碳化再生骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響研究

夏曉娟，劉 肖，牛冬春，薛振寧

（徐州市水利工程建設(shè)管理中心,江蘇 徐州 221000）

1 引言

隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快,特別是發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。從環(huán)境保護(hù)和資源有效利用的角度出發(fā),對(duì)建筑拆遷垃圾進(jìn)行回收再利用具有重要意義。在許多國(guó)家,利用碾碎混凝土碎片作為混凝土的再生粗骨料替代天然材料,已經(jīng)在建筑工程中得到推廣[1]。然而,再生粗骨料在結(jié)構(gòu)混凝土中的再利用仍然有限。主要是再生粗骨料密度較低、吸水率孔隙率較高和較低的力學(xué)性能,對(duì)再生混凝土的質(zhì)量產(chǎn)生了不利影響,導(dǎo)致強(qiáng)度低、應(yīng)變高和耐久性差[2]。

近年來(lái),有研究人員提出采用加速碳化技術(shù)來(lái)提高再生粗骨料的質(zhì)量[3]。這一想法基于CO2與混凝土中水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2和C-S-H之間的反應(yīng)。理論計(jì)算表明,充分碳化的混凝土可吸收50%的CO2。反應(yīng)產(chǎn)物CaCO3在體系的孔隙中析出,使整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)更致密。根據(jù)下面的反應(yīng)（1）和反應(yīng)（2）,碳化后,根據(jù)反應(yīng)（1）,固體體積可增加11.8%,根據(jù)反應(yīng)（2）,固體體積可增加23%左右[4]。

以往相關(guān)文獻(xiàn)表明,碳化后的再生粗骨料密度增大,吸水率降低,破碎值增大[5]。實(shí)際工程中,在CO2濃度為0.03%～0.06%的大氣條件下,混凝土也會(huì)發(fā)生碳化,但是完全碳化可能需要100年以上。加速碳化技術(shù)已被用于嘗試快速改善再生粗骨料的性能。到目前為止,能夠證實(shí)碳化再生粗骨料對(duì)混凝土性能的影響的信息有限。本文采用加速碳化技術(shù)制備碳化再生粗骨料,研究碳化再生粗骨料的性能及對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響。

2 材料與試驗(yàn)方案

2.1 材料

為了研究碳化處理對(duì)再生粗骨料性能的影響,本研究使用的再生粗骨料是通過(guò)碾碎一批由預(yù)拌混凝土供應(yīng)商生產(chǎn)的混凝土獲得。表1給出了用于再生粗骨料的原始混凝土的配合比。將粉碎后的混凝土篩分為10 mm～20 mm、5 mm～10 mm和＜5 mm三個(gè)組分。在本研究中選用5 mm～10 mm和10 mm～20 mm兩個(gè)組分的混凝土碎片作為再生粗骨料用于制備新混凝土。

表1 制備再生粗骨料的原始混凝土配合比 單位：kg/m3

除了再生粗骨料外,本研究還使用碎花崗巖（5 mm～10 mm和10 mm～20 mm）、河砂（＜5 mm）、水泥和高效減水劑用于制備混凝土混合物。采用符合標(biāo)準(zhǔn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥。水泥的化學(xué)成分和物理性質(zhì)見(jiàn)表2和表3。

表2 普通硅酸鹽水泥的化學(xué)成分

表3 普通硅酸鹽水泥的物理性能

2.2 加速碳化方法

對(duì)再生粗骨料進(jìn)行碳化之前,先對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,使其具有適當(dāng)含水量,以促進(jìn)碳化。將制備好的再生粗骨料放入容積約為100 L的密閉鋼制圓柱容器內(nèi),用真空泵將容器內(nèi)抽成真空,注入CO2氣體。然后,室內(nèi)的壓強(qiáng)由氣體調(diào)節(jié)器控制并保持在所需的恒定水平。在這項(xiàng)研究中,再生粗骨料分別在1 Bar（Bar=0.1 MPa）和10 Bar的壓強(qiáng)下,CO2濃度約為100%的條件下進(jìn)行24小時(shí)的碳化。

2.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

表4列出了混凝土骨料在飽和表面干時(shí)的混凝土配合比。為了使混凝土具有較好的和易性,在拌合料里添加了高效減水劑,為了保證各組混凝土工作相似性,減水劑添加量隨著再生骨料的增加而增加。采用二次攪拌法拌合混凝土混合料。對(duì)于上述每種混凝土混合物,在模具中澆鑄一系列混凝土試樣,然后由振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。配制的混凝土試件包括尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試塊,尺寸為直徑100 mm×高200 mm的混凝土圓柱體試件,尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的混凝土棱柱試件。實(shí)驗(yàn)室中固化24小時(shí)后進(jìn)行脫模,在25±2℃的水箱中進(jìn)一步固化。在28天齡期用立方體試塊測(cè)定混凝土的物理性能和抗壓強(qiáng)度。在28天齡期用棱柱試件測(cè)量混凝土的抗彎強(qiáng)度。在28天齡期用圓柱體試件測(cè)量混凝土的靜態(tài)彈性模量。

