再生粗骨料碳化處理對混凝土力學性能影響研究

顧凱文 楊 柳 敖清文

(貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司 貴陽 550000)

隨著我國城市化快速發展，廢舊建筑物改建和拆除過程產生的大量建筑垃圾多以隨意堆放、直接填埋等粗放手段處理，不僅對環境造成污染，且占用大量土地資源[1-4]。而再生混凝土技術可以解決上述問題，甚至可以解決當前天然砂石資源面臨枯竭的難題，具有較大的經濟潛力和社會效益。

再生骨料是指由建(構)筑物中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等經粉碎、篩分、分級而成，按一定比例混合后，滿足不同使用要求的骨料。與天然骨料相比，再生骨料存在孔隙率高、吸水率高、壓碎指標高、密度低等特征，導致再生混凝土力學性能普遍低于天然混凝土[5-7]。故為提高再生混凝土質量，首要從提高再生骨料品質角度入手。為了提高再生混凝土的性能，須對簡單破碎獲得的低品質再生骨料進行強化處理，即通過改善骨料粒形和除去再生骨料表面所附著的硬化水泥石，提高骨料的性能。主要預處理方式有：再生骨料裹漿處理、聚合物浸漬再生骨料、機械法去除再生骨料附著舊砂漿等手段[8]。以上方法均在一定程度上可改善再生骨料品質，然而也存在一定副作用或局限性。另外，有學者[9]采用CO2強化再生骨料，取得較好效果。當前碳化處理尚未作為再生骨料強化的主流手段，與其他強化技術相比，CO2強化技術成本較低，對再生骨料改善效果明顯，且屬于環境友好型技術，具有較高的現實意義。

再生骨料碳化處理指將再生骨料置于碳化室，通過調節碳化壓力和碳化持續時間控制再生骨料碳化質量。本文通過調節碳化持續時間(0，30和60 min)、碳化壓力(0，0.75和1.5 bar),以及碳化再生骨料替代率(0%，50%和100%)，研究再生粗骨料碳化處理對混凝土力學性能影響，并通過壓汞法分析混凝土孔隙結構，從而揭示碳化處理對混凝土力學性能作用機理。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1) 水泥。采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其主要技術性能指標見表1。

表1 水泥主要技術性能

2) 骨料。細骨料采用細度模數為2.5的天然河砂，表觀密度為2.638 g/cm3。粗骨料采用5～25 mm的連續級配天然碎石和再生骨料，其主要技術指標見表2。

表2 粗骨料主要技術性能

3) 減水劑。采用聚羧酸減水劑，減水率高達25%，摻量為水泥質量1.0%。

4) 水。采用自來水作為拌和用水。

1.2 試驗配合比設計

依據JGJ 55-2011 《普通混凝土配合比設計規程》進行試驗配合比設計，混凝土設計強度為C20。混凝土水泥用量為630 kg/m3、水灰比為0.4、砂率為30%。混凝土配合比及再生骨料碳化處理過程見表3和表4。為保證配合比一致性，天然、再生粗骨料均烘干后進行拌和、試驗。

表3 混凝土配合比 kg/m3

表4 再生骨料碳化處理過程

1.3 試驗方法

依據GB 50080-2002 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》規定，采用坍落度法測試混凝土工作性。用于抗壓強度測試試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm；用于測試抗折強度試樣尺寸為150 mm×150 mm×550 mm；用于測試彈性模量測試試樣尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。

