凝材料混合后形成的土基胶凝材料，广泛应用于挡土墙、防渗屏障、土体加固及污染场地处理等工程领域。与传统混凝土不同，土壤水泥的全部骨料组分由土体本身承担，其级配无法像常规骨料那样优化，加之原位施工要求浆体具备自密实性能，导致其水胶比通常为传统混凝土的三至四倍，这显著影响了胶凝材料的水化效率和力学性能发展。

随着低碳建筑理念的推广，采用低熟料含量胶凝材料成为降低土木工程碳排放的重要途径。欧盟标准EN 197-5引入了含至少35%熟料并复合硅铝质掺合料的三元低碳水泥，如熟料-矿渣-石灰石体系。然而，此类低碳胶凝材料在土-胶凝材料混合体系中的力学性能和耐久性研究仍十分匮乏。土壤水泥在服役期内长期与周围土体和地下水直接接触，可能遭受CO₂和硫酸盐离子的侵蚀。碳化会降低基体碱度，对含钢筋的加固体构成锈蚀风险；硫酸盐侵蚀则可能生成膨胀性产物（如钙矾石）导致开裂和强度损失。由于土壤水泥具有高孔隙率特征，其对环境侵蚀的敏感性远高于传统混凝土，因此系统评估低碳胶凝材料对土壤水泥碳化和硫酸盐耐久性的影响具有重要的工程意义。

二、研究内容与主要结论

本研究系统考察了四种商品胶凝材料——CEM I（纯熟料）、CEM III/C（15%熟料+85%矿渣）、CEM III/A-MK（46%熟料+40%矿渣+14%偏高岭土）和CEM VI（46%熟料+40%矿渣+14%石灰石）——在三种掺量（160、210、260 kg/m³）下对土壤水泥长期耐久性的影响。研究聚焦碳化和硫酸盐侵蚀两大耐久性机制，通过多种微观测试手段揭示胶凝材料组成对劣化过程的影响规律。

研究得出以下核心结论：在加速碳化条件下（0.4% CO₂），土壤水泥的碳化速率显著快于文献报道的传统混凝土，其碳化系数达2.99至5.07 mm·day^-1/2，而传统混凝土通常仅为0.16至0.26 mm·day^-1/2。增加胶凝材料掺量对所有体系均降低碳化系数，这是可碳化相增多与孔结构致密化共同作用的结果。矿渣含量高的CEM III/C表现出最高的碳化系数，与其较低的碱度和缓冲能力一致。碳化产物的晶型也受胶凝材料类型影响：CEM I体系中以方解石为主，而CEM III/C体系中同时检测到球霰石和文石，这与其较低的基体碱度相关。在硫酸盐侵蚀方面，采用内部（拌合水含25 g/L Na₂SO₄）与外部（浸泡于相同浓度溶液）复合暴露方式，CEM I体系在15天内即发生严重开裂和崩解，膨胀应变达5%；CEM VI在250天后膨胀达0.75%，而CEM III/C仅为0.05%。较高的胶凝材料掺量在硫酸盐已存在于基质中的情况下反而加剧膨胀。SEM-EDX分析确认了钙矾石在孔内的沉淀，CEM VI中钙矾石面积分数（1.19%）显著高于CEM III/C（0.25%）。值得注意的是，膨胀与抗压强度损失并非成比例关系，CEM VI虽膨胀较大但强度保留率反而高于CEM III/C。

三、关键技术方法

研究人员采用了多种表征手段：压汞法（MIP）测定等效孔径分布；水可进入孔隙率按NF P18-459标准测定；三轴渗透仪测定水力学传导系数；热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD）用于监测氢氧化钙含量变化及碳化产物晶型；酚酞指示剂法测定碳化深度；机械长度比较仪监测棱柱体试件的膨胀变形；扫描电子显微镜联用能谱分析（SEM-EDX）结合图像拼接技术，对硫酸盐暴露300天后的试样从表面至内部20 mm范围进行钙矾石分布成像与半定量分析。碳化试验在0.4% CO₂、25 °C、65%相对湿度的加速环境中进行，试件经180天水养护后预干燥30天。

四、结果与讨论

4.1 初始物理力学性能：MIP结果显示，CEM I体系大毛细孔（10 μm-50 nm）占比达43%，而CEM III/C仅为4.58%，CEM III/A-MK为7.60%，CEM VI为15.92%。在160 kg/m³掺量下，CEM I抗压强度仅5.3 MPa，而CEM III/C、CEM VI和CEM III/A-MK分别达14.8、9.8和12.0 MPa，表明矿渣和偏高岭土提供的活性Si和Al促进了C-A-S-H型水化产物生成，细化了孔结构。

4.2 水养护期间氢氧化钙的演变：DTG和XRD分析表明，仅CEM I体系在28天时检测到氢氧化钙，180天后所有体系中均未检出明显的氢氧化钙衍射峰，但其消耗量因与黏土矿物脱羟基峰重叠而无法准确定量。

4.3 碳化：碳化深度与时间平方根呈线性关系，符合菲克扩散定律。CEM III/C碳化系数最高（210 kg/m³时为4.17 mm·day^-1/2），CEM I最低（2.99 mm·day^-1/2）。TGA显示碳化后CaCO₃分解峰增大，水化产物分解峰减弱，表明C-(A)-S-H发生脱钙。碳化系数与最大潜在可碳化CaO含量的关系分析表明，仅凭该指标无法完全解释碳化动力学差异，基体碱度和缓冲能力同样重要。

4.4 硫酸盐侵蚀：CEM I体系因C₃A含量高（占胶凝材料质量8.5%）而迅速劣化。CEM VI的膨胀显著大于CEM III/C，与其较高的熟料衍生C₃A含量（4.14%对1.46%）一致。SEM-EDX确认钙矾石在孔内沉淀，CEM VI中钙矾石分布贯穿整个20 mm观察深度，而CEM III/C主要集中在表面10 mm范围内。抗压强度比（fc_sulfate/fc_water）表明，CEM I在250天后仅保留18%-24%的强度，而CEM III/C保留75%-89%，CEM VI保留78%-90%。

五、结论与讨论

研究证实，土壤水泥的耐久性不能基于传统混凝土行为直接预测。其高孔隙率加速了CO₂传输，而土-胶凝材料相互作用进一步增加了体系的复杂性。胶凝材料组成对碳化速率和产物晶型有决定性影响，矿渣富集体系碳化更快但碳化产物中球霰石和文石比例更高。在硫酸盐侵蚀方面，降低熟料含量可显著提升抗硫酸盐性能，但当硫酸盐已存在于基质中时，提高胶凝材料掺量反而加剧膨胀。因此，胶凝材料类型和掺量的选择应基于预期化学暴露环境，以确保土壤水泥在设计服役寿命内保持足够的耐久性和力学性能。