自密實再生混凝土碳化性能及碳化深度預測模型

王瑜玲 潘云峰 王春福

（1 浙江廣廈建設職業(yè)技術大學；2 河海大學）

混凝土作為年均使用量最大的建筑材料，其用量呈線性上升[1]。這意味著一方面砂石、水泥等資源的消耗量持續(xù)增加，可用量減少，出現供不應求的局面；另一方面，年處理量遠低于產量的廢棄混凝土數量也會持續(xù)攀升，大量的土地資源將被占用，同時也對大氣、水體等生態(tài)環(huán)境產生二次污染，導致空氣質量下降，土壤、水質劣化[2]。

自密實混凝土（Self-Compacting Concrete，簡稱SCC）依靠自重填充模板[3]，流動性高、抗離析性好、填充性佳。由其制備的構件性能優(yōu)異，耗費的勞動力少，目前自密實混凝土的技術已經非常成熟。將廢棄混凝土重新利用制備成大流動性的自密實再生混凝土，是混凝土綠色、健康可持續(xù)發(fā)展的一個重要方向。研究表明，環(huán)境中CO2濃度以及溫度升高會導致混凝土在服役過程中發(fā)生碳化，引發(fā)鋼筋銹蝕，繼而引起結構破壞[4]。自密實再生混凝土作為混凝土的一種，其抗碳化能力同樣影響到它的耐久性。因此，本研究以由廢棄混凝土全組分配制而成的自密實再生混凝土作為研究對象，探索自密實再生混凝土隨膠凝材料組分改變時的碳化性能規(guī)律，同時構建其碳化深度預測模型，為廢棄混凝土粉末在自密實再生混凝土中的應用提供理論依據。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

將1 年齡期以上、原設計強度為C30 的廢棄混凝土經破碎、篩分、磨細后，制成粗、細骨料及粉末作為自密實再生混凝土的原料，進行全組分利用。

⑴再生粗骨料 (Recycled coarse aggregate,RCA)：由5～10mm、10～16mm、16～20mm 三個粒徑范圍的骨料按3:3:4 的比例配制而成，堆積密度1230㎏/m3，表觀密度2620㎏/m3。

再生細骨料(Recycled fine aggregate,RFA)：粒徑范圍0.16～5mm，表觀密度2690㎏/m3，細度模數3.7。

⑵膠凝材料：水泥、粉煤灰和廢棄混凝土粉末按一定比例構成。

水泥（Cement,C)：尖峰牌普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)，表觀密度為3240㎏/m3，3d 抗壓強度為24.5MPa，28d 抗壓強度為48.5MPa。

粉煤灰(Fly ash,FA)：一級灰，45μm 方孔篩篩余3.63%，表觀密度2110㎏/m3。

廢棄混凝土粉末(Ground waste concrete powder,GCP)：廢棄混凝土破碎篩分過程中，粒徑＜16μm的粉狀材料，表觀密度2420㎏/m3。

⑶聚羧酸減水劑（Polycarboxylate Superplastic-izer,PC），固含量20%。

1.2 試驗過程

1.2.1 試驗配合比

為了考察膠凝材料對自密實再生混凝土碳化性能的影響規(guī)律，本次試驗采用單一變量法，固定水膠比為0.4，固定再生粗、細骨料的用量，只改變膠凝材料的構成比例，具體配合比見表1。

表1 自密實再生混凝土配合比 （kg）

1.2.2 試驗方法

⑴流動性及強度試驗

依據《自密實混凝土設計與施工指南》測試坍落擴展度和J 環(huán)坍落擴展度，同時計算填充率，以此表征自密實再生混凝土的流動性；參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，測試齡期為3d、7d、28d、42d 時試件的立方體抗壓強度，采用尺寸為100mm×100mm×100mm 的試件，考慮尺寸效應，抗壓強度乘以0.95 的折算系數。

⑵碳化試驗

本文的碳化試驗參照《水工混凝土試驗規(guī)程》進行。采用尺寸為100mm×100mm×100mm 的立方體試件，每組制作12 塊試件。碳化試驗機采用上海勞瑞儀器設備有限公司研制的CCB-70A 型碳化試驗箱。碳化試驗在溫度（20±5）℃、濕度（70±5）%的條件下進行，并保持碳化箱中CO2濃度在（20±3）%。待自密實再生混凝土碳化至3d、7d、14d 及28d 齡期時，每次每組分別取3 塊試件，從試件中部劈開，清理干凈浮沉后，隨即噴上1%濃度的酚酞試液，靜待1～2min 后觀察表觀現象，用網格法測試計算，以3 塊試件的平均值作為碳化深度值。

2 性能分析及模型構建

2.1 自密實再生混凝土的工作及力學性能

根據試驗數據得到自密實再生混凝土的流動性對比圖（圖1）。從圖1 可見，五個試樣配合比下，自密實再生混凝土坍落擴展度≥600mm，J 環(huán)坍落擴展度≥570mm，填充率≥75%，達到自密實混凝土Ⅱ級指標要求，證明五個試樣所制備的自密實再生混凝土初始性能滿足要求。

