再生粉體對混凝土抗碳化性能的影響

方 禹

(福建建泰建筑科技有限責任公司 福建福州 350512)

0 引言

近年來，隨著城鎮化的發展，產生了大量的建筑廢棄物，造成大量污染，影響國家的可持續發展。據統計，2020年我國建筑廢棄物產量達到30億t，其資源化利用率不到10%，與發達國家90%以上的利用率有很大的差距。再生粉體是處理再生骨料時，粒徑小于150 μm的粉體顆粒，約占再生骨料質量的5%～20%[1]。將再生粉體粉磨15 min，通過煅燒，摻入熟石灰和激發劑后，可提高再生粉體的活性[2]。再生粉體取代礦粉后，對膠砂的早期強度影響較小，對后期強度影響較大。用0%～15%取代礦粉，7 d和28 d活性指數分別為75%和95%以上，與基準組相比，降低了1.3%和11.2%[3]。當再生粉體摻量為0%～25%時，隨著再生粉體摻量的增大，漿體的28 d化學結合水含量和氫氧化鈣含量隨之降低，分別降低了25.8%和8.8%，此時建議再生粉體的摻量不超過20%[1]。當再生粉體摻量為0%～30%時，隨著再生粉體摻量的增大，膠砂的用水量隨之增大，強度和抗凍性隨之降低[4-6]。當再生粉體摻量為15%和30%時，綠色混凝土可減少13.7%和27.3%的碳排放，此時再生粉體的建議摻量為30%[7]。用再生粉體取代水泥，制備的透水磚強度可達到40 MPa，當再生粉體摻量為20%時，對透水磚的強度影響不大[8]。

混凝土碳化是CO2與其內部的氫氧化鈣反應，降低了混凝土的堿度，破壞了鋼筋的鈍化膜，引起鋼筋銹蝕膨脹，導致鋼筋混凝土結構發生破壞。混凝土碳化產生的鋼筋銹蝕，美國約花費280億美元/年[9]。一方面，粉煤灰和礦粉的摻入，消耗了氫氧化鈣，降低了混凝土的pH值，不利于混凝土的抗碳化性能[10]。另一方面，礦物摻合料的摻入，改善了混凝土的孔結構，降低了孔隙率，優化了孔徑，提高了混凝土的密實度，從而提高了混凝土的抗碳化性能[11]。然而，截至目前，關于再生粉體對混凝土抗碳化性能的研究較少。本文分別將再生混凝土粉和再生磚粉取代水泥，并與礦粉復摻，研究再生粉體對混凝土微觀結構和抗碳化性能的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

原材料為P.I 42.5硅酸鹽水泥，礦粉，標準砂，天然骨料，再生混凝土粉(Recycled concrete powder，簡稱RCP)和再生磚粉(Recycled brick powder，簡稱RBP)，其晶體類型如圖1～圖2所示。

圖1 再生混凝土粉XRD圖譜

圖2 再生磚粉XRD圖譜

1.2 試驗方案及方法

按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T2419-2005)和《水泥膠砂強度檢驗方法ISO 法》(GB/T17671-1999)，測試不同再生粉體對膠砂流動度和強度的影響，再生粉體的取代率為0%～40%，水膠比為0.5。按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GBT50082-2009)，測試混凝土碳化深度，配合比見表1。

采用馬弗爐高溫煅燒測試漿體的化學結合水量量，化學結合水量和等效結合水量計算如下：

(1)

(2)

式中：W、We為化學結合水量和單位水泥質量的等效化學結合水量；LOI=(m105℃-m1000℃)/m105℃；LC=fPI×LPI+fRCP×LRCP+fRBP×LRBP，其中f、fPI、fRCP、fRBP分別為再生粉體、水泥、再生混凝土粉、再生磚粉占膠凝材料的質量比例(%)，LPI、LRCP、LRBP分別為水泥、再生混凝土粉、再生磚粉的燒失量(%)。

2 結果與分析

2.1 不同再生粉體摻量下的膠砂流動度

由圖3可以看出，隨著再生粉體摻量的增加，膠砂的流動度逐漸降低。主要是因為RCP和RBP的內部微裂縫多，吸水率大，比表面積大，再生粉體的摻入降低了膠砂的流動度。其中，由于再生磚粉的內部孔隙更多，導致摻RBP的膠砂流動度更低。