表4 混凝土的配合比

2.4 試驗(yàn)方法

每個(gè)樣品或試件的最終測(cè)試值均為三次測(cè)試的平均值。

2.4.1 骨料性能的測(cè)定

根據(jù)《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685-2001）和《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JCJ 52-2006）對(duì)再生粗骨料的密度和吸水率進(jìn)行測(cè)試。

2.4.2 混凝土抗壓強(qiáng)度的測(cè)試

主成分分析是一種利用降維的思想把多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為幾個(gè)主要變量，排除其他對(duì)數(shù)據(jù)分析有干擾的相關(guān)性較小或不相關(guān)變量的方法[11].在數(shù)據(jù)具有可信度的前提條件下，利用較少的幾個(gè)綜合指標(biāo)取代多個(gè)指標(biāo)，從而使研究目的更清晰，研究效率更高.由于各區(qū)縣發(fā)展歷史、資源稟賦、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)不同，各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在著較大差異.為了更加科學(xué)地反映各縣域經(jīng)濟(jì)綜合發(fā)展情況，以前人研究成果為基礎(chǔ)并結(jié)合實(shí)際，采用主成分分析進(jìn)行成都平原城市群區(qū)域經(jīng)濟(jì)時(shí)空差異研究[12]，其分析步驟如下：

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2016）,制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊于28天齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。混凝土的抗壓強(qiáng)度是用承載能力為3000 kN的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)確定的。根據(jù)規(guī)范要求,壓縮試驗(yàn)的加載速率為0.5 MPa/s。

2.4.3 混凝土靜彈性模量的測(cè)試

在28天齡期對(duì)尺寸為直徑100 mm×高200 mm的混凝土圓柱體試件進(jìn)行靜態(tài)彈性模量的測(cè)試。

2.4.4 混凝土抗折強(qiáng)度的測(cè)試

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2016）,制備尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的混凝土棱柱試件,于28天齡期進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試。在三點(diǎn)彎曲裝置中測(cè)試抗折強(qiáng)度,兩支座之間的距離為300 mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳化前后再生粗骨料的性質(zhì)

碎花崗巖（NCA）、非碳化的再生粗骨料（RCA）、壓強(qiáng)為1 Bar的碳化再生粗骨料（RCA-1 Bar）和壓強(qiáng)為10 Bar的碳化再生粗骨料（RCA-10 Bar）的表觀密度、吸水率分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 不同類(lèi)型粗骨料的表觀密度

圖2 不同類(lèi)型粗骨料的吸水率

可以看出,碳化后再生粗骨料的性能得到了改善。與非碳化再生粗骨料相比,碳化再生粗骨料的表觀密度增加了0.8%,吸水率降低了16.7%。在碳化過(guò)程中,隨著壓強(qiáng)從1 Bar增加到10 Bar,碳化再生粗骨料的表觀密度略有增加（0.53%）,吸水率降低了5.1%。隨著壓力的增加,再生粗骨料碳化的更加徹底,其性能得到了改善。壓強(qiáng)為10 Bar時(shí),粗骨料的表觀密度達(dá)到了2636 kg/m3,超過(guò)了天然骨料的表觀密度。

3.2 混凝土的物理性能

圖3顯示了不同類(lèi)型再生粗骨料（RAC、RAC-1 Bar和RAC-10 Bar）不同替代率時(shí)混凝土表觀密度的變化規(guī)律。從圖中可以看出,隨著再生粗骨料替代率的增加,混凝土表觀密度大約呈線性下降趨勢(shì)。與非碳化再生粗骨料相比,使用碳化再生粗骨料,混凝土的密度進(jìn)一步增加。在碳化過(guò)程中,隨著壓強(qiáng)從1 Bar增加到10 Bar,混凝土的表觀密度略有增加。圖4顯示了不同類(lèi)型再生粗骨料替代率為100%時(shí)混凝土的表觀密度。與天然骨料混凝土相比,再生骨料混凝土的表觀密度降低了4.6%。與非碳化再生粗骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的表觀密度增加了1.1%。碳化過(guò)程壓強(qiáng)從1 Bar增加到10 Bar時(shí),混凝土的表觀密度增加了0.31%。

圖3 不同類(lèi)型混凝土28天齡期的表觀密度

圖4 粗骨料替代率100%時(shí)不同類(lèi)型混凝土的表觀密度

3.3 混凝土的抗壓強(qiáng)度

不同類(lèi)型混凝土在28天齡期的抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可以看出,混凝土的抗壓強(qiáng)度取決于再生粗骨料的替代率、再生粗骨料的類(lèi)型和再生粗骨料的碳化壓強(qiáng)。

圖5 不同類(lèi)型混凝土28天齡期的抗壓強(qiáng)度

與100%天然骨料混凝土相比,100%非碳化再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯降低,下降了19.2%。但當(dāng)粗骨料替代率為25%時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化。

