再生骨料摻量對混凝土碳化性能的影響

肖前慧,郭欣怡,邱繼生,武 哲,師姍姍

(西安科技大學 建筑與土木工程學院,陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著中國社會經濟的不斷發展,再生混凝土作為一種新型綠色建材具有良好的發展前景[1],再生粗骨料由廢棄混凝土破碎分解生成,大部分再生骨料表面附著舊砂漿,使得再生骨料吸水率、壓碎值和孔隙率變大,從而使得強度降低[2]。耐久性問題是再生混凝土研究的重要方向,抗碳化性是耐久性研究的重點之一。國內外學者正在進行相關研究,期待將再生混凝土運用到實際工程之中。霍艷華等經過試驗研究發現,當摻入的再生骨料取代率為30%時,再生骨料混凝土的碳化性能不會發生大的變化[3];SAGOE-CRENTSIL等經過研究發現當再生混凝土全部被取代時,碳化速率會比普通混凝土快10%[4]。BUYLE-BODIN等為研究再生骨料特性,選用再生粗細骨料全部取代天然骨料,發現在配合比相同時,碳化速率是普通混凝土的3倍[5];雷斌等研究發現再生混凝土碳化速率不但與再生骨料摻量有關,還與再生骨料本身的強度有關,在碳化后期混凝土的碳化速率還會隨碳化時間延長而降低[6];李秋義等為研究再生混凝土碳化作用下的界面過渡區變化情況,建立了多重界面的模型,使得再生混凝土界面研究更有針對性[7];王忠星等研究了不同強度等級再生骨料構成的多重界面在碳化作用下的微觀結構變化[8];朱從香等研究發現化學浸泡法能夠修復再生混凝土的微裂縫,改善骨料的界面結構,強化再生粗骨料,增強了抗碳化能力[9]。

現有關于再生混凝土抗碳化性能的研究主要集中在宏觀性能或微觀結構變化上,而微觀結構變化與宏觀性能變化相結合的分析領域幾乎是空白。對不同取代率的再生混凝土進行了碳化試驗,從宏觀性能方面分析了再生混凝土碳化深度隨碳化時間的變化規律,以及再生骨料取代率對混凝土抗壓強度的影響;在微觀結構方面采用顯微硬度儀研究了不同碳化時間、相同碳化深度下再生混凝土界面過渡區顯微硬度值的變化。分析碳化時間、再生骨料摻量等因素對界面過渡區微觀結構的影響,從顯微硬度值變化和界面過渡區寬度的變化揭示混凝土碳化機理,進一步分析宏觀性能與微觀結構的關系。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗采用上海海螺水泥有限責任公司生產的P.O42.5R水泥(表1)。天然細骨料采用灞河中砂,細度模數為2.5。天然粗骨料是產自耿鎮的碎石,根據規范GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》其粒徑分布范圍5～25 mm(表2)。再生粗骨料是采用廢棄混凝土經過實驗室簡單破碎制成,根據規范GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》,粒徑分布范圍在5～31.5 mm,級配良好(表3)。外加劑為減水劑,減水劑使用Q8011HPWR高性能減水劑。拌合水為為飲用自來水。

表1 水泥的基本性能指標

表2 天然粗骨料物理性質

表3 再生粗骨料物理性質

1.2 試樣制備與養護

試驗參照規范JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》和規范GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》確定再生混凝土的配合比(表4)。

表4 再生混凝土配合比

根據規范GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》,將按比例稱量好的粗骨料、細骨料、膠凝材料、等比例的外加劑和水依次放入混凝土攪拌機中攪拌,制成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,標準鋼膜成型,振搗臺振搗密實,帶模養護24 h后拆模,隨后放入標準養護室養護28 d。

1.3 碳化深度試驗方法

對每組試樣在碳化3,7,14和28 d時測量其碳化深度。由于本試驗使用的是立方試塊,因此取下3組具有相應碳化時間的試塊,并在碳化表面的中部進行劈裂。在劈裂面上噴灑1%濃度的酚酞酒精溶液,等待約30 s后,在碳化面上每隔10 mm測量混凝土的碳化深度作為測量點。碳化深度值是每組3個試塊的平均碳化深度。

