碳化增強再生骨料對混凝土性能的影響

程亞卓，孟美麗

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450046）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷發展，城鎮內老舊建筑的拆遷產生了大量的建筑垃圾，建筑垃圾排放量逐年增長[1]。然而，大部分建筑垃圾未經任何處理，被運往郊外簡單填埋或露天堆存處置，不僅浪費了寶貴的土地資源，還污染環境[2]。此外，隨著城市的不斷發展，大規模的基礎建設導致建筑業對砂石骨料的需求量迅猛增長，天然砂石骨料也面臨著資源枯竭的危機。生產和利用建筑垃圾再生骨料對于節約資源、保護環境和實現建筑業的可持續發展具有重要意義。

再生骨料是由廢棄混凝土經過破碎和篩分等一系列工藝處理后獲得。但僅僅通過破碎和篩分得到的再生骨料吸水率大、堆積密小、空隙率大、壓碎指標高，因此導致采用這種再生骨料制備的混凝土硬化后力學性能較差，而且抗氯離子滲透性等耐久性能均低于普通混凝土[2-3]。為了提高再生混凝土的性能，須對再生骨料進行強化處理。常用的方法有水泥漿、水玻璃等表面強化法，也有使用酸液來去除附著在再生骨料表面的舊水泥漿[2，4-5]。也可以利用CO2與再生骨料表面附著的舊砂漿塊中的Ca（OH）2反應生成更加致密的物質填充再生骨料的孔隙和微裂紋，以此強化再生骨料[6]，研究主要集中在碳化養護對再生細骨料的影響上，對再生粗骨料以及制備的混凝土的力學和耐久性能的研究較少[2，7-8]。因此，本文采用碳化增強后的再生粗骨料和細骨料制備再生骨料混凝土，并研究了碳化增強對再生骨料混凝土力學性能和耐久性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5水泥，比表面積為350 m2/kg；礦渣：上海寶田新型建材公司的S105級礦渣；粉煤灰：鎮江諫壁發電廠Ⅰ級灰，膠凝材料的主要化學成分見表1；減水劑：江蘇蘇博特新材料有限公司的聚羧酸高效減水劑，固含量40%；天然粗骨料（NCA）：5～20 mm碎石；天然細骨料（NFA）：河砂，細度模數3.1；再生粗骨料（RCA）、再生細骨料（RFA）：均通過廢棄混凝土破碎篩分清洗制得，粒徑分別為5～20mm和0.15～5 mm。在碳化箱中對再生粗、細骨料進行碳化增強處理，控制CO2濃度為80%～85%，相對濕度為50%～60%，溫度為18～25℃，碳化7 d后得到碳化增強再生粗骨料（CRCA）與細骨料（CRFA）。

表1 水泥、礦渣和粉煤灰的主要化學成分 %

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土配合比

分別使用再生粗、細骨料（包括碳化增強后的）取代50%和100%的天然粗、細骨料，混凝土的配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比kg/m3

1.2.2 再生骨料的物理性能

按照JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法》測試再生骨料的表觀密度、壓碎指標、吸水率等指標。

1.2.3 混凝土性能

按照GB/T50081—2019《混凝土力學性能試驗方法標準》測試混凝土試件的抗壓強度，試件尺寸為100mm×100mm×100 mm。按照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試混凝土試件的干燥收縮率和28d電通量。

1.2.4 微觀測試分析

根據壓汞法MIP（Mercury Intrusion Porosity），采用Micromeritics公司AUTOPORE IV9500 V1.09型壓汞儀進行孔結構測試，測試孔徑范圍為3nm～350μm。使用TESCAN VEGA3 LMH型鎢燈絲掃描電鏡對混凝土試樣的微觀結構進行觀察。

