碳化再生粗骨料環保型超高性能混凝土的制備

冷 勇 ， 余 睿 ， 范定強 ， 張學玉

（1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北武漢 430070；2.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430070）

利用建筑垃圾制備再生粗骨料（RCA），并將其應用于混凝土中，不僅是解決建筑垃圾堆積問題的重要措施之一，并且還可有效解決天然骨料（NA）短缺的問題［1-4］.然而，RCA 吸水率高、壓碎值大、界面過渡帶弱等特點限制了其在實際工程中的大規模應用［5］.

為有效解決上述問題，可采用加速碳化技術進行再生骨料的強化處理.Xuan 等［6］研究表明，碳化再生粗骨料（CRCA）用于混凝土時，混凝土的力學性能和新拌性能得到改善.此外，CRCA 可有效儲存二氧化碳，是減少二氧化碳排放的有效途徑之一.然而，與采用NA 制備的混凝土相比，采用CRCA 制成的再生混凝土性能不穩定，難以滿足許多大型工程應用的要求.因此，需要性能優異的水泥基材料來抵御CRCA 自身性能不穩定的風險［7］.

超高性能混凝土（UHPC）是一種新型建筑材料，由于其優異的力學性能、耐久性能［8-9］，已經被成功應用于各種重大工程領域.但UHPC 的高膠凝材料用量、低水膠比的特點，導致其具有較高的自收縮開裂風險［10-11］.適當引入粗骨料可以增加內部約束，從而抑制 UHPC 的自收縮發展［12-13］.為此，本文采用CRCA 來制備低收縮生態型UHPC，研究了CRCA對UHPC 宏觀性能及納微觀結構的影響，以期為碳化再生粗骨料超高性能混凝土（CRCA-UHPC）的制備與工程應用提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

水泥（C）為華新水泥投資有限公司產P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 144 kg/m3；硅灰（SF）由埃肯有機硅有限公司生產；石粉（LP）由新瑪特粉體化工原料有限公司生產；砂為清洗干凈的普通河砂，表觀密度為 2 560 kg/m3，粒徑為0～0.6 mm、0.6～1.25 mm、1.25～2.36 mm；天然骨料（NA），粒徑為 2.36～4.75 mm；再生粗骨料（RCA），粒徑為2.36～4.75 mm，由廢棄橋梁混凝土破碎得到；碳化再生粗骨料（CRCA），粒徑為 2.36～4.75 mm，由RCA 碳化處理得到；減水劑為江蘇蘇博特有限公司產高性能聚羧酸系減水劑，減水率（質量分數，文中涉及的減水率、固含量等均為質量分數）大于30%，固含量為20%.膠凝材料的化學組成見表1.CRCA處理流程圖如圖1 所示.

圖1 碳化再生粗骨料處理流程圖Fig.1 Processing flow chart of CRCA

表1 膠凝材料的化學組成Table1 Chemical compositions of cementitious materials

CRCA 的 碳 化 參 數 為 ：氣 壓 0.3 MPa、溫 度20 ℃、相對濕度50%、時間24 h.碳化處理前后RCA的微觀形貌及能譜分析（EDS）如圖2、3 所示.由圖2可見：碳化前，RCA 中可觀察到大量的 Ca（OH）2晶體；碳化后，在Ca（OH）2晶體和水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠表面發現許多方解石晶須和柱狀方解石晶體.圖3 的EDS 分析也顯示碳化處理后RCA 中的碳元素含量增加.

圖2 碳化前后再生粗骨料的微觀形貌Fig.2 Microscopic morphology of RCA before and after carbonization

圖3 碳化前后再生骨料的EDS 分析Fig.3 EDS analysis of RCA before and after carbonization

1.2 配合比

通過改進的顆粒堆積模型（MAA 模型）設計UHPC 的配合比，見表2.

1.3 制備過程

先按照表2 配合比稱取各原材料，在行星攪拌機中攪拌，制備得到3 種UHPC；再在振動臺上振動60下后刮平，表面覆膜；接著在20 ℃左右的條件下養護24 h 后拆模；最后置于（20±2）℃，相對濕度不小于95%的標準養護室養護至相應齡期.

表2 UHPC 的配合比Table 2 Mix proportions of UHPC

1.4 測試項目

（1）粗骨料的表觀密度和吸水率 使用排液法和茶包法分別測試3 種粗骨料的表觀密度和吸水率.

（2）UHPC 的抗壓強度 將新鮮砂漿混合均勻后，倒入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的模具中，在20 ℃的噴水養護室內養護至3、7、28 d.抗壓強度試驗 方 法 參 照 BS-EN 196-1：2005《Methods of testing cement-Part 1：Determination of strength》.

（3）UHPC 的自收縮 使用半徑為2.5 mm、端距為42 mm 的波紋管進行UHPC 的自收縮測試.測試環境溫度為（20±2）℃、相對濕度為（60±5）%.將UHPC 的終凝時間定義為其自收縮的起始點.

（4）UHPC 的抗氯離子滲透性能 參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，對UHPC 的耐久性進行評價.試樣固化時間為128 d.

（5）UHPC 的微觀結構 采用QUANTA FEG 450 分析UHPC 的微觀結構，并獲得掃描電子顯微鏡（SEM）照片 .為進一步研究 CRCA 對UHPC 中骨料和基體間界面的影響，對試樣進行納米壓痕測試.

2 試驗結果與分析

2.1 粗骨料的基本性能

3 種粗骨料的基本性能如表3 所示.由表3 可見：經碳化處理后，RCA 的吸水率由6.95%降至4.05%，而表觀密度由 2.54 g/cm3增至 2.59 g/cm3，與 NA 相似.這可能歸因于新生成的CaCO3在加壓碳化過程中沉淀在RCA 表面的孔隙和裂縫中，優化了RCA 表面并使其更加致密.

