加壓碳化再生混凝土粗骨料性能研究

蒲盛朋，孫毅，牟星明，龍科

（重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331）

0 引言

據不完全統計，我國的建筑垃圾已達數十億噸，其中廢棄的混凝土占相當大的比例[1]。將建筑垃圾作為骨料來源生產再生骨料（RA），制備再生骨料混凝土（RAC），是一項非常具有環保意義的工作。然而再生骨料物理和力學性能不如天然骨料，導致再生骨料混凝土性能相對常規混凝土有所不足。而加壓碳化預處理骨料，不僅可以提升骨料性能，還可以將二氧化碳固化到骨料中，符合“碳達峰、碳中和”的國家戰略。

拆除廢棄建筑物后產生的混凝土，經過破碎篩分后得到再生混凝土骨料，可以替換混凝土制作過程中的天然骨料[2]，達到減少使用天然骨料的目的。但僅僅經簡單破碎、篩分處理得到的再生骨料比天然骨料密度更低、孔隙率更大、吸水率更高、壓碎指標更高[3-4]，這對所制備的再生混凝土多項性能指標產生顯著的不利影響。再生骨料的加壓碳化處理技術[5-6]能夠顯著填充再生骨料的表面孔隙，從而降低吸水率，提高表觀密度。碳化還能改善耐久性，因為反應產物堆積在再生骨料內部，使得骨料致密化，阻礙了氯離子向混凝土中滲透，碳化骨料混凝土的抗氯離子滲透性可得到一定提升[7]。碳化效果還與濃度有關，較高濃度的CO2碳化能使骨料的壓碎指標和吸水率均得到更大程度的改善[9]。

本文針對再生混凝土粗骨料（RCA）采用加壓碳化處理，基于48h、72h、96h、144h四種不同的碳化時間，研究骨料的吸水率和壓碎指標，并對比不同碳化時間下改性混凝土的性能指標。

1 試驗材料和方法

1.1 原材料

本文所采用的RCA來自重慶市沙坪壩區某建成約30年的拆遷現場，將房屋拆除后獲得的廢棄混凝土，破碎篩分后形成RCA，再用5~10mm、10~15mm、15~20mm三種規格按2:7:1的級配混合。將上述級配的RCA分別碳化48h、72h、96h、144h，未碳化的RCA為對照試樣。

1.2 試驗方法

1.2.1 骨料碳化處理方法

再生骨料在碳化爐中完成碳化，該碳化爐最大設計壓強為0.53MPa，容積為0.14m3。碳化爐如圖1a所示。碳化時，先將再生粗骨料置于碳化爐中的格柵上，用密封圈密封后用螺栓壓緊蓋子；打開真空泵，排出碳化爐內的空氣，抽至爐內氣壓為-0.1MPa；然后打開進氣閥，用氣瓶充入99.5%濃度的CO2加壓到0.5MPa，采用減壓閥保持CO2的通入和氣壓的穩定。

圖1 主要試驗設備

1.2.2 吸水率和壓碎指標測試方法

吸水率測試參照《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法》（JGJ 52—2006）。先加水浸泡骨料，至水面高出試樣5mm左右，24h后從水里取出，擦拭骨料表面使之飽和面干后根據質量變化計算骨料的吸水率。

壓碎指標測試同樣參照《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法》。先挑除針片狀骨料，然后將剩余骨料放入圓筒內，左右交替顛擊地面各25下使其稍密實，蓋上加壓頭，在量程30t的萬能試驗機（型號為WAW-300B，圖1b）上，以1kN/s的加載速度加壓到200kN，穩定5s后卸載。從萬能機上取下圓筒，篩取大于2.5mm粒徑的骨料，根據重量計算得到試樣的壓碎指標。

2 結果與討論

2.1 再生骨料的吸水率

圖2是不同碳化時間骨料的吸水率。可以看出骨料經過碳化處理以后，吸水率均較未碳化的明顯降低，且碳化時間越長，吸水率越低，但超過96h后有小幅升高。碳化96h的骨料吸水率最低，相比未碳化骨料降低了24.4%。該現象也驗證了高濃度CO2與再生粗骨料孔隙中的部分鈣礬石晶體、Ca(OH)2反應生成碳酸鈣晶體和無定型的硅膠，降低了粗骨料的表面孔隙率，因而降低了吸水率。

圖2 吸水率

然而碳化144h的骨料吸水率反而相對96h有9.4%的增長，說明過度延長碳化時間并不能一直降低骨料的吸水率。推測原因是反應物CaO·2SiO2·3H2O和Ca(OH)2不斷被消耗，反應逐漸減緩，生成的CaCO3繼續與CO2和H2O反應生成Ca(HCO3)2，消耗了生成的CaCO3。

2.2 壓碎指標

圖3是不同碳化時間骨料的壓碎指標。壓碎指標在碳化48h時最低，相比未碳化組降低了4.27%；碳化96h的壓碎指標最高，相比未碳化組增加了10.19%；碳化144h后骨料的壓碎指標有下降趨勢。隨著碳化時間的增加，骨料孔隙中的固相體積不斷增加，放入圓筒中的骨料比表面積改變，受壓面積改變，壓碎指標則會有一定幅度的變化。

圖3 壓碎指標

2.3 骨料加壓碳化機理

與天然骨料相比，RCA表面附著有老舊砂漿，還有破碎時造成的大量微裂紋，因此RCA孔隙率大、強度低，從而導致了再生混凝土強度降低。當再生骨料經過碳化增強后，部分鈣礬石晶體、Ca(OH)2與CO2發生反應生成碳酸鈣，填補了內部的部分空隙，使其制備的再生混凝土內部空間更加致密。RCA表面附著的老砂漿中含有大量的Ca(OH)2和C-S-H凝膠等水泥水化產物，這些物質相對天然骨料疏松，CO2可以相對容易地進入其中與其發生化學反應，進而促使其內部的微觀結構發生改變，反應方程式為：

上述反應生成的碳酸鈣以及無定型硅膠均能增大固相體積，填充孔隙，降低骨料吸水率，提高再生骨料的相關性能[9]。

3 結論

本文對RCA進行了4種不同加壓碳化時間的預處理，然后對骨料進行了吸水率和壓碎指標測試，研究發現96h的改性再生混凝土吸水率最小，48h壓碎值最小。結論如下：

（1）碳化時間在96h前，吸水率隨碳化時間的增加逐漸降低，96h時相比未碳化降低了24.34%；在96h后吸水率有增加趨勢，碳化144h相比96h增大9.42%。說明碳化處理后的骨料吸水率均比未碳化處理骨料吸水率低，總趨勢為逐漸下降；但碳化96h后吸水率有上升趨勢說明持續延長碳化時間并不能一直增加骨料的物理性能，過度碳化吸水率會反向增加；

（2）碳化時間在48h時壓碎指標相比未碳化降低4.27%，48h后壓碎指標有上升趨勢；碳化96h的RCA相比未碳化壓碎指標增加了10.19%，碳化96h的RCA相比碳化48h增加了15.11%；96h后壓碎指標有降低趨勢。說明加壓碳化處理能促進骨料強化，但過度碳化反而會增大壓碎指標；

（3）加壓碳化技術能改善再生骨料的吸水率和壓碎指標，對建筑固廢再利用的效率起到了非常顯著的提升作用，有利于建筑行業減少對天然骨料的需求，從而降低對自然環境的破壞。