Accelerated carbonation fronts in cement pastes: Mechanistic insights and simplified modeling

碳化作用 水泥 材料科学 碳化 复合材料 硅酸盐水泥 水灰比 数学模型 岩土工程 冶金 矿物学 环境科学
作者
Luge Cheng,Ryo Kurihara,Zhenli Yang,Takahiro Ohkubo,Ryoma Kitagaki,Atsushi Teramoto,Yuya Suda,Ippei Maruyama
出处
期刊:Cement and Concrete Research [Elsevier BV]
卷期号:199: 108050-108050 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.cemconres.2025.108050
摘要

This study investigated the carbonation behavior of ordinary Portland cement (OPC), volcanic glass powder (VGP), and limestone-calcined clay cement (LC 3 ) pastes, focusing on the water content distribution, phase assemblages, and microstructural evolution. Spatiotemporal changes in water and mineral phases were tracked using proton nuclear magnetic resonance relaxometry and micro-X-ray diffraction, respectively. A simplified model reproduced the drying front, defined by a material-specific threshold water content, which aligned closely with the experimentally measured carbonation front. This confirmed that carbonation progression is governed by water diffusion, referred to as the “plugging effect”. Furthermore, carbonation advanced until empty space increased to approximately 18 %, resulting from the decalcification-induced agglomeration of calcium (alumino) silicate hydrate (C–(A)–S–H). This limit was consistently observed across pastes with varying Ca/(Si + Al) ratios. These findings provide mechanistic insight into carbonation front development and offer a physically grounded criterion for predicting carbonation depth and assessing CO₂ uptake in sustainable cementitious materials.
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