表3 3 種粗骨料的基本性能Table 3 Basic properties of three kinds of coarse aggregate

2.2 抗壓強度

圖4 顯示了不同粗骨料對UHPC 抗壓強度的影響.由圖4可以看出，與NA-UHPC相比，RCA-UHPC和CRCA-UHPC 的3 d抗壓強度分別提高了2.7%和5.0%，7 d 抗壓強度分別提高了3.3%和6.5%，28 d 抗壓強度分別提高了3.8%和9.1%.此外，圖4中的誤差棒顯示，RCA-UHPC 的抗壓強度值波動比CRCA-UHPC 更大，這說明與未碳化的RCA 相比，CRCA 不僅可以降低抗壓強度值的不穩定性，還可以進一步提高UHPC 的抗壓強度.其原因為：碳化后，CRCA 孔隙率降低，使得其吸水率有所下降，改善了RCA與新砂漿的過渡區，且舊砂漿與CRCA之間的過渡區得到加強，從而提高了RCA的整體力學性能［5］.

圖4 不同粗骨料對UHPC 抗壓強度的影響Fig.4 Effect of different coarse aggregates on compressive strength of UHPC

2.3 體積穩定性

圖5 為CRCA和RCA對UHPC自收縮的影響.由圖5 可見：CRCA-UHPC 自收縮值最低（621 μm/m），而RCA-UHPC 的自收縮值最大（約790 μm/m）；當使用RCA 替代NA 時，UHPC 早期自收縮提高 13%，主要原因是本研究中使用的RCA 的高吸水率使得相對水膠比降低，最終導致UHPC 自收縮率增加；與未碳化 RCA 相比，摻入 CRCA 時，UHPC 早期自收縮減少了21%，這是因為碳化處理優化了RCA 的孔隙率，從而降低了吸水率并最終增加了相對水膠比；與NA 相比，摻入 CRCA 時，UHPC 的早期自收縮減少近11%，這可能是CRCA 顆粒的互鎖效應降低了早期自收縮所致.

2.4 抗氯離子滲透性能

圖6為不同粗骨料對UHPC抗氯離子滲透性能的影響.圖中以快速氯離子遷移系數（DRCM）來表征UHPC 的抗氯離子滲透性能.由圖6可見：NA-UHPC、RCA-UHPC 和 CRCA-UHPC 的 DRCM 分 別 為0.56×10-13、1.01×10-13、0.61×10-13m2/s；與 NA 相比，摻入RCA可使UHPC的DRCM增加80%，而摻入CRCA 后，UHPC 的 DRCM 僅增加 9%.上述現象表明，RCA 的高孔隙率導致UHPC 的氯離子滲透性增大［17］，而 RCA 進行碳化處理后孔隙率降低，從而使得UHPC的氯離子滲透性降低.

圖 5 CRCA 和 RCA 對 UHPC 自 收 縮 的 影 響Fig.5 Effect of CRCA and RCA on autogenous shrinkage of UHPC

圖6 不同粗骨料對UHPC 抗氯離子滲透性能的影響Fig.6 Effect of different coarse aggregates on durability of UHPC

2.5 微觀結構

圖7 為3 種UHPC 的掃描電鏡-背散射電子成像（SEM-BSE）照片 .由圖 7 可見：CRCA 與 UHPC基體結合非常緊密，CRCA-UHPC 試樣中沒有明顯的界面過渡區（ITZ）；NA-UHPC 和 RCA-UHPC 的界面過渡區（ITZ）則更為明顯，且其中的孔隙率更大.因此，進一步說明碳化處理可以優化RCA 表面并減少其對UHPC 微觀結構和力學性能的負面影響.

圖 8 為 CRCA 和 RCA 對 UHPC 界 面 過 渡 區（ITZ）硬度的影響 .由圖 8 可見：NA 的硬度為 5.5～10.0 GPa，與 RCA 和 CRCA 相比，NA 與 UHPC 基體之間的ITZ 平均硬度顯著降低，這與BSE 的結果相吻合；CRCA 與UHPC 基體間ITZ 的平均硬度比RCA 與UHPC 基體間ITZ 的平均硬度高 46%，明顯消除了舊砂漿造成的界面缺陷.這是因為舊砂漿表面的碳化可以產生納米碳酸鈣，該活性物質可以促進舊砂漿表面水泥的水化，增加舊砂漿與新砂漿間ITZ 的 平 均 硬 度［14］，CRCA 的 平 均 硬 度 提 高 了 近29%，大大縮小了舊砂漿與UHPC 基體的硬度差距，增加了它們的相容性.

圖 7 3 種 UHPC 的 SEM-BSE 照 片Fig.7 SEM-BSE images of three kinds of UHPC

圖 8 CRCA 和 RCA 對 UHPC 界面過渡區（ITZ）硬度的影響Fig.8 Effect of CRCA and RCA on hardness of interface transition zone（ITZ）of UHPC

3 結論

（1）采用粒徑為 2.36～4.75 mm 的 CRCA 替代NA 制備了UHPC.通過使用MAA 模型，可保證CRCA-UHPC 致密的堆積結構.

（2）相較于對照組，CRCA-UHPC 的抗壓強度提高 9.1%，達到122.66 MPa；CRCA-UHPC 的抗氯離子遷移能力提高65%.

（3）RCA 經碳化處理后，改善了附著在RCA 上的砂漿力學性能，提高了CRCA 與基體間ITZ 的平均硬度，減少了CRCA 對UHPC 微觀結構產生的明顯負面影響.