圖3 再生粉體摻量對膠砂流動度的影響

2.2 不同再生粉體摻量下的膠砂強度

從圖4中可以看出，隨著再生粉體摻量的增加，膠砂強度隨之減小。在早期時，不同再生粉體的膠砂強度相差不大，在28d齡期時，摻RBP的膠砂強度大于摻RCP的膠砂強度。這是由于RBP的微裂縫多，其吸水率大于RCP，RBP作為內養護材料，提高了水泥的后期水化程度，提高了混凝土的后期強度[12]。相關文獻表明，當再生粉體摻量小于30%時，隨著再生粉體摻量的增大，膠砂的強度隨之降低[4-6]。

表1 不同再生粉體下的混凝土配合比 kg/m3

2.3 不同再生粉體摻量下膠砂的化學結合水量

從圖5和圖6可見，隨著再生粉體摻量的增大，摻RCP膠砂的28 d化學結合水量降低5.40～21.09%，摻RBP膠砂的28 d化學結合水量降低4.9%～19.90%。由于再生粉體的活性相對較低，其稀釋效應減少了水化產物含量，從而降低了水化產物含量。相關研究表明，當再生粉體摻量為0%～25%時，隨著再生粉體摻量的增大，漿體的28 d化學結合水含量降低了25.8%[1]。

圖5 RCP-水泥復合膠凝材料凈漿化學結合水量

圖6 RBP-水泥復合膠凝材料凈漿化學結合水量

2.4 再生粉體對凝土抗碳化性能的影響

從圖7和圖8可見，隨著再生粉體摻量的增加，混凝土的抗碳化性能逐漸降低。當再生粉體摻量為10%、15%、20%和30%時，摻RCP和RBP混凝土56 d碳化深度為3.43 mm、5.25 mm、8.75 mm、12.61 mm和3.44 mm、4.86 mm、7.14 mm、10.04 mm分別是普通混凝土的1.13倍、1.59倍、2.89倍、4.15倍和1.13倍、1.59倍、2.35倍、3.3倍，說明再生粉體的摻入降低了混凝土的抗碳化性能。相關研究表明，再生粉體內部孔隙較多，CO2更易滲透到混凝土內部，降低了混凝土的抗碳化性能[13]。

圖7 再生混凝土粉對混凝土抗碳化性能的影響

圖8 再生磚粉對混凝土抗碳化性能的影響

從圖9見，在碳化早期，不同粉體對混凝土抗碳化性能影響較小。在碳化后期，當再生混凝土粉和再生磚粉以5∶5比例復摻時，混凝土的抗碳化性能最差，7∶3較好，3∶7最好。

圖9 兩種再生粉體復摻對混凝土碳化深度的影響

從圖10和圖11可見，隨著再生粉體摻量的增大，混凝土的碳化深度隨之增大，混凝土的抗碳化性能隨之降低。在相同取代率下，再生粉體和礦粉復摻下，混凝土的碳化深度隨之降低，說明礦粉的摻入提高了混凝土的抗碳化性能。相關研究表明，礦粉的摻入可與水泥中的氫氧化鈣反應，生成更多的C-S-H凝膠，優化孔徑，降低孔隙率，提高混凝土的抗碳化性能[14]。

圖10 礦粉和再生混凝土粉復摻對混凝土抗碳化性能的影響

圖11 礦粉和再生磚粉復摻對混凝土抗碳化性能的影響

3 結論

(1)再生粉體的摻入，降低了膠砂的流動性。隨著再生粉體摻量的增大，膠砂強度和化學結合水量隨之降低。

(2)隨著再生粉體摻量的增大，混凝土的抗碳化性能隨之降低。摻入10%、15%、20%、30%再生混凝土粉和再生磚粉混凝土56d的碳化深度分別是普通混凝土的1.13倍、1.59倍、2.89倍、4.15倍和1.13倍、1.59倍、2.35倍、3.3倍。

(3)在碳化早期，不同粉體對混凝土抗碳化性能影響較小。在碳化后期，當再生混凝土粉和再生磚粉以5∶5比例復摻時，混凝土的抗碳化性能最差，以3∶7比例復摻的混凝土抗碳化性能最好，礦粉的摻入提高了混凝土的抗碳化性能。