從測完力學性能后破碎試樣的中間區域，挑選出水泥石與集料黏結部分，烘干后浸入無水乙醇3～5 d，選取距離粗集料表面5 mm內水泥石用于壓汞法測試。

2 試驗結果與分析

2.1 工作性

圖1為基準混凝土(NAC)、再生骨料混凝土(RAC)及碳化再生骨料混凝土(RACCO2)坍落度測試結果。

圖1 混凝土坍落度

由圖1可見，RAC(50-0-0、100-0-0)坍落度分別為150 mm和140 mm，與NAC(0-0-0)相比，RAC坍落度明顯降低，且再生骨料替代率越高，混凝土坍落度越低。當RACCO2替代率為50% 時，碳化處理對混凝土坍落度影響不明顯，當RACCO2替代率為100%時，RACCO2(100-30-0.75，100-30-1.5，100-60-0.75和100-60-1.5)坍落度均在190 mm以上波動。這是因為：①碳化處理降低再生骨料吸水率，導致拌合物游離水增加，進而坍落度提高；②碳化處理阻止水分以標準體積進入混凝土，多余水分滯留在水泥和砂之間，增大局部水灰比，導致混凝土坍落度較大。結果表明，碳化壓力和碳化時間對再生骨料混凝土坍落度無明顯影響。

2.2 力學性能

圖2～4分別為NAC、RAC及RACCO2在標準養護室內養護28 d抗壓強度、抗折強度，以及彈性模量測試結果。

圖2 混凝土抗壓強度

圖3 混凝土抗折強度

圖4 混凝土彈性模量

2.2.1抗壓強度

由圖2可見，再生骨料經較低碳化壓力(0.75 bar)處理后，RACO2在50%替代率時，RACCO2表現出較大抗壓強度，抗壓強度分別為35.12 MPa(50-30-0.75)和34.95 MPa(50-60-0.75)。結果表明，碳化持續時間越長，再生混凝土抗壓強度提升效果越明顯。這是因為碳化持續時間越長，再生骨料吸收CO2量越多，參與與水泥水化產物CH反應的CO2量越多，填充混凝土孔隙效果越明顯，再生混凝土在宏觀上表現出較高的抗壓強度。與再生骨料經0.75 bar碳化壓力處理混凝土相比(50-30-0.75和50-60-0.75)，再生骨料經1.5 bar高碳化壓力處理的混凝土(50-30-1.5和50-60-1.5)抗壓強度降低。這是因為碳化壓力越高，CO2以更快的速度進入再生骨料內部，部分質量較差的再生骨料被高碳化壓力壓碎，因此宏觀上呈現出抗壓強度降低。結果表明，低碳化壓力有利于改善再生骨料混凝土強度。

RACO2在50%替代率時，RACCO2混凝土抗壓強度從高到低依次為35.12 MPa(50-60-0.75)，35.01 MPa(50-30-0.75)，32.5 MPa(50-60-1.5)和31.8 MPa(50-30-1.5)，結果表明，RACCO2在50%骨料取代率時，碳化壓力對改善再生混凝土強度更明顯，碳化壓力越高，再生混凝土抗壓強度反而越低；另外，由圖2可知，碳化持續時間越長，混凝土強度越高。與50% 替代率RACCO2不同，100%替代率 RACCO2抗壓強度主要受碳化持續時間影響，混凝土抗壓強度從高到低依次為100-60-1.5，100-60-0.75，100-30-0.75和100-30-1.5。

2.2.2抗折強度

由圖3可見，當RACO2替代率為50%時，RAC(50-0-0)具有較大抗折強度，甚至超過基準混凝土；其中，50-30-0.75和50-60-0.75混凝土抗折強度分別為4.25 MPa和4.20 MPa。而再生粗骨料替代率為100%的RAC(100-0-0)抗折強度僅為2.51 MPa，表現出最差的抗折強度。表明再生骨料碳化壓力越低和碳化持續時間越長，混凝土抗折強度越好，表明低碳化壓力和長碳化持續時間有助于提高混凝土黏結性能。

RACO2為50%替代率時，RACCO2混凝土抗折強度從高到低依次為4.42 MPa(50-30-0.75)，4.40 MPa(50-60-0.75)，4.18 MPa(50-60-1.5)和3.96 MPa(50-30-1.5)，結果表明，再生骨料取代率為50%時，碳化壓力對再生混凝土抗折強度提升更明顯，碳化壓力越高，再生混凝土抗折強度越低。與RACO2為50% 替代率時不同，當RACO2為100%替代率時，混凝土抗折強度主要受碳化持續時間影響，混凝土抗折強度最高為3.98 MPa(100-60-1.5)，抗折強度最低為3.01 MPa(100-30-1.5)。

