碳化再生骨料對混凝土力學性能的影響研究

夏曉娟，劉 肖，牛冬春，薛振寧

（徐州市水利工程建設管理中心,江蘇 徐州 221000）

1 引言

隨著工業化、城市化進程的加快,特別是發展中國家和地區產生了大量的建筑垃圾。從環境保護和資源有效利用的角度出發,對建筑拆遷垃圾進行回收再利用具有重要意義。在許多國家,利用碾碎混凝土碎片作為混凝土的再生粗骨料替代天然材料,已經在建筑工程中得到推廣[1]。然而,再生粗骨料在結構混凝土中的再利用仍然有限。主要是再生粗骨料密度較低、吸水率孔隙率較高和較低的力學性能,對再生混凝土的質量產生了不利影響,導致強度低、應變高和耐久性差[2]。

近年來,有研究人員提出采用加速碳化技術來提高再生粗骨料的質量[3]。這一想法基于CO2與混凝土中水泥水化產物Ca（OH）2和C-S-H之間的反應。理論計算表明,充分碳化的混凝土可吸收50%的CO2。反應產物CaCO3在體系的孔隙中析出,使整個微觀結構更致密。根據下面的反應（1）和反應（2）,碳化后,根據反應（1）,固體體積可增加11.8%,根據反應（2）,固體體積可增加23%左右[4]。

以往相關文獻表明,碳化后的再生粗骨料密度增大,吸水率降低,破碎值增大[5]。實際工程中,在CO2濃度為0.03%～0.06%的大氣條件下,混凝土也會發生碳化,但是完全碳化可能需要100年以上。加速碳化技術已被用于嘗試快速改善再生粗骨料的性能。到目前為止,能夠證實碳化再生粗骨料對混凝土性能的影響的信息有限。本文采用加速碳化技術制備碳化再生粗骨料,研究碳化再生粗骨料的性能及對再生混凝土力學性能的影響。

2 材料與試驗方案

2.1 材料

為了研究碳化處理對再生粗骨料性能的影響,本研究使用的再生粗骨料是通過碾碎一批由預拌混凝土供應商生產的混凝土獲得。表1給出了用于再生粗骨料的原始混凝土的配合比。將粉碎后的混凝土篩分為10 mm～20 mm、5 mm～10 mm和＜5 mm三個組分。在本研究中選用5 mm～10 mm和10 mm～20 mm兩個組分的混凝土碎片作為再生粗骨料用于制備新混凝土。

表1 制備再生粗骨料的原始混凝土配合比 單位：kg/m3

除了再生粗骨料外,本研究還使用碎花崗巖（5 mm～10 mm和10 mm～20 mm）、河砂（＜5 mm）、水泥和高效減水劑用于制備混凝土混合物。采用符合標準的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥。水泥的化學成分和物理性質見表2和表3。

表2 普通硅酸鹽水泥的化學成分

表3 普通硅酸鹽水泥的物理性能

2.2 加速碳化方法

對再生粗骨料進行碳化之前,先對其進行預處理,使其具有適當含水量,以促進碳化。將制備好的再生粗骨料放入容積約為100 L的密閉鋼制圓柱容器內,用真空泵將容器內抽成真空,注入CO2氣體。然后,室內的壓強由氣體調節器控制并保持在所需的恒定水平。在這項研究中,再生粗骨料分別在1 Bar（Bar=0.1 MPa）和10 Bar的壓強下,CO2濃度約為100%的條件下進行24小時的碳化。

2.3 混凝土配合比設計

表4列出了混凝土骨料在飽和表面干時的混凝土配合比。為了使混凝土具有較好的和易性,在拌合料里添加了高效減水劑,為了保證各組混凝土工作相似性,減水劑添加量隨著再生骨料的增加而增加。采用二次攪拌法拌合混凝土混合料。對于上述每種混凝土混合物,在模具中澆鑄一系列混凝土試樣,然后由振動臺振動。配制的混凝土試件包括尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試塊,尺寸為直徑100 mm×高200 mm的混凝土圓柱體試件,尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的混凝土棱柱試件。實驗室中固化24小時后進行脫模,在25±2℃的水箱中進一步固化。在28天齡期用立方體試塊測定混凝土的物理性能和抗壓強度。在28天齡期用棱柱試件測量混凝土的抗彎強度。在28天齡期用圓柱體試件測量混凝土的靜態彈性模量。

