再生微粉和礦物摻合料對混凝土抗碳化性能的影響研究

白花蕾，樊耀虎，李 瀅，代大虎

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，西寧 810016；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016)

0 引 言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，許多城市建筑都在不斷的翻新或者拆除，由此產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。目前大多數(shù)的建筑垃圾都是采用直接填埋等處理方式，在占用大量土地資源的同時給社會和環(huán)境帶來了巨大的壓力。為了緩解建筑垃圾給環(huán)境帶來的負(fù)荷，可以利用建筑垃圾制備再生骨料替代天然砂石骨料用于生產(chǎn)再生混凝土制品，國外大量學(xué)者對此進(jìn)行了研究[1-4]，同時國內(nèi)學(xué)者也在再生混凝土的研究中取得了豐碩成果[5-9]。建筑垃圾經(jīng)破碎、篩分后制備再生骨料過程中，產(chǎn)生大量粒徑小于0.16 mm的微細(xì)粉末一般稱之為再生微粉[10]。再生微粉中含有大量的硬化水泥石和未完全水化的水泥，具有一定的水化活性，王曉波等[11]對再生微粉進(jìn)行了化學(xué)成分和強(qiáng)度活性檢測，結(jié)果表明再生微粉的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足Ⅱ級粉煤灰要求。同時已有研究表明[12]，再生微粉經(jīng)過機(jī)械粉磨、熱處理等方式活化后，其活性能夠得到提高，其作為礦物摻合料替代水泥后用于制備水泥砂漿或混凝土?xí)r可以發(fā)揮火山灰活性和微集料填充效應(yīng)[13]。

目前對再生微粉的研究主要集中在再生微粉活性、摻量等因素對再生微粉混凝土宏觀力學(xué)性能的影響方面[14-15]，但是對于再生微粉摻入混凝土后其長期耐久性能方面的研究相對較少。本文針對再生微粉混凝土抗碳化性能開展研究，主要研究再生微粉在0%、10%、20%、30%、40%等不同取代率下對混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律，并與相同摻量的粉煤灰進(jìn)行對比，同時考察再生微粉和粉煤灰、硅灰復(fù)摻后對再生微粉混凝土抗碳化性能的改善作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥：青海省大通縣拓華水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥；(2)粉煤灰：河南省鞏義市龍澤凈水材料有限公司生產(chǎn)的一級粉煤灰，比表面積為745 m2/kg；(3)硅灰：河南省鞏義市龍澤凈水材料有限公司生產(chǎn)的微硅粉；(4)再生微粉：實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土進(jìn)行破碎、篩分、磨細(xì)處理而得，堆積密度為855.9 kg/m3，表觀密度為2 355 kg/m3，比表面積為467 m2/kg；(5)細(xì)骨料：西寧市北川河的天然河砂；(6)粗骨料：西寧市北川河的天然碎石，粒徑為4.75～20 mm；(7)水：實(shí)驗(yàn)室自來水；(8)減水劑：西寧市城北區(qū)自強(qiáng)建材廠萘系減水劑。試驗(yàn)主要原材料化學(xué)成分見表1。

表1 主要原材料的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of main raw materials /wt%

對再生微粉進(jìn)行XRD分析,結(jié)果如圖1所示，圖中有CaCO3和Ca(OH)2的衍射峰，沒有發(fā)現(xiàn)硅酸鈣和鋁酸鈣等晶體的衍射峰，說明本次試驗(yàn)所用的再生微粉當(dāng)中的水泥顆粒基本水化比較完全。再生微粉中的礦物成分主要是SiO2，其主要原因?yàn)樵偕⒎壑泻写罅康纳笆樾肌?/p>

圖1 再生微粉XRD譜Fig.1 XRD pattern of recycled fine powder

圖2 再生微粉SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of recycled fine powder

再生微粉SEM照片如圖2所示，從圖中觀察到,再生微粉表面粗糙、空隙較大、質(zhì)地較為疏松、需水量大，加入混凝土后會對混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響。

1.2 試驗(yàn)用配合比設(shè)計(jì)

分別以0%、10%、20%、30%、40%的比例單摻再生微粉、單摻粉煤灰及復(fù)摻再生微粉、粉煤灰和硅灰替代水泥后制備混凝土，具體配合比設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 2 Mix design of concrete

1.3 試驗(yàn)方法

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制作100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，每組3塊。試塊養(yǎng)護(hù)24 h拆模，拆模完成放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行碳化實(shí)驗(yàn)，將試塊在實(shí)驗(yàn)2 d前取出。在60 ℃烘箱烘干48 h。除碳化面，試塊的其他面用石蠟密封。以10 mm間距定碳化測量點(diǎn)。碳化箱內(nèi)的溫度應(yīng)控制在(20±2) ℃，CO2的濃度應(yīng)保持在(20±3)%，相對濕度保持在(70±5)%。試塊碳化3 d、7 d、14 d、28 d時，取出試件，用劈裂法劈裂試塊。切割表面用乙醇沖洗，干燥后1%的酚酞溶液浸漬，經(jīng)30 s后，根據(jù)標(biāo)記的測量點(diǎn)，用鋼尺測量再生微粉混凝土的碳化深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳化深度比較

