再生混凝土碳化試驗的研究現狀

王振豪，金立兵，謝志恒，朱豆豆，王 旭

（河南工業大學 混凝土結構長期性能研究所，鄭州 450001）

據統計，近幾年我國建筑廢料年產生量達到了（15.5~24）億t，而利用率卻不足10%[1]。目前我國建筑廢料主要以填埋的方式進行處理，這不僅導致了建筑廢料中可再生資源利用率低，而且導致了水土污染、占用土地資源等現象的發生[2]。利用建筑廢料來制備再生骨料混凝土能很好地解決了這2 個問題。

碳化作為引起混凝土結構耐久性損傷最為普遍的因素，伴隨結構服役的整個時期，是導致鋼筋混凝土結構中鋼筋銹蝕的重要原因。開展再生混凝土的碳化試驗，能夠更加清晰地認識再生混凝土碳化過程中微觀結構和宏觀性能的演變，從而更具針對性地預防，同時帶來一定的環境和經濟效益。目前，研究人員圍繞再生混凝土碳化這一課題開展了大量試驗研究[3-6]。此外，近些年也有許多學者研究了碳化對再生骨料性能的強化，以此實現減少空氣中CO2含量的同時改善再生混凝土的性能，目前也取得了較為豐富的成果[7-10]。

1 再生混凝土的碳化機理

再生混凝土中的碳化過程與普通混凝土相似，都是空氣中CO2通過擴散溶入混凝土內液相生成H2CO3，然后與混凝土中Ca(OH)2等水化產物發生化學反應生成CaCO3和其他物質，進而導致混凝土堿度降低、內部開裂、鋼筋鈍化膜消失等一系列耐久性能退化的現象[11]。此外，由于碳化過程的相似，普通混凝土有關碳化分區的描述，對再生混凝土同樣適用[12-13]。但再生骨料存在較多缺陷，也使得再生混凝土的碳化過程與普通混凝土存在一定差異[14]。首先，再生骨料表面粘附的舊砂漿提供了更多的可碳化物質，這在一定程度上提高了再生混凝土的抗碳化性能。其次，再生骨料在先前使用及制備過程中產生了較多的微裂縫，這些裂縫為CO2氣體的進入提供了更多的通道，導致碳化反應加速，加快了混凝土結構的破壞；同時，再生骨料較大的吸水率造成再生混凝土孔隙比普通混凝土要多，為碳化反應提供了更多的場所。

通過圖1 的形式將碳化過程分為CO2氣體的侵入、CaCO3的形成、CaCO3的沉淀和Ca(OH)2的溶解3 個部分[15]。

圖1 碳化流程圖

分析上述碳化流程圖，可以知道碳化過程中固相Ca(OH)2持續分解將使得混凝土堿性降低，最終造成鋼筋混凝土結構中鋼筋的銹蝕。此外，CaCO3的沉淀將起到填充混凝土內部孔隙的作用，使內部結構更加密實、抗滲性增強，并阻礙CO2的侵入[16-17]。

2 碳化的試驗研究

2.1 碳化影響因素

2.1.1 材料影響

（1）再生骨料對碳化性能的影響因素有：骨料的品質、取代率和原始強度

再生粗骨料品質的缺陷導致了其碳化性能劣于普通混凝土。王新杰等[18]對舊砂漿含量在35%~45%的再生粗骨料制備的再生混凝土進行碳化試驗，結果表明隨舊砂漿含量的增加，碳化深度呈增大趨勢，且實驗室碳化28 d 的最大碳化深度是普通混凝土的7 倍。但這些缺陷可通過物理化學方法改善[19]。李瀅等[20]和朱從香等[21]研究發現，通過化學浸泡對再生粗骨料品質進行改善，減輕了碳化過程對再生混凝土造成的損傷。王忠星等[3]研究了再生粗骨料經歷不同整形次數后制得的再生混凝土抗碳化性能，結果顯示再生混凝土的抗碳化性能隨骨料整形次數的增加而增強。