1.4 顯微硬度儀試驗方法

材料硬度可以很好地反映出材料彈塑性變形的特性,且根據材料的硬度可以近似估算出材料的強度,因此硬度是反應材料性能的一項重要的力學性能指標。本試驗采用的HVS—1000Z顯微硬度計是通過維氏硬度來對混凝土界面顯微硬度進行測試。處理得到的數據后得到顯微硬度標準值范圍,以標準值下限做界面過渡區的界限值。以所測顯微硬度值減去界限值,數據為負數則表明該區域的顯微硬度值低于標準區域的下限值,判定該區域為界面過渡區。

2 結果與分析

2.1 再生混凝土宏觀特征

2.1.1 再生混凝土碳化深度

碳化深度可以直觀的反映混凝土內部堿性環境的變化,便于預測混凝土結構的使用壽命,它是評估混凝土結構物耐久性的重要指標之一。碳化28 d的再生混凝土(圖1),采用酚酞酒精溶液作為指示劑測量碳化深度(未碳化的變成紅色,已碳化的不變色),可以看出隨著再生骨料摻量的增加,再生混凝土紅色區域越少,說明碳化的深度越深。

圖1 碳化28 d碳化深度Fig.1 Carbonization depth at 28 d

通過碳化深度隨時間變化規律可以看出,隨著碳化時間的增長碳化深度在增加(圖2)。與RC0混凝土相比,碳化3,7,14和28 d后,RC30組和RC50組再生混凝土的碳化深度分別增加了36%,6.8%,12.2%,13.1%和53.4%,21.1%,35.8%,31.2%。說明再生骨料取代率越大抗碳化性能越差,這是因為再生混凝土中摻加的再生骨料表面有水泥砂漿以及生產中造成的微裂縫,二氧化碳氣體通過孔隙和裂縫進入混凝土內部。所以隨著再生骨料取代率的增加,再生混凝土裂縫和孔隙越多二氧化碳擴散越深。

圖2 再生混凝土碳化深度變化規律Fig.2 Variation pattern of the carbonization depth of recycled concrete

2.1.2 再生混凝土抗壓強度

從不同碳化時間后再生混凝土抗壓強度的變化規律看出,碳化28 d后與RC0混凝土對比,RC30和RC50再生混凝土的抗壓強度分別降低了15.5%和24.1%。RC0、RC30和RC50混凝土的抗壓強度分別比碳化前提高了2%,14%和15%,可以看出取代率超過30%后的混凝土抗壓強度的增加幅度減小。碳化后的再生混凝土內部會發生一系列物理化學反應,產生新的物質來填充混凝土的孔隙,從而提高混凝土的抗壓強度[10]。碳化初期再生骨料內部存在許多微裂縫,碳化產物充分填充了混凝土的孔隙,因此取代率為30%混凝土的抗壓強度會發生顯著變化。當再生骨料取代率為50%時,碳化生成物無法填充較大的孔隙,所以抗壓強度增幅有所下降(圖3)。

圖3 再生混凝土抗壓強度的變化規律Fig.3 Variation pattern of the compressive strength of recycled concrete

2.2 再生混凝土微觀特征

2.2.1 再生混凝土微觀形貌

分別從RC0組和RC50組混凝土碳化28 d后微觀界面特征看出(圖4,圖5),RC0組混凝土碳化28 d后,骨料與漿體結合的比較緊密,這是因為碳化后界面過渡區內堆積大量的CaCO3顆粒(圖4(c)),填充了界面微小孔隙,界面過渡區結構變得致密起來[11],RC50組混凝土碳化28 d后,骨料和漿體之間的裂縫增加,大量的CaCO3晶體存在于界面過渡區的裂縫當中無法完全填充孔隙和裂縫的空間,使得連通孔隙增多(圖5(c)),界面過渡區結構變得疏松[12]。

圖4 RC0組碳化28 d微觀界面特征Fig.4 Microscopic interface characteristics of RC0 Group carbonization 28 d

圖5 RC50組碳化28 d微觀界面特征Fig.5 Microscopic interface characteristics of RC50 Group carbonization 28 d

2.2.2 碳化時間對顯微硬度的影響

由3種界面不同碳化時間下顯微硬度可知(圖6),從碳化3～28 d,再生骨料摻量為30%的老骨料老漿體界面、骨料新漿體界面和老漿體新漿體界面過渡區最低顯微硬度值分別從33～59 N/mm2、28～48 N/mm2以及從33～51 N/mm2,界面過渡區寬度分別從46～30 μm,降低了34%、從63～47 μm,降低了25%以及從47～39 μm,降低了17%。

圖6 3種界面不同碳化時間下顯微硬度Fig.6 Microhardness at different carbonization times of three interfaces