圖1 流動性對比圖

根據立方體抗壓強度試驗數據繪制抗壓強度-齡期圖（圖2）。從圖2 及各試樣在28d 齡期時的SEM 圖可見（圖3～圖7），由于SCRC4、SCRC5 中水泥用量少，粉煤灰及廢棄混凝土粉末用量高，水化反應緩慢，強度未達到設計強度35MPa。直至42d 齡期時，5 個試樣的強度均達到設計強度。因此，碳化試驗選擇于標準養(yǎng)護42d 后進行。

圖2 抗壓強度- 齡期圖

圖3 SCRC1 在28d 齡期時的SEM 圖

圖4 SCRC2 在28d 齡期時的SEM 圖

圖5 SCRC3 在28d 齡期時的SEM 圖

圖6 SCRC4 在28d 齡期時的SEM 圖

圖7 SCRC5 在28d 齡期時的SEM 圖

2.2 自密實再生混凝土碳化性能分析

根據試驗測得各試樣的碳化深度-齡期曲線，如圖8 所示。從試驗可知，5 組試樣的碳化深度值均隨碳化時間的延長而增大。初始的碳化速度快，后期的碳化速度趨于平穩(wěn)。膠凝材料中水泥占比越高，則碳化深度值越小，抗碳化性能越好。SCRC1、SCRC2 和SCRC3 的碳化性能普遍優(yōu)于SCRC4 和SCRC5。

圖8 自密實再生混凝土碳化深度

廢棄混凝土粉末主要由硬化水泥石以及砂、石料的碎屑構成，其主要活性成分為硬化水泥石中未水化的水泥顆粒，而已水化的水泥產物也具有一定的化學活性[5]。當未水化水泥顆粒與水充分接觸后，可再次水化生成主要成分為C-S-H 的水化產物，具備膠凝性[6]，水灰比越低，未水化水泥顆粒越多，膠凝性越強[7]。本試驗選用的廢棄混凝土原始強度為C30，原始水膠比為0.42，檢測發(fā)現，其硬化水泥石中未水化顆粒量偏少。通過觀察各試樣養(yǎng)護至28d 時的SEM 圖發(fā)現，廢棄混凝土粉末在膠凝材料中占比50%時，試樣中存在許多團簇狀微粒，尤以圖4 最為明顯，觀測到許多直徑介于20～30μm 的微粒，填充或覆蓋了水泥水化產物，但并未參與水化或發(fā)生二次水化反應，表現了水化惰性。因此，當膠凝材料中水泥占比相同時，摻加廢棄混凝土粉末的碳化性能比摻加粉煤灰的差。

此外，廢棄混凝土粉末經過多層破碎和粉磨，其顆粒的微觀形貌多為棱角狀和碎屑狀[8]，與粉煤灰的滾珠填充效應不同，棱角狀顆粒的增多會破壞顆粒的密實堆積，增加自密實再生混凝土內部的孔隙。與此同時，廢棄混凝土粉末的硬化水泥石中的C-S-H 凝膠內部也存在尺寸細小、數量多的孔隙[9]，提高廢棄混凝土粉末的比例會使自密實再生混凝土內部孔隙增多，增大了碳化破壞通道，導致其碳化性能劣于摻加粉煤灰的。

觀察SCRC3 與SCRC1 兩個試樣的碳化深度-齡期曲線可以發(fā)現，兩者的碳化深度曲線較為接近，尤其是14d 時碳化深度值僅相差0.6mm。說明當膠凝材料中水泥、粉煤灰與廢棄混凝土粉末的比例為2:1:1 時，自密實再生混凝土的碳化性能與不使用廢棄混凝土粉末時相近。這也表明通過調整膠凝材料的比例構成，達到削弱廢棄混凝土粉末的不利影響是可能的。

2.3 自密實再生混凝土碳化深度預測模型

混凝土是一個多孔結構人造物質，內部存在著大量大小不一的孔隙、氣泡以及缺陷等。當周圍環(huán)境中的CO2通過孔隙及缺陷滲透到混凝土結構內部時，會溶解于混凝土孔隙中的液相，并與水泥水化產物CH 及C-S-H 等相互作用，形成碳酸鈣。自密實再生混凝土由于其所選用原材料本身帶有更多的性能缺陷，環(huán)境中的CO2更容易由表及里向自密實再生混凝土內部逐漸擴散，發(fā)生十分復雜的連續(xù)物理化學反應，增加了碳化破壞的可能性。因此，本研究將以混凝土的碳化深度模型為基礎，探索建立符合自密實再生混凝土的碳化模型。