2.2.3彈性模量

由圖4可見，與RAC相比，再生混凝土彈性模量呈現急劇下降趨勢，且再生骨料替代率越高，混凝土彈性模量越低，100%再生骨料替代率混凝土(100-0-0)彈性模量為22.1 GPa，較基準混凝土降低了41.1%，表明再生骨料碳化處理可一定程度上改善混凝土彈性模量。

與混凝土其他力學性能類似，當RACCO2替代率為50%時，混凝土彈性模量最高為34.95 GPa(50-30-0.75)表明，低碳化壓力可改善再生骨料品質及再生混凝土彈性模量。具有100%替代率的RACCO2彈性模量由碳化持續時間和碳化壓力共同決定。其中，100-60-0.75混凝土彈性模量為21.86 GPa，表現出最佳的彈性模量，隨之是彈性模量為21.83 GPa的100-60-1.5系列混凝土。結果表明，CO2處理可改善再生混凝土彈性模量，但改善效果低于抗壓、抗折強度等力學性能，這是因為混凝土彈性模量很大程度上取決于再生骨料孔隙率和密度，CO2處理改善再生骨料效果有限。

2.3 孔結構分析

有文獻[10-11]將混凝土中的孔劃為：無害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(>50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。由于再生混凝土力學性能很大程度上取決于混凝土孔隙率和密實度，故本研究對混凝土進行MIP測試，從而通過觀察混凝土孔隙結構，揭示宏觀力學性能特征。圖5～7為混凝土孔結構測試結果。

圖5 總孔隙率

圖6 平均孔徑

由圖5和圖6可見，RAC總孔隙率和平均孔徑明顯高于NAC，碳化處理可明顯降低混凝土總孔隙率，且RACCO2平均孔徑分別為0.293 nm(50-30-0.75)，0.298 nm(50-30-1.5)，0.291 nm(50-60-0.75)和0.296 nm(50-60-1.5)，基本接近普通混凝土平均孔徑，表明再生骨料碳化處理可減少混凝土孔隙率，細化混凝土孔徑。

由圖7可見，50%替代率RACCO2碳化壓力越低，混凝土無害孔和少害孔比例越高，相應地有害孔和多害孔比例越低；100%替代率RACCO2碳化持續時間越長，混凝土無害孔和少害孔比例越高，相應地有害孔和多害孔比例越低。表明再生骨料碳化處理可優化混凝土孔隙結構，且低取代率(RA50%)時，碳化壓力為主要因素，高取代率(RA100%)時，碳化持續時間為主要因素。

圖7 混凝土各檔孔隙孔徑分布率

3 結論

1) 當RACO2替代率為50%時，混凝土坍落度在140 mm左右波動，當RACO2替代率為100%，混凝土坍落度略大于190 mm，表明混凝土坍落度隨碳化再生骨料取代率提高而提高。

2) 碳化壓力越低，碳化持續時間越長，再生混凝土力學性能越高，表明較低碳化壓力和較長碳化時間有利于改善混凝土力學性能。此外，再生骨料替代率為50%時，碳化壓力為主導因素，而再生骨料替代率為100%時，碳化持續時間為主導因素。

3) 經MIP測試結果可知，碳化處理再生骨料可優化混凝土孔隙結構和水化產物，細化孔徑，減小孔隙率，優化孔隙結構。

4) 試驗表明，碳化處理對再生骨料混凝土的坍落度及力學性能有一定改善，在再生粗骨料的實際應用及水泥混合料的設計中，應綜合考慮再生料摻量、碳化處理方式，根據設計目標及經濟性綜合考慮碳化處理方案。