不同取代率下單摻再生微粉混凝土碳化深度隨著時間變化規(guī)律如圖3所示，隨著碳化時間的增加，碳化深度逐漸加深。取代率為10%的單摻再生微粉混凝土碳化深度最接近空白組混凝土。當(dāng)再生微粉取代率為20%、30%、40%時，單摻再生微粉混凝土的碳化深度明顯增加。當(dāng)再生微粉取代率為40%時，混凝土28 d碳化深度達(dá)到18 mm。取代率為30%和40%時，不同齡期混凝土的碳化深度較為接近。單摻再生微粉導(dǎo)致混凝土碳化深度的增加，主要原因是再生微粉活性較低，質(zhì)地松散，孔隙較多，再生微粉的加入會使混凝土內(nèi)部形成聯(lián)通孔隙，給CO2進(jìn)入混凝土內(nèi)部提供了有利條件，加速了碳化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖4所示是單摻粉煤灰的混凝土碳化深度隨時間的變化，隨著粉煤灰取代率的不斷增加，混凝土碳化深度增加明顯，相同取代率下，在3 d、7 d、14 d、28 d時，其碳化深度均比單摻再生微粉要大。取代率為10%時，28 d碳化深度達(dá)到23.5 mm,取代率為40%時，28 d碳化深度達(dá)到35.2 mm，分別比同等取代率下的再生微粉混凝土碳化深度高164%和96%，說明單摻粉煤灰比單摻再生微粉對混凝土抗碳化性能的影響更大，主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)用粉煤灰的CaO含量較低，水化活性低，摻入混凝土后隨著取代率的逐漸增加，混凝土早期水化速度逐漸減慢，混凝土內(nèi)部沒有足夠的水化產(chǎn)物產(chǎn)生，使得其內(nèi)部孔隙較多，CO2氣體很容易滲入混凝土內(nèi)部，使得其碳化深度明顯增加。

圖3 單摻再生微粉混凝土的碳化深度隨時間的變化Fig.3 Changes of carbonization depth of concrete with recycled fine powder at different time

圖4 單摻粉煤灰的混凝土碳化深度隨時間的變化Fig.4 Changes of carbonization depth of concrete with fly ash at different time

圖5、圖6所示是取代率分別為0%、10%、20%、30%、40%時，復(fù)摻再生微粉、粉煤灰、硅灰的混凝土碳化深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖5可以看出，當(dāng)這三種材料以RFP∶(FA+SF)=7∶3比例復(fù)摻時，取代率為10%時碳化深度最接近空白組，比較理想。伴隨著取代率的增加，復(fù)摻混凝土的碳化深度不斷增加，但是增長速度明顯低于單摻再生微粉和單摻粉煤灰的混凝土，當(dāng)取代率為40%時，28 d碳化深度是14.6 mm，比同等取代率下單摻再生微粉的碳化深度降低了18.9%，比單摻粉煤灰的降低了58.5%。說明不同粒徑的礦物摻合料與再生微粉復(fù)摻加入混凝土后，可以形成良好的顆粒級配效應(yīng)，有效填充混凝土內(nèi)部的聯(lián)通孔隙，提高混凝土的密實(shí)程度。另一方面，由于粉煤灰和硅灰具有火山灰效應(yīng)，摻合料代替了部分水泥，使其可以與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化作用，新生成的水化產(chǎn)物可以進(jìn)一步填充混凝土內(nèi)部孔隙，有效改善混凝土密實(shí)度，減少了CO2氣體在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的通道，從而改善混凝土抗碳化性能。

圖5 RFP∶(FA+SF)=7∶3時混凝土碳化深度隨時間的變化Fig.5 Changes of carbonization depth of concrete with RFP∶(FA+SF)=7∶3 at different time

圖6 RFP∶(FA+SF)=5∶5時混凝土碳化深度隨時間的變化Fig.6 Changes of carbonization depth of concrete with RFP∶(FA+SF)=5∶5 at different time

圖6是這三種材料以RFP∶(FA+SF)=5∶5的比例摻配后混凝土碳化深度隨時間的變化。取代率為10%時，28 d的碳化深度為9.9 mm。當(dāng)取代率相同時，RFP∶(FA+SF)=5∶5的混凝土碳化深度比RFP∶(FA+SF)=7∶3的混凝土碳化深度稍大，但均低于單摻再生微粉混凝土的同齡期碳化深度，說明礦物摻合料的協(xié)同作用可以改善混凝土的抗碳化性能。