2 結果與討論

2.1 再生骨料的物理性能

碳化增強前后再生粗骨料與再生細骨料的物理性能如表3所示。

表3 碳化增強前后再生粗骨料與再生細骨料的物理性能

由表3可知，碳化后再生粗骨料的表觀密度稍有增大，吸水率降低了17.9%，壓碎指標降低了25.8%。碳化后再生細骨料的需水量比有所降低。碳化養護后再生粗骨料與再生細骨料物理性能的改善主要是由于其在碳化過程中，CO2通過再生混凝土骨料的孔隙向內部擴散，與Ca（OH）2反應生成碳酸鈣晶體和無定型的硅膠，產物填補了粗骨料與細骨料內部的孔隙，使得微觀結構變的更加致密[2]。

2.2 混凝土的力學性能

圖1為碳化增強的再生骨料和未碳化增強的再生骨料對混凝土抗壓強度的影響。

圖1 再生骨料碳化增強前后對混凝土抗壓強度的影響

由圖1可知，使用天然骨料的NAC各齡期抗壓強度均最高；隨混凝土中再生骨料含量的增加，混凝土各齡期的抗壓強度均逐漸降低。RAC-50與RAC-100的28 d抗壓強度分別為32.7、23.1 MPa，較NAC降低了31.7%、51.8%。但當再生骨料經過碳化養護后，混凝土的抗壓強度顯著提高。CRAC-50和CRAC-100的90 d抗壓強度相比未碳化增強的再生骨料混凝土分別提高了36.7%、47.6%，較NAC組分別降低了11.6%、16.6%。當碳化增強骨料的含量從50%增加至100%時，混凝土的28 d抗壓強度較CRAC-50組降低了11%，仍遠高于未碳化增強的再生骨料混凝土。

由于附著舊水泥砂漿，相比天然骨料，未碳化增強的再生骨料吸水率較高，再生骨料混凝土的界面過渡區較弱[9]。界面過渡區被認為是混凝土最薄弱的區域，對混凝土的性能和微觀結構中起著關鍵作用。相比使用天然骨料的混凝土，使用再生骨料替代天然骨料形成的界面過渡區更薄弱，導致混凝土的抗壓強度降低。碳化處理增強了再生骨料的物理性能，改善了再生骨料混凝土的界面過渡區，因此CRAC-50和CRAC-100表現出較好的力學性能。

2.3 混凝土的干燥收縮

圖2為碳化增強的再生骨料和未碳化增強的再生骨料對混凝土干燥收縮率的影響。

圖2 再生骨料碳化增強前后對混凝土干燥收縮的影響

由圖2可見，NAC的干燥收縮率最小，90 d干燥收縮率為581×10-6。無論是采用未碳化增強還是碳化增強后的再生骨料取代天然骨料都會導致混凝土的干燥收縮增大，且再生骨料含量越多，混凝土的干燥收縮越大。碳化增強再生骨料混凝土的干燥收縮要小于未碳化增強再生骨料混凝土。如，RAC-50和RAC-100的90d干燥收縮率分別為867×10-6和995×10-6，較NAC組增大了49.2%、71.3%；而CRAC-50和CRAC-100的90 d干燥收縮率分別為708×10-6和762×10-6，較NAC組增大了21.9%和31.2%，但相比未碳化增強的再生骨料混凝土減小了18.2%和23.4%。這可能是一方面由于再生骨料的壓碎指標高于天然骨料，導致混凝土的彈性模量降低，整個混凝土骨架抵抗變形的能力減弱[10]；而當再生骨料經過碳化增強后，壓碎指標有所降低，混凝土的彈性模量也會相應有所提高，混凝土的干燥收縮有所減小。但無論是否經過碳化增強，再生骨料的壓碎指標始終高于天然骨料，因此再生混凝土的收縮要大一些。另外一方面，相比天然骨料，無論再生骨料是否經過碳化增強，其所制備的混凝土的界面過渡區較為薄弱，強度不足，容易產生變形，也可能會導致混凝土的收縮增大[11]。

