碳化桃殼生物基混凝土力學性能及微觀結構研究

李宣霖 劉長武

（1.四川大學水利水電學院；2.水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室）

混凝土具有強度高、耐久性好、造價低等優(yōu)點，被廣泛應用在土木工程領域，是當今世界最常用的建筑材料。據統計，2020年我國商品混凝土產量約28.99億m3［1］?；炷恋闹苽湫枰玫酱罅康乃嗪蜕?、石等集料，平均每噸混凝土中水泥和集料的質量分別達120 kg和800 kg［2］，即2020年，我國混凝土用水泥約8.35億t，用集料55.66億t。

天然集料的開采會對我國生態(tài)環(huán)境及地貌造成巨大的破壞［3］。在我國，砂石［4］通常在河流以及山區(qū)開采，開采方式較粗放，開采作業(yè)會造成大量的植被破壞、水土流失、地下水和地表水污染及生物棲息地破壞等問題；同時，由于大規(guī)模的機械化作業(yè)，開采也會產生大量的二氧化碳、一氧化碳等，加劇溫室效應，破壞生態(tài)環(huán)境。

為減輕生態(tài)環(huán)境負擔，降低碳排放，早日實現“碳達峰、碳中和”的目標，國內外學者研究了用其他材料代替砂石制備混凝土的可行性。王圣怡等［5］研究發(fā)現，PVA纖維輕骨料混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著PVA纖維長度和摻量的增加而降低。曹芙波等［6］認為，運用稻殼灰和偏高嶺土強化液強化過的粗骨料，可明顯改善再生混凝土的性能，增強其耐磨性。高萍等［7］發(fā)現，利用再生粗骨料制備的混凝土，在替代率低時會增大混凝土的抗折強度，替代率高時會顯著降低混凝土的抗折強度。白國良等［8］研究了將煤矸石摻在混凝土中，煤矸石含碳量、取代率以及水灰比對混凝土抗壓強度的影響，建立了混凝土抗壓強度的計算公式。袁益欣等［9］研究表明，采用鐵尾礦砂作細骨料制備混凝土，隨著再生骨料替代率的增加，混凝土抗壓強度降低，劈裂抗拉強度和抗折強度先增加后降低，在50%時性能最佳。黃開林等［10］研究發(fā)現，碳化后再生骨料的密度、吸水率以及壓碎值都得到了明顯提升，碳化再生骨料制備的混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能也得到明顯優(yōu)化，不僅優(yōu)于再生混凝土，而且高于普通混凝土。

桃殼作為一種農業(yè)廢棄物，每年產出超過數百萬噸。桃殼代替粗骨料用在混凝土的制備中，不僅可有效降低天然砂石的用量，而且可消耗這一農業(yè)廢棄物，從而間接保護生態(tài)環(huán)境，降低碳排放，對于可持續(xù)發(fā)展以及“碳達峰、碳中和”具有重要意義。

鑒于此，本研究基于室內單軸抗折、抗壓、劈裂抗拉等試驗，檢測了不同粗骨料替代比下桃殼生物基混凝土試樣的各項物理力學性能；對桃殼生物基混凝土進行了SEM測試，探究了桃殼對混凝土強度影響的內在機制，相關研究將對我國可再生混凝土的發(fā)展具有積極意義。

1 試驗原料

（1）粗骨料。試驗用粗骨料有普通石子和碳化桃殼2種，粒徑均在4.75～7 mm。普通石子取自成都市郊；桃殼取自鞏義市，經破碎、高溫碳化處理。粗骨料的表面結構粗糙，相關物理力學性能指標見表1。

（2）其他原料。試驗用水泥為P·I42.5硅酸鹽水泥，相關性能見表2；試驗用細骨料選用ISO標準砂，粒徑為0.08～2 mm；試驗用水為自來水。

2 混凝土配合比設計

試驗采用一組普通混凝土為對照組，另外考慮4種不同的CPS（Carbonized Peach Shell）取代率（等體積替代，分別為25%、50%、75%、100%）。因此，試驗共設計5組不同的混凝土試樣，編號分別為CPS0、CPS25、CPS50、CPS75和CPS100。參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》，各組混凝土的配合比見表3。

由于碳化桃殼（CPS）和天然骨料的吸水率存在較大差異，因此在試驗前需要先將CPS泡水到飽和狀態(tài)，之后晾曬至飽和面干，再進行混凝土的制備。

試驗選用的粗骨料粒徑范圍較小，每組混凝土均制備9個40 mm×40 mm×160 mm的柱體試樣和3個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試樣，并在室溫下放入水中養(yǎng)護至設定齡期，分別測試CPS生物基混凝土7 d和28 d的單軸抗折強度、單軸抗壓強度以及28 d的劈裂抗拉強度。

3 試驗結果及分析

3.1 坍落度

圖1和圖2分別是CPS生物基混凝土的坍落度測試現場圖和坍落度變化圖。

從圖2可以看出，隨著CPS替代率的增加，生物基混凝土的坍落度先逐漸降低，至CPS替代率達到75%以后，混凝土的坍落度趨于穩(wěn)定。這是因為CPS相對于普通石子表面更加粗糙、質量更輕，導致骨料和砂漿之間的摩擦力增大而流動受阻，進而影響了混凝土的坍落度。