2.2 相同取代率下不同摻配方式的混凝土碳化深度比較

圖7為相同取代率下再生微粉和礦物摻合料以不同摻配方式摻入混凝土后，混凝土的碳化深度變化規(guī)律對比。由圖可知，同種取代率下?lián)脚浞绞綄炷恋奶蓟疃染哂酗@著影響。單摻粉煤灰與其他摻配方式相比，抗碳化性能最差，各齡期的碳化深度均超過其他組的。當(dāng)取代率為10%時，單摻再生微粉混凝土的碳化深度要高于復(fù)摻再生微粉、粉煤灰及硅灰組的，但是隨著取代率的增加，復(fù)摻組的碳化深度增長速度明顯低于單摻再生微粉的。當(dāng)取代率為30%時，RF∶(FA+SF)=7∶3的混凝土碳化深度最低，RFP∶(FA+SF)=5∶5的混凝土碳化深度稍高于前者，當(dāng)取代率為40%時，這兩者之間的差距稍有增大，仍然是RFP∶(FA+SF)=7∶3的混凝碳化深度最小。這主要是因?yàn)楫?dāng)復(fù)摻這三種粒徑大小不一、顆粒形貌不同的粉體材料時，可以與水泥粉體材料之間形成粉體膠凝材料的級配效應(yīng)，不同粒徑的顆粒可以填充在水泥凝膠體內(nèi)部的孔隙當(dāng)中，發(fā)揮微集料填充作用，并且粉煤灰、硅灰等礦物摻合料的二次水化作用可以形成新的水化產(chǎn)物使得混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，從而有利于改善混凝土的耐久性能。

圖7 相同取代率下不同摻配方式混凝土碳化深度比較Fig.7 Comparison of carbonization depth of concrete with different mixing methods under the same substitution rate

圖8 RFC-13混凝土碳化前后SEM照片(5 000倍)Fig.8 SEM images of RFC-13 concrete before and after carbonization(×5 000)

2.3 再生微粉混凝土碳化前后SEM分析

圖9 RFC-13混凝土碳化7 d前后的XRD譜Fig.9 XRD patterns of RFC-13 concrete before and after 7 d carbonization

圖8是RFC-13混凝土碳化前后的SEM照片。圖8(a)為未碳化混凝土，其中存在大量空隙，RFC-13混凝土密實(shí)度較差，有六方板狀的Ca(OH)2存在。圖8(b)為碳化14 d后混凝土，可以看出外界二氧化碳?xì)怏w逐漸滲入混凝土毛細(xì)孔中，并與水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠以及Ca(OH)2溶液發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生不溶于水的碳酸鈣固體，碳酸鈣填充于混凝土的孔隙中，提高了混凝土的密實(shí)度，水泥漿體中結(jié)構(gòu)相對趨于密實(shí)。混凝土碳化28 d后如圖8(c)所示，空隙變窄，聯(lián)通孔隙減少，有大量絮團(tuán)狀的C-S-H凝膠，復(fù)摻礦物摻合料發(fā)揮了活性，使混凝土內(nèi)部的孔隙得到了有效填充，使混凝土密實(shí)度進(jìn)一步提高。

2.4 再生微粉混凝土碳化前后XRD分析

圖9中(a)為RFC-13碳化后的物相分析，用CRFC-13表示，(b)為其碳化前的XRD分析結(jié)果。從中可以看出RFC-13碳化后出現(xiàn)CaCO3的衍射峰。混凝土碳化過程是一個極其復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，CO2進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與孔隙中的水反應(yīng)生成碳酸，同時消耗了Ca(OH)2，生成碳酸鈣，使鋼筋周圍堿性環(huán)境中的堿度趨于中性化，鋼筋鈍化膜被破壞，加速了鋼筋腐蝕，并使孔隙減少，內(nèi)部致密。

3 結(jié) 論

(1)單摻再生微粉時，隨著再生微粉取代率的增加，混凝土各齡期的碳化深度也隨之增加，當(dāng)再生微粉取代率為40%時，28 d碳化深度達(dá)到18 mm。但是與同摻量的粉煤灰相比，單摻再生微粉的效果優(yōu)于單摻粉煤灰的。

(2)復(fù)摻再生微粉、粉煤灰和硅灰后，隨著取代率的增加，復(fù)摻混凝土的碳化深度不斷增加，但是增長速度明顯低于單摻再生微粉和單摻粉煤灰的混凝土，當(dāng)取代率為40%時，混凝土28 d碳化深度比同等取代率下單摻再生微粉的碳化深度降低了18.9%，比單摻粉煤灰的降低了58.5%，說明礦物摻合料的協(xié)同作用可以改善混凝土的抗碳化性能。

(3)同種取代率下復(fù)摻再生微粉、粉煤灰及硅灰的混凝土抗碳化性能最優(yōu)，單摻再生微粉混凝土次之，單摻粉煤灰的混凝土抗碳化性能最差。采用復(fù)摻時，摻配比例為RF∶(FA+SF)=7∶3的混凝土抗碳化能力最好。

(4)對照再生微粉混凝土碳化前后的SEM、XRD分析可以看出，碳化后外界CO2氣體與水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠以及Ca(OH)2溶液發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的碳酸鈣填充于混凝土的孔隙中，可以提高混凝土的密實(shí)度。