再生混凝土的碳化性能研究

張啟超

（江蘇雙龍集團(tuán)有限公司 江蘇南京 211111）

隨著建筑可持續(xù)理念的發(fā)展，再生混凝土可循環(huán)利用混凝土材料得到了快速推廣和應(yīng)用。相較于普通混凝土，再生混凝土的強(qiáng)度差異性不大，但是耐久性卻相對(duì)較差，尤其是碳化問(wèn)題更是危害再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要因素。

1 再生混凝土的碳化機(jī)理分析

同天然骨料混凝土碳化機(jī)理類(lèi)似，再生混凝土內(nèi)部有著大量的微孔隙，且微孔隙之間有著直接或間接連通，空氣中的二氧化碳滲透到混凝土內(nèi)部的微孔隙以及表面中，如果內(nèi)部水分充足，就會(huì)使內(nèi)部的C-S-H凝膠和堿性物質(zhì)氫氧化鈣直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即是固相、液相和氣相等復(fù)雜物質(zhì)構(gòu)成體系中一個(gè)物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。不同于天然混凝土，再生混凝土的孔隙率更大、更多，抗壓強(qiáng)度也更差，尤其是表面覆蓋著許多水泥砂漿，增加了其表面的堿度，減緩了混凝土碳化的速度。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)中的再生混凝土材料分別為：水泥，采用普通硅酸鹽水泥（42.5MPa，海螺牌）；粗細(xì)骨料分別為碎石和河砂（中砂，表觀密度2572kg/m3）；再生骨料由人工破碎處理廢氣混凝土試塊制成，級(jí)配連續(xù)性好，相應(yīng)的粒徑控制在5～31.5mm；礦物摻合料選擇礦渣與粉煤灰。

2.2 試驗(yàn)方法

科學(xué)設(shè)計(jì)再生混凝土的配合比，力求從再生骨料、水灰比、礦物摻合料等方面，對(duì)再生混凝土的碳化性能進(jìn)行研究，相應(yīng)的碳化試驗(yàn)試件及其構(gòu)成組分詳見(jiàn)表1。

表1 碳化試件基本參數(shù)

在本次試驗(yàn)檢測(cè)中，其中所用到的混凝土試件均采用標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的制作流程進(jìn)行。碳化深度采用劈裂試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，具體就是采用酚酞酒精溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%）噴涂在待測(cè)混凝土斷面上對(duì)試塊的碳化深度進(jìn)行標(biāo)識(shí)，其中碳化混凝土堿性孔溶液和酚酞發(fā)生反應(yīng)后會(huì)顯示成紅色，不變色部位的深度則可以確定成碳化深度。在實(shí)際的測(cè)定過(guò)程中，可以在每個(gè)試塊上合理地布置8～9個(gè)測(cè)試點(diǎn)，然后對(duì)測(cè)試點(diǎn)的平均值當(dāng)作試件的碳化深度測(cè)量值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水灰比對(duì)再生混凝土碳化性能的影響

一般混凝土的水灰比越大，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就更加疏松，有著較多的孔隙或其他缺陷，這就決定了其具有相對(duì)較弱的抗碳化能力。此外，碳化時(shí)間的不同，也會(huì)給再生混凝土碳化性能產(chǎn)生不一樣的影響。通過(guò)本次試驗(yàn)研究，關(guān)于水灰比差異對(duì)再生骨料碳化深度的影響結(jié)果可以得到圖1。

圖1 水灰比對(duì)再生混凝土碳化深度的影響

由圖1可知，碳化時(shí)間小于7d時(shí)，水灰比對(duì)混凝土碳化深度的影響不顯著，但是在28d后，伴隨著水灰比的增加，相應(yīng)的混凝土碳化深度出現(xiàn)顯著增加，且在大于0.5后，混凝土碳化深度的增加逐漸保持平緩狀態(tài)，但是依然會(huì)隨著混凝土水灰比的增加，相應(yīng)的碳化深度也有所增加，是由于混凝土的水灰比越大，其單位體積內(nèi)的水泥用量就越少，其內(nèi)部水泥石密度也相對(duì)較小，使得二氧化碳更加容易擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。