表4 混凝土的配合比

2.4 試驗方法

每個樣品或試件的最終測試值均為三次測試的平均值。

2.4.1 骨料性能的測定

根據《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685-2001）和《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JCJ 52-2006）對再生粗骨料的密度和吸水率進行測試。

2.4.2 混凝土抗壓強度的測試

主成分分析是一種利用降維的思想把多個變量轉化為幾個主要變量，排除其他對數據分析有干擾的相關性較小或不相關變量的方法[11].在數據具有可信度的前提條件下，利用較少的幾個綜合指標取代多個指標，從而使研究目的更清晰，研究效率更高.由于各區縣發展歷史、資源稟賦、經濟基礎不同，各地經濟發展存在著較大差異.為了更加科學地反映各縣域經濟綜合發展情況，以前人研究成果為基礎并結合實際，采用主成分分析進行成都平原城市群區域經濟時空差異研究[12]，其分析步驟如下：

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2016）,制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊于28天齡期進行抗壓強度測試。混凝土的抗壓強度是用承載能力為3000 kN的萬能試驗機確定的。根據規范要求,壓縮試驗的加載速率為0.5 MPa/s。

2.4.3 混凝土靜彈性模量的測試

在28天齡期對尺寸為直徑100 mm×高200 mm的混凝土圓柱體試件進行靜態彈性模量的測試。

2.4.4 混凝土抗折強度的測試

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2016）,制備尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的混凝土棱柱試件,于28天齡期進行抗折強度測試。在三點彎曲裝置中測試抗折強度,兩支座之間的距離為300 mm。

3 結果與討論

3.1 碳化前后再生粗骨料的性質

碎花崗巖（NCA）、非碳化的再生粗骨料（RCA）、壓強為1 Bar的碳化再生粗骨料（RCA-1 Bar）和壓強為10 Bar的碳化再生粗骨料（RCA-10 Bar）的表觀密度、吸水率分別見圖1、圖2。

圖1 不同類型粗骨料的表觀密度

圖2 不同類型粗骨料的吸水率

可以看出,碳化后再生粗骨料的性能得到了改善。與非碳化再生粗骨料相比,碳化再生粗骨料的表觀密度增加了0.8%,吸水率降低了16.7%。在碳化過程中,隨著壓強從1 Bar增加到10 Bar,碳化再生粗骨料的表觀密度略有增加（0.53%）,吸水率降低了5.1%。隨著壓力的增加,再生粗骨料碳化的更加徹底,其性能得到了改善。壓強為10 Bar時,粗骨料的表觀密度達到了2636 kg/m3,超過了天然骨料的表觀密度。

3.2 混凝土的物理性能

圖3顯示了不同類型再生粗骨料（RAC、RAC-1 Bar和RAC-10 Bar）不同替代率時混凝土表觀密度的變化規律。從圖中可以看出,隨著再生粗骨料替代率的增加,混凝土表觀密度大約呈線性下降趨勢。與非碳化再生粗骨料相比,使用碳化再生粗骨料,混凝土的密度進一步增加。在碳化過程中,隨著壓強從1 Bar增加到10 Bar,混凝土的表觀密度略有增加。圖4顯示了不同類型再生粗骨料替代率為100%時混凝土的表觀密度。與天然骨料混凝土相比,再生骨料混凝土的表觀密度降低了4.6%。與非碳化再生粗骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的表觀密度增加了1.1%。碳化過程壓強從1 Bar增加到10 Bar時,混凝土的表觀密度增加了0.31%。