再生粗骨料取代率對再生混凝土碳化性能的影響一直是該領域的一個熱點，許多學者得出了碳化深度隨著再生粗骨料取代率增加而增加的結論[4-5,22-23]；孫宇坤等[24]則通過研究發現，再生細骨料取代率不大于20%時，所配制的再生混凝土抗碳化性能較好，能夠滿足工程的一般要求。也有學者認為再生粗骨料對碳化性能的影響取決于2 個方面：一是再生粗骨料附著的砂漿提供更多可碳化物質使抗碳化性能增強；二是再生粗骨料內較多的孔隙為CO2的擴散提供了更多的路徑，使抗碳化性能降低[25-26]。因此，一些結論指出隨再生粗骨料取代率增大，碳化深度并非一直呈增加趨勢[12,27-28]。

原始強度是指再生粗骨料母體混凝土的強度。XIAO 等[29]通過研究發現，母體混凝土強度越高，再生粗骨料混凝土的抗碳化性能越好。肖文廣等[30]通過研究也給出了相似的結論，并認為強度高的原始混凝土制備的再生粗骨料表面附著的老砂漿具有更高的強度，使其與新砂漿間形成的界面更加密實，當原始混凝土強度超過C30 時抗碳化性能增加更加明顯。

（2）膠凝材料對碳化性能的影響因素有：水灰比、輔助膠凝材料的種類和摻量

一般認為隨著水灰比的增大，再生混凝土內的孔隙會增多，抗碳化能力就會變弱。孫亞麗[31]研究發現水灰比對再生混凝土內部結構影響顯著，水灰比的增大會使再生混凝土結構內部存在較多的孔隙，為CO2的進入提供通道，加速碳化反應的進行。閆春嶺等[32]通過無重復的雙因素試驗方法和方差分析，論證了水灰比對再生混凝土的抗碳化性影響的顯著性，同時水灰比越高，碳化深度越深。李俊蘭等[33]采用正交試驗極差法和正交層次分析法對試驗數據進行分析，得到了與文獻[32]相似的結論，并定性分析了3 種因素對再生混凝土抗碳化性能的影響，其中影響最明顯的是水灰比，然后是粉煤灰摻量和再生細骨料摻量。

應用較多的輔助膠凝材料粉煤灰、硅灰等對碳化的影響可分為2 點：一是通過細化混凝土內部孔隙分布、改善界面過渡區性能使抗碳化性能提高；二是水泥含量的減少導致混凝土內參與碳化反應的堿物質含量降低進而造成抗碳化性能的減弱[2]。已有研究發現隨著粉煤灰摻量的增加，再生混凝土的碳化深度呈增加趨勢[34-36]。楊益等[36]也表明當礦粉和粉煤灰兩者摻入量大于30%時，碳化深度將明顯增加。此外，黃辰玉等[37]研究發現，控制摻量在50%以下，將礦粉和粉煤灰等量摻入再生混凝土當中，能夠得到抗壓強度較高和抗碳化性能良好的再生混凝土。SINGH 等[38]研究發現，將偏高領土作為輔助膠凝材料摻入再生混凝土當中，能夠彌補部分由再生粗骨料抗碳化性能上的缺陷。

2.1.2 環境影響

（1） 相對濕度

從碳化機理可以看出碳化反應需在孔溶液中進行。當相對濕度過大時，結構內供CO2擴散的孔隙將被水溶液充滿，阻礙CO2的進入，從而減慢碳化反應的速度；當相對濕度過低時，結構內部干燥，此時CO2的擴散速率雖快，但結構中缺少反應所必需的水溶液，因此也將導致碳化速度減慢[39]。ELSALAMAWY 等[40]對相關數據的分析顯示碳化速度與相對濕度間呈多項式關系，且許多研究[41]表明當相對濕度在50%~70%時，碳化速率最快。CHEN 等[42]通過試驗對比了不同相對濕度下的碳化速率，得出當相對濕度為70%時碳化系數達到最大。

