廢棄混凝土碳化再生磚的初步探索

馮琪

摘要：不同的碳化養護時間對碳化后的氫氧化鈣試塊的抗壓強度有著顯著影響。文章通過試驗改變二氧化碳的養護時間來研究氫氧化鈣試塊的碳化性能。試驗結果顯示：隨著養護時間的延長，碳化試塊的抗壓強度不斷提高;但是當養護時間超過24h時，試塊的抗壓強度有下降趨勢。經分析，抗壓強度的提高一方面是由于碳化時間的延長，氫氧化鈣不斷地與二氧化碳反應生成碳酸鹽膠凝材料（碳酸鈣）及體積膨脹填充微小孔隙;另一方面是由于隨著碳化時間延長，碳化生成的碳酸鈣逐漸由不穩定晶型向穩定晶型發生轉變，這樣也使得試塊的抗壓強度提高。而碳化時間過長，試塊內部由于膨脹產生了原始微裂縫，這樣導致了碳化試塊的抗壓強度呈降低趨勢。

關鍵詞：廢棄混凝土;氫氧化鈣;碳化;二氧化碳;碳酸鈣

中圖分類號：U416.03 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.012

文章編號：1673-4874（2019）10-0040-04

0引言

快速的城鎮化進程，為城市帶來了繁榮的經濟面貌，而同時因功能不足、年限規定和老化等原因，拆除和擴建的市政道路也正以同樣的速度為城市帶來數以億計的建筑垃圾。混凝土用量增加，而制備混凝土的砂、石和水泥等建筑材料正在逐年減少。為了緩解資源緊張的情況，各國大都采取“源頭消減”和“產物循環再生”策略，即在建筑垃圾產生之前就采取相應的措施減少其排放量，對已產生的建筑垃圾則采用科學手段，制備成具有循環再利用功能的建筑材料，達到廢棄處理、資源有效利用、減少污染和促進經濟發展的效果。本文針對市政道路改擴建銑刨產生的廢棄混凝土進行“低溫分離”，將分離得到的再生細骨科和再生細粉進行碳化制備形成再生磚。

礦物固碳作為一種固碳方法已經得到了廣泛認可，但是目前進行的大量研究主要集中在提高礦物碳化效率上，如Ah-Hyung Alissa Park等人通過化學處理的方式來提高蛇紋石的碳化效率;Andre van Zomeren等人對鋼渣中礦物的濾取對碳化效率的影響進行了研究。然而這些單純為了提高碳化效率而進行的研究未考慮碳化后產物的利用，必然會提高礦物固碳的成本。因此，為了充分利用碳化后的產物，本試驗首先對氫氧化鈣進行碳化，不僅僅考慮碳化效率這個指標，而且還對碳化后樣品的抗壓強度進行討論，為碳化制品滿足強度要求提供指導。

1試驗

1.1 試驗原料及方法步驟

試驗原料有純氫氧化鈣和質量分數為99.9%的CO氣體及蒸餾水。

試驗所采用的試塊均是在統一的用水量（粉末質量的12.5%）及同一種成型壓力（5MPa）的條件下壓制而成，每組成型8個試塊。碳化過程中反應釜中氣體壓力保持恒定（0.25MPa），濕度保持在75%。以不同碳化時間作為變量，將成型好的試塊碳化至設定時間，碳化時間分別為1min、2min、5min、10min、20min、30min、60min、90min、120min、180min、720min、1d、3d及28d。將碳化好的試塊取3塊進行烘干前強度測試，結果取測試平均值。為了避免碳化試塊進一步碳化，將另外5塊放入干燥皿中，進行低溫烘干（50℃）48h。烘干之后取出試塊對其中3塊進行抗壓強度試驗，其余試塊留作微觀形貌測試使用。

1.2 表征方法

本試驗主要有：碳化試塊抗壓強度采用WDW-50KN微機控制萬能試驗機進行測試，壓力加載速率為2mm/min，同時還利用環境掃描電子顯微鏡（ESEM）對碳化后的試塊進行微觀形貌觀察。

碳化程度用氫氧化鈣碳化轉變率來表示，計算方法如式（1）：

2 試驗結果

圖1所示為氫氧化鈣碳化轉變率隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，氫氫化鈣試塊碳化主要集中在24h內，當碳化時間繼續延長時，碳化進行得非常緩慢，碳化24h與28d的碳化轉變率分別為85.14%與92.57%。

試塊抗壓強度試驗結果如圖2所示。隨著碳化時間的延長，試塊的碳化效率在逐漸提高，隨之試塊的抗壓強度也不斷增加。通過對不同碳化時間烘干前后試塊抗壓強度的對比可以發現，烘干后試塊強度要明顯高于烘干前，而且通過對比圖2（b）中兩條曲線的斜率可以發現，當碳化時間在60min內時，烘干前后試塊抗壓強度變化要比碳化超過100min的試塊明顯。