3.2 密度及吸水率

將養(yǎng)護28 d的CPS生物基混凝土從水中取出，并把表面水分擦干，測量其飽和面干質量并計算密度，之后將試樣放入烘箱，在105℃下連續(xù)烘24 h，測量其烘干后的質量并計算密度。根據兩者的質量可計算CPS生物基混凝土的吸水率。測試及計算結果見表4。

從表4可以看出，當CPS替代率達到50%及以上時，其干密度符合輕骨料混凝土的要求；隨著替代率的升高，混凝土的密度明顯降低，吸水率明顯提高；當替代率達到100%時，混凝土的飽和密度和烘干密度分別下降了24.3%和30.0%，而吸水率提高約3倍。這是因為碳化桃殼內部孔隙較多，其吸水性能明顯強于普通混凝土骨料，因此，碳化桃殼混凝土的吸水性能也得到一定提升。

3.3 抗折強度

圖3和圖4是CPS生物基混凝土試樣的下邊緣折斷位置及斷裂形態(tài)，圖5是CPS生物基混凝土隨著CPS替代率上升時抗折強度的變化規(guī)律。

從圖3～圖5可以看出，當CPS替代率不同時，在養(yǎng)護7 d和養(yǎng)護28 d情況下，試樣下邊緣的折斷位置和斷裂形態(tài)均無明顯變化；隨著替代率的提高，混凝土試樣的抗折強度逐漸降低，且具有較為明顯的規(guī)律；當替代率達到100%時，養(yǎng)護7 d和養(yǎng)護28 d條件下試樣的抗折強度為5.3 MPa和6.1 MPa，相較對照組分別下降了37.7%和30.7%。此外，隨著養(yǎng)護齡期的增加，除CPS 50外，各組試樣抗折強度均有增強，其中CPS100變化最明顯，28 d抗折強度比7 d時提高了0.8 MPa。

3.4 抗壓強度

圖6～圖8是CPS生物基混凝土的抗壓破壞形態(tài)及斷面容貌，圖9是CPS生物基混凝土試樣抗壓強度與CPS替代率之間的關系。

從圖6～圖8可以看出，混凝土試樣的裂縫均主要出現在試樣與模具接觸面兩側，且裂縫貫通，試樣中部存在少量細小裂縫；觀察斷面可以發(fā)現，CPS生物基混凝土以CPS骨料破壞為主，而普通混凝土則以骨料和砂漿的粘接面破壞為主，這也是2種混凝土破壞的主要區(qū)別。

從圖9可以看出，與對照組相比，在CPS替代率不斷增加的情況下，混凝土試樣的抗壓強度不斷下降；隨著養(yǎng)護齡期增加，各組混凝土試樣強度均顯著提高。分析原因，這是由于CPS骨料本身強度較低導致，而且由于CPS本身為木制材料，這會降低水泥水化反應程度，進而導致試樣強度下降。盡管如此，CPS100混凝土試樣在養(yǎng)護28 d后，其單軸抗壓強度為對照組的62.9%，仍具有35 MPa以上的強度，因而CPS100的強度符合大量的工程要求。

3.5 劈裂抗拉強度

將CPS生物基混凝土養(yǎng)護28 d后，其劈裂抗拉強度變化見圖10，破壞形態(tài)見圖11。

從圖10可以看出，混凝土試樣的劈裂抗拉強度隨著CPS摻量的增加逐漸降低，從對照組的3.0 MPa降至CPS100組的2.1 MPa。雖然降幅明顯，但CPS100組的劈裂抗拉強度仍能滿足ASTMC330標準規(guī)范對結構輕混凝土的抗拉強度的要求。

3.6 SEM微觀形貌

CPS混凝土破壞后CPS骨料和普通骨料與水泥砂漿交界面以及CPS骨料本身的掃描電鏡圖片見圖12。

從圖12可以看出，水泥砂漿與CPS骨料之間未出現明顯的縫隙，說明兩者具有比較良好的粘結性，這也解釋了CPS混凝土破壞時，以強度較低的CPS骨料本身破壞為主而非交界面。普通骨料同水泥砂漿之間同樣具有很好的粘結性，由于骨料本身強度較高，因此破壞以水泥砂漿和骨料之間的粘結破壞為主。觀察CPS骨料本身的微觀形貌可以發(fā)現，CPS骨料本身存在大量的孔洞，這也驗證了CPS生物基混凝土具有密度小、吸水率高等特點。

4 結論

（1）CPS骨料的加入會降低混凝土的抗壓強度、抗折強度以及劈裂抗拉強度，且隨著CPS骨料替代率的增加，混凝土的抗壓強度、抗折強度以及劈裂抗拉強度也就越低。但是即使替代率達到100%時，所制備出來的混凝土的各項強度指標也均滿足輕骨料混凝土的要求。

（2）CPS生物基混凝土的破壞以骨料本身破壞為主，而普通混凝土則以粘結面破壞為主。結合SEM結果，說明CPS骨料與水泥砂漿之間的粘結性較好，也驗證了即使CPS骨料本身強度較低，但CPS混凝土仍具有較高的強度。

（3）CPS生物基混凝土相較普通混凝土具有密度小、吸水率高等優(yōu)點，且CPS生物基混凝土強度有所保證，驗證了CPS生物基混凝土規(guī)?；瘧玫目尚行?。