（2） 環境溫度

在晝夜或不同季節溫差較大的地區，溫度對碳化的影響是不能忽略的。LIU 等[43]和張旭輝等[44]研究了溫度對普通混凝土碳化的影響，結果均表明，溫度對混凝土碳化影響顯著，碳化深度隨溫度的升高而增加。而耿歐等[45]開展溫度對再生混凝土碳化的研究發現，碳化深度隨溫度的升高先上升后下降再上升。造成這種結果的原因有2 點：一是溫度升高使得CO2擴散加快而導致碳化反應加快；二是溫度升高使得再生混凝土內水溶液蒸發而導致的碳化反應減慢?？梢?，溫度對碳化反應的影響，在普通混凝土與再生混凝土之間存在一定的差異。

（3） CO2的濃度

作為碳化反應所必需的因素，CO2濃度的變化對碳化反應的影響是無法忽略的。LIU 等[46]研究發現，碳化深度隨CO2濃度的升高而增加，兩者之間呈冪函數關系。喬欣元[47]控制CO2濃度在10%~99%之間變化，研究了其對Ca(OH)2碳化的影響。結果表明：氣體壓力一定下，Ca(OH)2的初始碳化速度隨CO2濃度的提高而提高；而Ca(OH)2后期碳化速度在低濃度下比高濃度下更快。

2.1.3 荷載影響

荷載產生的效應中拉應力和壓應力對碳化的影響考慮較多。不難理解，拉應力的施加有助于混凝土內裂縫的開展，這將導致更多的CO2進入結果內部使碳化反應加速；低水平的壓應力能夠抑制裂縫的發展使結構更加致密，從而阻礙CO2的進入，使碳化反應減慢[48]。ZOU 等[49]通過改變壓應力的大小，探究再生混凝土的抗碳化性能。結果表明：隨著壓應力的增大，再生混凝土的碳化深度先減小后增大。可以看出，對于壓應力來說，當施加應力水平過大時，由其造成的結構損傷的負面作用會大于其帶來的正面作用，從而造成再生混凝土抗碳化性能的降低。

2.2 細微觀試驗

混凝土結構的破壞大都是內部微觀結構損傷持續演變的結果。因此，開展再生混凝土碳化的細微觀試驗將有助于我們理解碳化反應過程中再生混凝土內部物質成分、微觀形態的變化，從而更好地掌握宏觀損傷的發展規律，并做出相應的預防。

劉杏娟[50]采用掃描電鏡對再生混凝土碳化前后微觀結構觀察后指出：一方面，再生混凝土內部存在比普通混凝土更多的薄弱界面，隨著再生粗骨料摻量的增加，微觀結構中缺陷和孔隙也就會越多，使得再生混凝土的抗碳化性能減弱；另一方面，碳化反應過程中CaCO3的填充效應能夠使混凝土微觀結構更加密實，從而減緩碳化反應的進行。FARAH 等[51]的微觀試驗也表明：碳酸鈣的形成最終將導致微觀結構中孔隙度和滲透率的降低。李陽陽[52]通過對比再生混凝土碳化前后宏觀和微觀性能的變化發現微觀顯微硬度的變化情況與宏觀強度的變換情況相一致，因此得出結論：再生混凝土在碳化作用下宏觀性能的變化可由其微觀結構充分反映。WU 等[53]也在結論中指出，不同碳化參數下再生混凝土的微觀和宏觀性能變化保持一致。

3 碳化模型

碳化模型主要指對結構碳化深度進行計算和預測的數學表達式，可分為以下3 類：

碳化的理論模型大多基于質量守恒方程和Fick 定律建立，也有部分基于化學反應動力學[54]，且大都以普通混凝土為研究對象。其中應用較為廣泛的有阿列克謝耶夫以及Papadakis 建立的混凝土碳化理論模型[55-56]。

碳化的經驗模型大多建立在碳化深度與碳化時間的平方根成正比的基礎之上，并結合試驗數據回歸得到。這類模型的建立較為方便，其缺陷在于考慮單個因素時無法反映混凝土整體的性能；而考慮因素過多時，在工程中的運用又會變得相當復雜。

對于半理論半經驗模型來說，其注重理論與實際相結合，各項參數均具有其對應的物理意義，同時模型也能夠在前人的基礎上不斷修改完善，因此這類模型更具有推廣價值。

碳化模型的整合主要有3 類模型：理論模型、經驗模型和半理論半經驗模型。阿列克謝耶夫基于Fick 第一擴散定律與CO2在多孔介質中擴散和吸收的特點推導出碳化的理論模型[55]：