3 試驗分析

本試驗選用擴散控制碳化模型，碳化過程如圖3所示。固體礦物碳化開始后，礦物顆粒表面首先與CO接觸，反應生成碳酸鈣層將未碳化顆粒包裹，使得碳化進程受阻，因此碳化轉變為擴散控制。本試驗雖然在樣品制備的過程中將氫氧化鈣與水進行拌合，但是用水量很小，適用于固體碳化擴散控制模型。

根據上述碳化模型及氫氧化鈣碳化轉變率隨時間變化結果可知，當碳化時間超過24h后，碳化顆粒表面形成的碳酸鈣產物層阻礙了二氧化碳的擴散，這是使得碳化速率下降的主要原因。另一個導致碳化速率變緩的原因是在整個碳化過程中反應釜內的濕度保持在75%左右，隨著碳酸鈣產物層厚度逐漸增加，未碳化部分與水的接觸越來越困難，而在本試驗條件下，氫氧化鈣與CO發生反應必須有水存在，因此碳化速率降低。

為了進一步解釋試塊抗壓強度隨著碳化時間延長呈先提高再降低的趨勢的原因，利用SEM對碳化試塊的微觀形貌進行了觀察。圖4分別為碳化：10min、180min與28d的SEM對比圖，從圖中可以發現當碳化時間為10min時，生成了不規則形貌的碳酸鈣，且強度不高，然而對比烘干前后強度可以很明顯地發現，烘干后試塊強度提高了137.5%;而當碳化時間為28d時，烘干后強度僅僅提高了66.3%。其主要原因是碳化時間短，生成了不穩定的碳酸鈣，在烘干之前強度低，而烘干之后，雖然產物已經轉變為穩定的方解石型碳酸鈣，但是特殊形貌的碳酸鈣仍有利于抗壓強度的提高，符合文獻中指出的特殊形貌對試塊抗壓強度有著重要影響。

對比圖4（b）與圖4（C）可以發現，由于碳化時間長，圖4（C）中生成的碳酸鈣表面出現了裂縫，這是由于在氫氧化鈣向碳酸鈣轉變的過程中體積膨脹了17%。雖然圖4（b）中未發現裂縫，是因為在碳化初期，生成的碳酸鈣產物主要起到填充試塊空隙的作用，而當碳化時間達到28d時，根據前文提出的碳化控制擴散模型，碳化由外及至地逐漸進行，碳化產物層包裹的氫氧化鈣繼續碳化將會導致產物層的脹裂，產生原始微裂紋導致強度降低。所以，當碳化時間過長時，雖然氫氧化鈣的碳化轉變率有略微的提高，但是試塊的抗壓強度卻產生了比較明顯的降低。

4 拓展試驗

將“低溫分離”得到的再生細集料和再生細粉按照質量比3：1進行混合，加入12.5%的水，在恒定壓力（5MPa）的條件下壓制成型，每組10個試件。碳化過程中反應釜中氣體壓力保持恒定（0.25MPa），濕度保持在75%，碳化時間為60min。碳化后試樣在（20±2）℃和（50±5）%的相對濕度下保持24h。按GB/T4111-2013中附錄A（HB<0.6）的要求進行強度試驗，所得試驗結果見表1。

從表1結果可得出抗壓強度平均值為7.8MPa，變異系數為9.5%，抗壓強度最小值為6.7MPa，滿足GB 13545-2003中MU7.5的強度等級要求。由廢棄混凝土低溫分離工藝得到的再生細集料和再生細粉，主要成分是砂、石屑、C-S-H和AFt等，在砂和石屑外層包裹的界面層有少量AFm和CH，通入CO后界面層更好地將砂和石屑進行包裹和粘結，使得再生磚的整體性能更好。

5結語

通過以上結果及分析可以得出以下結論：

（1）當成型壓力為5MPa時，氫氧化鈣試塊碳化主要集中于前24h，碳化24h與28d的碳化轉變率分別為85.14%與92.57%。

（2）氫氧化鈣碳化由外及至在氫氧化鈣顆粒表面形成碳酸鈣產物層，隨著碳化時間的不斷延長，由于生成的碳酸鈣摩爾體積大于氫氧化鈣，產生膨脹，對碳酸鈣產物層造成不利影響，導致28d碳化齡期的試塊抗壓強度要低于比其碳化轉變率更低的碳化24h的試塊，它們抗壓強度分別為32.1MPa與40.6MPa。

（3）由廢棄混凝土分離得到的再生細集料和再生細粉能夠制備形成強度等級合格的碳化再生磚。