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武漢巖土所高濃度二氧化碳誘發混凝土快速碳化研究取得進展

發表日期:2023-02-15來源:武漢巖土力學研究所放大 縮小

  世界各地存在有大量天然CO2儲層,由于天然的泄漏通道,天然儲層中的CO2可由地層深度泄漏并富集于淺層地下空間中。當在儲層地區進行隧道開挖或樁基建設時,工程建設誘發的人為擾動可能造成高濃度CO2由淺層CO2富集空間向外泄漏,并對地下鋼筋混凝土構筑物產生長期高濃度CO2碳化影響。而CO2濃度的提高會增強CO2滲透能力,使混凝土碳化過程成倍加速的同時降低混凝土對鋼筋的保護能力,產生與常規混凝土自然碳化截然不同的結果。因此,探究不同碳化條件高濃度CO2對混凝土化學組成、孔隙結構與力學強度的影響,并闡明碳化誘發混凝土性能變化的內在機理,是保障儲層地區地下鋼筋混凝土結構穩定性的基礎,具有重要的工程價值與研究意義。

  本研究利用高壓CO2對混凝土進行不同碳化環境研究,利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)與微米CT(μ-CT)進行分析表征,獲得了混凝土碳化前后的物相組成與孔隙結構的變化,并在此基礎上對混凝土碳化前后的抗壓強度進行研究。由微米CT表征結果可知,不論是何種碳化環境,由于碳化產物在孔隙中堆積,碳化后混凝土的孔隙度有較為顯著的降低,且孔隙越密集區域孔隙的減小量越大。而物相分析與SEM結果發現碳化環境對碳化產物結晶過程產生影響,水的存在增強了混凝土碳化,促使碳化產物除方解石外還有大量文石產生。低濃度CO2碳化增強混凝土強度,而在水的作用下高濃度CO2誘發混凝土過度碳化,造成混凝土內部微裂縫的產生與擴展,其強度隨碳化時間先增大后減小,并于碳化28天后強度低于未碳化混凝土。

  本研究成果已發表于水泥和混凝土材料研究頂級期刊Construction and Building Materials(一區TOP,最新影響因子7.693),第一作者為薛泉博士,通訊作者為張力為研究員。研究成果主要由國家重點研發計劃(2019YFE0100100)、國家自然科學基金(42172315)、內蒙古自治區科技重大專項(2021ZD0034)資助。

  論文題目:Evolution of structural and mechanical properties of concrete exposed to high concentration CO2

  論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0950061822017421  

 

圖1 100kPa干燥CO2環境中混凝土碳化28天微觀結構圖  

 

 

圖2 100kPa純水CO2環境中混凝土碳化28天微觀結構圖   

 

 

圖3 干燥環境(A1)和純水環境(B1)100kPaCO2碳化前后混凝土孔隙及沿樣品高度方向孔隙體積分數變化圖 

 

 

圖4 高濃度CO2作用下混凝土碳化機理圖

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