X 為時間t 時的碳化深度；Dco2為二氧化碳在混凝土內的有效擴散系數，m2/s；Cco2為混凝土表面二氧化碳濃度，kg/m3；Mco2單位體積混凝土的二氧化碳吸收量，kg/m3；t 為碳化時間，s。

Papadakis 模型[56]：有效擴散系數；CH、CSH分別為混凝土中氫氧

式中：De,CO2為CO2在完全碳化混凝土中的化鈣與水化硅酸鈣的含量，mol/m3；εc為碳化后混凝土的總孔隙率；RH 為環境相對濕度，%。

張譽等[57]在普通混凝土碳化模型的基礎之上，引入再生混凝土抗壓強度作為影響因素，結合試驗數據回歸分析得到再生混凝土碳化預測模型：

式中：，C0是CO2濃度，%；Kks是工作應力影響系數，受拉時取1.1，受壓時取1.0；T 為環境溫度，℃；為再生混凝土抗壓強度MPa；t為碳化時間，d。

耿歐等[45]考慮再生粗骨料取代率等因素的影響，對試驗數據進行回歸分析得到了再生混凝土碳化模型：

式中：KW/C,KR, KT,KC分別為水灰比影響系數、再生粗骨料取代率影響系數、溫度影響系數、CO2濃度影響系數。

董偉等[34]在考慮粉煤灰替代普通硅酸鹽水泥基礎上，建立了再生混凝土碳化模型：

式中：CFA為粉煤灰摻量；t 為碳化時間，d。

肖建莊等[58]提出的模型基礎上，考慮再生粗骨料的影響并結合國內外研究的28 組數據回歸得到再生混凝土碳化深度預測模型為：

式中：gRC為再生粗骨料影響系數；RH 為相對濕度，%。RH>55%時適用；w/c 為水灰比；C 為單方混凝土水泥用量，kg/m3；γHD為水化程度修正系數，90 d 養護取1.0，28 d 養護取0. 85；γc為水泥品種修正系數，硅酸鹽水泥為1.0，其他種類取γc=1-摻合料質量分數；t 為碳化時間，d。

肖文廣等[30]提出的模型基礎上，考慮原始混凝土強度和再生混凝土強度比，結合實驗數據回歸得到再生混凝土碳化深度預測模型為：

4 展望

有關再生混凝土碳化的試驗研究已經取得了豐富的成果，但在一些結論的定性分析上仍存在分歧，同時缺少以再生混凝土結構為對象的研究，難以得到能夠在實際工程當中運用的碳化模型與評估方法。結合文章中的問題，對未來研究方向做出以下幾點展望：

（1）碳化機理研究。深入分析再生粗、細骨料的宏、微觀結構特性，探究其對再生混凝土碳化機理的影響，從內部結構和物質成分的改變來解釋再生骨料對碳化性能的影響機理。

（2）碳化模型修正。在已有的碳化模型基礎上，基于理論、實驗和模擬對模型進行修正，使其更加接近再生混凝土結構的服役情況，該思路更具研究和推廣價值。

（3）碳化性能改善。通過物理、化學或生物方法研究出再生混凝土防碳化技術，減少和延緩碳化的出現及發展從而提高再生混凝土的耐久性。

（4）碳化性能評估方法研究。針對再生混凝土碳化性能評估方法泛化不足的現狀，整理碳化數據庫，依靠機器學習建立一套全面可靠的再生混凝土碳化性能的評估方法。

5 結語

開展再生混凝土碳化的試驗研究，對預防碳化造成的結構損傷起著重要作用。再生混凝土與普通混凝土的碳化過程類似，試驗時應著重研究再生骨料自身缺陷造成的再生混凝土與普通混凝土碳化性能間的差異，從而更具針對性地對再生混凝土碳化性能進行改善，使其能夠滿足實際工程的需求。最后值得一提的是，碳化并非毫無益處，合理利用碳化填充再生混凝土微裂縫的正面效應，將為建筑業的低碳發展提供重要幫助。