2.2.3 再生骨料摻量對顯微硬度的影響

通過碳化28 d后3種界面顯微硬度看出。老骨料老漿體界面和老漿體新漿體界面中RC30組和RC50組界面過渡區寬度分別約為30,31 μm和39,41 μm,界面過渡區最低顯微硬度值分別為59,56 N/mm2和51,50 N/mm2。骨料新漿體界面RC0組、RC30組和RC50組界面過渡區最低顯微硬度值分別為46,48 N/mm2和44 N/mm2,界面過渡區寬度約為42,47 μm和50 μm。碳化28 d后3種界面不同摻量的再生混凝土中同類界面顯微硬度值相差不大,但是RC30組整體微觀界面結構較RC50組好(圖7)。這是因為不同的組的再生混凝土取材一樣,只改變再生骨料的取代率,所以同類界面顯微硬度變化趨勢大致相同。又由于再生骨料具有孔隙率大、低密度和裂縫多的缺點[18-19],所以隨著再生骨料摻量的增加,使得再生混凝土中碳化生成的產物對界面的優化作用小于孔隙和裂縫對界面結構的劣化作用。所以在碳化28 d后RC30組的顯微硬度值高于RC50組。

圖7 碳化28 d 3種界面顯微硬度Fig.7 Microhardness of the three interfaces by carbonization 28 d

2.3 宏觀性能與微觀結構的關系

2.3.1 碳化深度與微觀結構的關系

將RC30組碳化深度隨時間的變化規律(圖2)和RC30組微觀試驗數據進行對比分析(圖8)。在碳化14 d后界面過渡區寬度和碳化深度變化速率均出現轉折,且變化速率都減小。再生混凝土碳化深度的變化與界面過渡區寬度的變化相反。碳化初期界面過渡區寬度減小較快是因為此時混凝土內部孔隙和微裂縫較多,二氧化碳的擴散速率快[20],生成的碳化產物快速將孔隙填充。碳化14 d后寬度保持穩定的原因是填充效果達到最大[21-22]。同時碳化后期老骨料老漿體界面過渡區寬度略有減小,表明微觀結構中仍有空間填充碳化產物。從宏觀角度來看,這也是對碳化14 d后碳化深度仍有增長但是增長速率有所減緩進行說明。

圖8 RC30組碳化深度與界面過渡區寬度的關系Fig.8 Relationship between the RC 30 group carbonization depth and the width of the interface transition zone

2.3.2 抗壓強度與微觀結構的關系

通過比較RC30組微觀結構數據與RC30組抗壓強度的變化規律(圖3), 可以看出抗壓強度與再生混凝土界面過渡區顯微硬度以及界面過渡區寬度的關系(圖9)。碳化后再生混凝土抗壓強度與界面顯微硬度的變化趨勢相同而與界面過渡區寬度的變化趨勢相反。界面過渡區為混凝土性能的薄弱點。從抗壓強度與再生混凝土界面過渡區顯微硬度看出(圖9(a)),碳化后,界面過渡區總體密實度提升,改善了該薄弱點,增強了總體力學性能。當界面過渡區顯微硬度增幅減小后,再生混凝土力學性能增幅也隨之下降,其變化幅度接近。從抗壓強度與再生混凝土界面過渡區寬度可以看出(9(b)),碳化14 d后界面過渡區寬度的減小速度減慢,表明碳化對再生混凝土界面過渡區微觀結構的改善作用減弱[23-25]。但其相反的變化趨勢更容易看出再生混凝土抗壓強度變化的原因。所以界面過渡區的寬度變化可以更好地表征宏觀性能的變化。

3 結 論

1)RC0、RC30 和 RC50 組混凝土抗壓強度相比碳化前都有所提高,說明碳化可以增強再生混凝土強度。

2)再生混凝土的不同界面經碳化作用后界面過渡區變化幅度不同。老骨料老漿體界面抗碳化性遠強于骨料新漿體界面、老漿體新漿體界面。

3)再生骨料取代率越大混凝土的界面結構優化性能越低,所以再生骨料摻量為30%時微觀界面結構整體較摻量為50%好。

4)再生混凝土界面過渡區的顯微硬度和過渡區寬度隨碳化深度和抗壓強度的變化而變化。微觀結構的變化可以有效地解釋宏觀性能的變化,使用界面過渡區寬度的變化來表征宏觀性能的規律更準確。