2.4 混凝土的抗氯離子滲透性能

表4為碳化增強的再生骨料和未碳化增強的再生骨料對混凝土28 d電通量的影響。

表4 再生骨料碳化增強前后對混凝土電通量的影響

由表4可知，使用再生骨料的混凝土28 d電通量均大于天然骨料混凝土，且再生骨料含量越高，混凝土的電通量越大，抗氯離子滲透性能越弱。但通過碳化增強可以使得混凝土的抗氯離子性能得到一定的改善，50%再生骨料用量的混凝土電通量減小了12.7%，100%再生骨料用量的混凝土電通量減小了12.7%。氯離子主要通過混凝土內部的連通空孔隙進入到混凝土內，電通量越高，說明混凝土內的孔隙越多，基體越不密實[12]。相比與對照組天然骨料混凝土，使用再生骨料一方面是通過骨料自身的微裂紋增加了氯離子遷移的通道；另一方面，在再生骨料形成的界面過渡區較為薄弱，存在較多的缺陷也在一定程度上使得氯離子易侵入到混凝土內部。

2.5 混凝土的孔結構

表5為混凝土養護28d后的孔隙率和孔徑分布。

由表5可知，天然骨料NAC組的孔隙率最低，且孔徑最細，1.25～5000 nm范圍內的孔含量最多。使用再生骨料替代天然骨料會增大混凝土的孔隙，用100%再生骨料取代天然骨料時，混凝土的孔隙率最大為29.13%，同時25～5000 nm及5000 nm以上的孔含量相對最多。一般來說，混凝土的孔隙率越大，其抗壓強度越低，這也與抗壓強度測試結果一致。已有研究表明[13]，混凝土的收縮變形與其孔結構相關，尤其是1.25～25 nm范圍的孔含量越多，產生的毛細孔壓力越大，引起的收縮越大。而天然骨料NAC組的1.25～25 nm范圍的孔含量最多，但其干燥收縮確是最小的。這可能是因為天然骨料的硬度高，壓碎指標較再生骨料低，其配制的NAC組混凝土的彈性模量也較高，整體的骨架抵抗變形的能力強于使用再生骨料的混凝土。

表5 再生骨料碳化增強前后對混凝土孔結構的影響

2.6 混凝土的微觀形貌分析

圖3為RAC-50、CRAC-50組混凝土養護28 d的微觀形貌。

圖3 再生骨料碳化增強前后對混凝土微觀形貌的影響

由圖3可見，使用未碳化強化的再生骨料制備的再生混凝土界面過渡區存在較大裂紋，結構松散，還觀察到了大量針狀的鈣礬石晶體。當再生骨料經過碳化強化后，部分鈣礬石晶體與CO2反應生成碳酸鈣，界面過渡區的微觀結構也變得相對更加致密。

3 結論

（1）經過碳化增強后，再生粗骨料和再生細骨料的物理性能有顯著改善，相比未碳化增強的再生粗骨料，碳化增強后再生粗骨料的吸水率和壓碎指標分別降低了17.9%和25.8%，再生細骨料的需水量比由125%降至119%。

（2）碳化增強能有效提高再生骨料混凝土的抗壓強度，但仍低于天然骨料混凝土。相比使用未碳化增強再生骨料配制的混凝土，含有50%和100%的碳化增強再生粗骨料和細骨料的再生骨料混凝土90 d抗壓強度分別提高了36.7%、47.6%；且相比于天然骨料混凝土，碳化增強后的抗壓強度僅分別降低了11.6%、16.6%。

（3）碳化增強能有效改善再生骨料混凝土的干燥收縮和耐久性能，但仍比天然骨料混凝土差。相比使用未碳化增強的再生骨料配制的混凝土，含有50%和100%的碳化增強再生骨料混凝土干燥收縮率減小了18.2%、23.4%，電通量分別減小了12.7%、12.7%，且混凝土的孔徑也有所細化。