2.3.1 理論模型與經驗模型

目前針對混凝土碳化深度的預測主要有兩大類，一是根據擴散理論進行理論推導得出理論公式，二是根據實驗分析得出經驗公式。

理論推導研究混凝土的碳化規(guī)律一般基于三個假設[3]：

⑴混凝土結構內部的CO2濃度呈線性下降；

⑵混凝土表面的CO2濃度為C0，而未碳化區(qū)的濃度為0；

⑶單位體積混凝土吸收CO2發(fā)生化學反應的量為定值。

在上述假設下，混凝土的碳化過程遵循Fick 第一擴散定律[10]，理論計算混凝土碳化深度的公式如式⑴：

其中：

X——碳化深度；

DCO2——CO2在混凝土中的有效擴散系數；

C0——混凝土表面CO2的濃度；

M0——單位體積吸收CO2的量；

t——碳化時間。

令k=（2DCO2·C0/M0）1/2，則式⑴可簡寫為：

其中：

a——碳化速度系數，表征碳化反應速度快慢的綜合因素。

各個學者在研究碳化過程中考察的側重點以及考慮的影響因素不同，因此有眾多的經驗公式，主要體現在碳化深度預測公式X=a·tβ中碳化系數a 的不同上。對于a、β 的取值，有代表性的是中國建筑科學研究院提出的，a=η1·η2·η3·η4·η5·η6，β=0.5，其碳化深度模型見式⑶：

其中：

X——碳化深度；

η1——水泥用量的影響系數；

η2——水膠比影響系數；

η3——粉煤灰取代量影響系數；

η4——水泥品種影響系數；

η5——集料品種的影響系數；

η6——養(yǎng)護方法影響系數；

t——碳化時間。

以上兩種方法中，碳化深度X 與碳化時間t 的平方根均成正比[11]。但不論是理論推導或者經驗公式，最終均體現在碳化系數的不同。

2.3.2 自密實再生混凝土碳化深度的預測模型

本研究結合混凝土碳化深度理論推導和實驗分析兩種方法，建立經驗公式數學模型，以滿足自密實再生混凝土碳化深度預測的需要。

根據試驗數據，作出碳化深度隨時間變化的曲線圖。借助Origin8.0 軟件，選用Belehradek 模型進行碳化深度隨時間變化曲線的擬合，見圖9～圖13。五組試樣的擬合曲線公式匯總見表2。

圖9 SCRC1 碳化深度擬合圖

圖10 SCRC2 碳化深度擬合圖

圖11 SCRC3 碳化深度擬合圖

圖12 SCRC4 碳化深度擬合圖

表2 碳化深度擬合曲線公式及碳化深度速率

圖13 SCRC5 碳化深度擬合圖

根據經驗公式，結合本試驗的自密實再生混凝土的特征，選擇碳化深度速率的影響因子。本試驗的自密實再生混凝土的碳化深度速率主要受到膠凝材料中各材料比重的影響，因此又將其進一步細化為受水泥、粉煤灰以及廢棄混凝土粉末三因素影響的線性方程。列出適合本試驗的普遍公式如式⑷：

式中：

K1——水泥、粉煤灰和再生粉料的含量系數；

K2——用水量系數，取值為單方混凝土用水量；

K3——膠材總量系數，取值為單方混凝土膠材總量；

K4——其他相同因素（如用水量、膠凝材料總量、水膠比、再生粗細骨料以及養(yǎng)護方法等）系數，缺省時設置為1；

A、B、C——分別為水泥、粉煤灰和廢棄混凝土粉末影響因子。

將五個試樣的A、B、C 及碳化深度速率代入可得以下方程組⑸：

通過Matlab 軟件，計算超定方程組⑸的最小二乘解，可得經驗公式如式⑹：

根據五個試樣碳化深度的計算公式，計算出相應齡期的碳化深度值，并與試驗碳化深度值進行對比，繪制對比圖，見圖14。

圖14 碳化深度計算值與試驗值的對比圖

從圖14 可以看出，五個試樣的碳化深度計算值與試驗值絕對誤差小，說明碳化深度計算值與試驗值貼合度較高，經驗式⑹較好地反映了膠凝材料配比變動時自密實再生混凝土的早期碳化性能，能夠用于預測自密實再生混凝土的碳化深度變化趨勢。

3 結論與展望

⑴采用單一變量法，考察由水泥、粉煤灰及廢棄混凝土粉末構成的膠凝材料對自密實再生混凝土碳化性能的影響。試驗結果表明：膠凝材料中水泥占比越高，自密實再生混凝土的抗碳化能力越強；當膠凝材料中水泥占比一致時，摻加廢棄混凝土粉末的碳化性能比摻加粉煤灰的差；膠凝材料中水泥、粉煤灰與廢棄混凝土粉末的比例為2:1:1 時，自密實再生混凝土的碳化性能與不使用廢棄混凝土粉末時相近。

⑵結合理論與經驗模型構建了自密實再生混凝土碳化深度的預測模型，通過碳化深度計算值與試驗值的對比發(fā)現，預測模型較好地反映了膠凝材料配比變動時自密實再生混凝土的早期碳化性能，能夠用于預測自密實再生混凝土的碳化深度變化趨勢。

⑶本試驗此次以膠凝材料比例為變量來考察其對自密實再生混凝土碳化性能的影響，但是再生粗、細骨料等因素也對其碳化性能有影響，后期的研究將以此次研究結論為基礎，繼續(xù)考察其他眾多因素對自密實再生混凝土碳化性能的影響機理。