當(dāng)使用碳化再生粗骨料時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了增強(qiáng)。與100%非碳化再生粗骨料的混凝土相比,在10 Bar壓強(qiáng)下,100%碳化的新混凝土抗壓強(qiáng)度明顯提高,提高了14.8%。此外,與100%天然骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有明顯降低。這意味著,當(dāng)再生粗骨料經(jīng)過(guò)碳化處理后,不僅有助于提高再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度,而且還允許在混凝土中重復(fù)使用更高比例的再生粗骨料。

圖6顯示了不同類(lèi)型再生粗骨料替代率為100%時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度。碳化過(guò)程壓強(qiáng)從1 Bar增加到10 Bar時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提高,僅提高1.6%。可以看出,1 Bar的壓強(qiáng)下將骨料碳化24小時(shí)后,骨料中適合碳化的成分基本耗盡。因此,在使用較長(zhǎng)時(shí)間的碳化處理程序時(shí),所使用的碳化壓力對(duì)混凝土影響較小。

圖6 粗骨料替代率100%時(shí)不同類(lèi)型混凝土的抗壓強(qiáng)度

3.4 混凝土的靜彈性模量

不同類(lèi)型混凝土在28天齡期的靜彈性模量結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖中可以看出,隨著混凝土中再生粗骨料的增加,混凝土的彈性模量逐漸降低。與非碳化再生粗骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的彈性模量變大。

圖7 不同類(lèi)型混凝土28天齡期的靜彈性模量

圖8顯示了不同類(lèi)型再生粗骨料替代率為100%時(shí)混凝土的靜彈性模量。與100%非碳化再生粗骨料混凝土相比,100%碳化再生粗骨料混凝土的彈性模量提高了11.9%。和混凝土的抗壓強(qiáng)度相似,碳化過(guò)程壓強(qiáng)從1 Bar增加到10 Bar時(shí),混凝土的彈性模量略有增加,約為1.5%。

圖8 粗骨料替代率100%時(shí)不同類(lèi)型混凝土的靜彈性模量

3.5 混凝土的抗折強(qiáng)度

不同類(lèi)型混凝土在28天齡期的抗折強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)圖9。從圖中可以看出,混凝土的抗折強(qiáng)度結(jié)果與靜彈性模量和抗壓強(qiáng)度的結(jié)果相比,有相似的變化趨勢(shì)。隨著混凝土中再生粗骨料的增加,混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸降低。與非碳化再生粗骨料混凝土相比,摻入碳化再生粗骨料明顯提高了混凝土的抗折強(qiáng)度。在碳化過(guò)程中,隨著壓強(qiáng)從1 Bar增加到10 Bar,混凝土的抗折強(qiáng)度略有增加。在10 Bar壓強(qiáng)下,與天然骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的抗折強(qiáng)度并沒(méi)有明顯降低。

圖9 不同類(lèi)型混凝土28天齡期的抗折強(qiáng)度

圖10顯示了不同類(lèi)型再生粗骨料替代率為100%時(shí)混凝土的抗折強(qiáng)度量。與100%非碳化再生粗骨料混凝土相比,100%碳化再生粗骨料混凝土抗折強(qiáng)度提高了29.8%。此外,替代率為50%以下的碳化再生粗骨料用于混凝土,獲得的抗折強(qiáng)度與對(duì)照混凝土相當(dāng)。碳化壓力對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響較小。

圖10 粗骨料替代率100%時(shí)不同類(lèi)型混凝土的抗折強(qiáng)度

4 結(jié)論

本文采用加速碳化技術(shù)在壓強(qiáng)分別為1 Bar和10 Bar下制備碳化再生粗骨料。測(cè)試了再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、靜彈性模量和抗折強(qiáng)度。

（1）碳化后再生粗骨料的性能得到了改善。與非碳化再生粗骨料相比,碳化再生粗骨料的表觀密度增加了0.8%,吸水率降低了16.7%。在碳化壓強(qiáng)從1 Bar增加到10 Bar時(shí),碳化再生粗骨料的表觀密度增加0.53%,吸水率降低5.1%。

（2）與非碳化再生粗骨料相比,碳化再生粗骨料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有顯著的提高,分別增加了14.8%和29.8%。壓強(qiáng)從1 Bar增加到10 Bar時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均略有增加,但變化不明顯。

（3）隨著混凝土中再生粗骨料的增加,混凝土的彈性模量逐漸降低。與非碳化再生粗骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的彈性模量提高了11.9%。壓強(qiáng)從1 Bar增加到10 Bar時(shí),混凝土的彈性模量略有增加,約為1.5%。

（4）在壓強(qiáng)為10 Bar下制備的碳化再生粗骨料,替代率為50%及以下時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度、靜彈性模量和抗折強(qiáng)度均與對(duì)照混凝土相當(dāng)。