3.2 再生骨料摻加量對(duì)再生混凝土碳化性能的影響

再生骨料是影響再生混凝土碳化性能的一個(gè)重要因素，主要體現(xiàn)在再生骨料的品質(zhì)和摻量?jī)蓚€(gè)方面。再生骨料品質(zhì)，主要涉及到孔隙率、骨料級(jí)配以及吸水率等多個(gè)指標(biāo)，即在同樣骨料摻量的條件下，不同品質(zhì)再生骨料對(duì)其所構(gòu)成再生混凝土碳化性能產(chǎn)生不同影響。一般可以采用濕處理法、化學(xué)強(qiáng)化法和物理強(qiáng)化法等方法，對(duì)再生混凝土的界面過(guò)渡區(qū)進(jìn)行改善，從而提升了其碳化性能。另一方面，再生骨料的摻加量同樣會(huì)影響其碳化性能，由于再生骨料摻加量的增加后，會(huì)增加再生混凝土中的可碳化成分，在一定程度上提升再生混凝土的碳化抗力。但是也會(huì)增大其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率，削弱其抗碳化能力。通過(guò)本次研究，可得再生骨料摻量對(duì)再生混凝土碳化深度的影響規(guī)律如圖2所示。

圖2 再生骨料摻加量對(duì)其碳化深度的影響

由圖2可知，在再生骨料摻量小于50%的時(shí)候，再生混凝土碳化深度增加不顯著，但是在再生骨料摻量為50%的時(shí)候，再生混凝土碳化深度甚至出現(xiàn)了降低的情況，這主要是由于如果摻量比較小，那么會(huì)使再生骨料表面所包裹的老舊砂漿在一定程度上會(huì)增加水泥含量，這會(huì)影響再生混凝土內(nèi)部密實(shí)度，有助于提升其抗碳化能力。在再生骨料摻加量達(dá)到100%后，由于其具有比較大的孔隙率，且破碎骨料自身存在許多微裂縫，這使得二氧化碳在其內(nèi)部中的擴(kuò)散通道比較多，以至于降低了其抗碳化能力，增加了再生混凝土的碳化深度。

3.3 礦物摻合料對(duì)再生混凝土碳化性能的影響

礦物摻合料在再生混凝土中的應(yīng)用，可以對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙進(jìn)行細(xì)化，有助于改善新水泥漿體和再生集料之間的界面狀況，提升再生混凝土的抗碳化性能，卻會(huì)降低其內(nèi)部堿含量，加快了其碳化的速率，這種復(fù)合作用共同對(duì)再生混凝土的碳化性能產(chǎn)生影響。

通過(guò)在再生混凝土中應(yīng)用礦物摻合料，可以顯著地降低再生混凝土的碳化深度，這就是礦物摻合料改善了新水泥漿體和再生骨料間的界面，促使其內(nèi)部變得更加密實(shí)。而借助粉煤灰的摻入，顯著地增加混凝土密實(shí)度，可以減少混凝土內(nèi)部堿性成分，但是礦物摻合料在改善效果方面的作用要顯著優(yōu)于粉煤灰的改善效果。實(shí)際應(yīng)用上根據(jù)施工的需求，靈活地選擇摻加料改善混凝土的使用性能。

3.4 其他條件對(duì)再生混凝土碳化性能的影響

除了上述因素對(duì)再生混凝土碳化性能產(chǎn)生的影響外，荷載、養(yǎng)護(hù)條件也是非常關(guān)鍵的影響因素。荷載也是影響再生混凝土碳化性能的一個(gè)因素。混凝土碳化過(guò)程本質(zhì)上是一種在荷載以及各種環(huán)境條件交互作用所形成的一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，荷載的形式以及大小均會(huì)對(duì)混凝土碳化的速率以及深度等產(chǎn)生影響。比如，有關(guān)研究證實(shí)了拉應(yīng)力會(huì)在一定程度上提升混凝土碳化效率。養(yǎng)護(hù)條件對(duì)再生混凝土碳化性能同樣具有非常明顯的影響，具體主要體現(xiàn)在濕度和溫度等指標(biāo)方面。在非標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，伴隨著標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的縮短，相應(yīng)的混凝土碳化深度也呈現(xiàn)為持續(xù)擴(kuò)大的變化過(guò)程，進(jìn)一步增加了再生混凝土的幅度，且濕養(yǎng)護(hù)在提高混凝土抗碳化能力方面的作用更加顯著。比如，對(duì)于C30混凝土，其在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后3d的碳化深度僅僅達(dá)到5.1mm，顯著低于濕養(yǎng)護(hù)條件（1d濕養(yǎng)護(hù)+15d干養(yǎng)護(hù)）下所得到的碳化深度15.3mm。

總之，碳化性能是影響再生混凝土應(yīng)用質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。影響再生混凝土碳化性能的因素眾多，具體包括再生骨料種類(lèi)及數(shù)量、水灰比、礦物摻合料等。在實(shí)際的應(yīng)用中，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)再生混凝土配合比，盡可能地減弱其碳化作用。