自然风化作用下碳化养护水泥基材料的力学性能劣化机制

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0931

摘要/Abstract

摘要：

碳化养护可在早期加速水泥基材料强度发展并吸收二氧化碳，但对水泥基材料在服役期间的力学性能劣化机制尚不明确。本研究以水泥浆体试样为对象，将其暴露于自然环境中，开展不同风化作用时间（30、60、90 d）下碳化养护与常规水养护对比试验，系统分析了试样在风化作用下的物相组成、孔隙结构、宏观及微观力学性能变化规律。研究表明：因碳化养护过程中样品形成致密碳酸盐层，与常规水养护样品相比，碳化养护0.5 h与1 d的样品在风化作用下后期（90 d）的抗压强度分别提高15.1%与34.7%，平均显微硬度分别提高1.4%与3.6%；随着碳化养护时间延长，水泥浆体表面压痕模量显著增加。碳化养护对增强水泥基材料的抗风化性能具有显著效果，为碳化养护技术在水泥基材料领域的应用提供了重要依据，并为滨海地区早期碳化养护制品应用研究提供一定的参考价值。

关键词: 水泥基材料, 碳化养护, 风化作用, 力学性能, 纳米压痕模量

Abstract:

Carbonation curing can accelerate the early strength development of cement-based materials while sequestering carbon dioxide. However， the degradation mechanisms affecting their mechanical properties during service life remain unclear. This study exposed cement paste specimens to natural environmental conditions to investigate the effect of carbonation curing compared to conventional water curing under different weathering durations （30， 60， and 90 d）. The composition， pore structure， and both macroscopic and microscale mechanical properties of the weathered specimens were systematically analyzed. The results indicate that， in the later stage （90 d） of weathering， specimens carbonation curing for 0.5 h and 1 d show 15.1% and 34.7% higher compressive strength， and 1.4% and 3.6% higher average microhardness， respectively， than the conventional water curing specimens. This improvement is attributed to the formation of a dense carbonate layer in sample during carbonation curing. Moreover， with extended carbonation duration， the nanoindentation modulus at the specimen surface increases significantly. These findings demonstrate that carbonation curing significantly enhances the weathering resistance of cement-based materials， providing an important basis for its application in this field and a useful reference for the deployment of early-age carbonation curing products in coastal regions.

Key words: cement-based material, carbonation curing, weathering, mechanical property, nanoindentation modulus

中图分类号:

TU528

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图/表 14

表1 水泥主要化学成分

Table 1 Main chemical composition of cement

Composition	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	SO₃	MgO	K₂O	TiO₂	Na₂O	LOI
Mass fraction/%	61.15	23.53	4.96	3.68	2.79	2.51	0.71	0.24	0.11	0.31

图1 试样外观

Fig.1 Specimen shape

表2 磁共振成像分析仪参数设置

Table 2 Parameter settings for magnetic resonance imaging analyzer

Sequence name	Operating frequency/MHz	Sampling frequency/kHz	Waiting time/ms	Number of echoes/echo time/ms	Radio ferquency delay/ms	Accumulation times
FID/CPMG	12	125， 200	1 500	2 000/0.1	0.08	16

图2 测试样品制备方法

Fig.2 Method for preparing test samples

图3 纳米压痕测试区域示意图

Fig.3 Schematic diagram of nanoindentation testing area

图4 不同养护条件下所制备的水泥浆体的TG-DTG曲线

Fig.4 TG-DTG curves of cement pastes experienced different curing regimes

图5 风化后水泥样品的XRD谱

Fig.5 XRD patterns of weathered cement samples

图6 风化0、60和90 d样品的孔径分布

Fig.6 Pore size distribution of weathered samples at 0， 60 and 90 d

表3 风化试验中样品的孔径占比

Table 3 Pore size proportion of samples in weathering tests

Time/d	REF		C0.5		C24
Time/d	Micro poreproportion/%	Macro poreproportion/%	Micro poreproportion/%	Macro poreproportion/%	Micro poreproportion/%	Macro poreproportion/%
0	9.22	0.42	12.19	9.26	5.10	4.05
60	6.53	2.44	2.80	3.29	2.17	1.84
90	10.18	4.57	4.80	3.85	3.49	1.73

图7 风化过程中孔隙率随时间的变化

Fig.7 Variation of porosity with time during weathering process

图8 不同养护条件下水泥净浆抗压强度随风化时间的变化

Fig.8 Compressive strength of cement paste under different curing conditions with weathering time

图9 风化作用下样品内显微硬度的时空分布规律

Fig.9 Temporal and spatial distribution of microhardness in samples under weathering

图10 风化作用下90 d后样品表面纳米压痕模量的频率分布及高斯拟合结果

Fig.10 Frequency distribution and Gaussian fitting results of nanoindentation modulus on surface of samples after 90 d of weathering

表4 风化作用下水泥净浆的纳米压痕测试拟合结果

Table 4 Fitting results of nanoindentation test of weathered cement paste

Group	REF		C0.5		C24		Component
Group	M/GPa	V/%	M/GPa	V/%	M/GPa	V/%	Component
Ⅰ	8.2	45.0	7.2	43.4	8.3	35.5	Mesopore
Ⅱ	19.5	14.3	18.9	25.0	18.5	15.4	Low density C-S-H gel
Ⅲ	25.2	21.9	25.0	14.3	26.8	25.3	High density C-S-H gel
Ⅳ	34.3	18.8	31.7	17.3	35.7	23.8	C-S-H gel and carbonate

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