圖3 不同類型混凝土28天齡期的表觀密度

圖4 粗骨料替代率100%時不同類型混凝土的表觀密度

3.3 混凝土的抗壓強度

不同類型混凝土在28天齡期的抗壓強度結果見圖5。從圖中可以看出,混凝土的抗壓強度取決于再生粗骨料的替代率、再生粗骨料的類型和再生粗骨料的碳化壓強。

圖5 不同類型混凝土28天齡期的抗壓強度

與100%天然骨料混凝土相比,100%非碳化再生粗骨料混凝土的抗壓強度明顯降低,下降了19.2%。但當粗骨料替代率為25%時,混凝土的抗壓強度沒有明顯變化。

當使用碳化再生粗骨料時,混凝土的抗壓強度得到了增強。與100%非碳化再生粗骨料的混凝土相比,在10 Bar壓強下,100%碳化的新混凝土抗壓強度明顯提高,提高了14.8%。此外,與100%天然骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的抗壓強度并沒有明顯降低。這意味著,當再生粗骨料經過碳化處理后,不僅有助于提高再生骨料混凝土的抗壓強度,而且還允許在混凝土中重復使用更高比例的再生粗骨料。

圖6顯示了不同類型再生粗骨料替代率為100%時混凝土的抗壓強度。碳化過程壓強從1 Bar增加到10 Bar時,混凝土的抗壓強度略有提高,僅提高1.6%。可以看出,1 Bar的壓強下將骨料碳化24小時后,骨料中適合碳化的成分基本耗盡。因此,在使用較長時間的碳化處理程序時,所使用的碳化壓力對混凝土影響較小。

圖6 粗骨料替代率100%時不同類型混凝土的抗壓強度

3.4 混凝土的靜彈性模量

不同類型混凝土在28天齡期的靜彈性模量結果見圖7。從圖中可以看出,隨著混凝土中再生粗骨料的增加,混凝土的彈性模量逐漸降低。與非碳化再生粗骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的彈性模量變大。

圖7 不同類型混凝土28天齡期的靜彈性模量

圖8顯示了不同類型再生粗骨料替代率為100%時混凝土的靜彈性模量。與100%非碳化再生粗骨料混凝土相比,100%碳化再生粗骨料混凝土的彈性模量提高了11.9%。和混凝土的抗壓強度相似,碳化過程壓強從1 Bar增加到10 Bar時,混凝土的彈性模量略有增加,約為1.5%。

圖8 粗骨料替代率100%時不同類型混凝土的靜彈性模量

3.5 混凝土的抗折強度

不同類型混凝土在28天齡期的抗折強度結果見圖9。從圖中可以看出,混凝土的抗折強度結果與靜彈性模量和抗壓強度的結果相比,有相似的變化趨勢。隨著混凝土中再生粗骨料的增加,混凝土的抗折強度逐漸降低。與非碳化再生粗骨料混凝土相比,摻入碳化再生粗骨料明顯提高了混凝土的抗折強度。在碳化過程中,隨著壓強從1 Bar增加到10 Bar,混凝土的抗折強度略有增加。在10 Bar壓強下,與天然骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的抗折強度并沒有明顯降低。

圖9 不同類型混凝土28天齡期的抗折強度

圖10顯示了不同類型再生粗骨料替代率為100%時混凝土的抗折強度量。與100%非碳化再生粗骨料混凝土相比,100%碳化再生粗骨料混凝土抗折強度提高了29.8%。此外,替代率為50%以下的碳化再生粗骨料用于混凝土,獲得的抗折強度與對照混凝土相當。碳化壓力對混凝土抗折強度的影響較小。

圖10 粗骨料替代率100%時不同類型混凝土的抗折強度

4 結論

本文采用加速碳化技術在壓強分別為1 Bar和10 Bar下制備碳化再生粗骨料。測試了再生粗骨料混凝土的抗壓強度、靜彈性模量和抗折強度。

（1）碳化后再生粗骨料的性能得到了改善。與非碳化再生粗骨料相比,碳化再生粗骨料的表觀密度增加了0.8%,吸水率降低了16.7%。在碳化壓強從1 Bar增加到10 Bar時,碳化再生粗骨料的表觀密度增加0.53%,吸水率降低5.1%。

（2）與非碳化再生粗骨料相比,碳化再生粗骨料的抗壓強度和抗折強度有顯著的提高,分別增加了14.8%和29.8%。壓強從1 Bar增加到10 Bar時,混凝土的抗壓強度和抗折強度均略有增加,但變化不明顯。

（3）隨著混凝土中再生粗骨料的增加,混凝土的彈性模量逐漸降低。與非碳化再生粗骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的彈性模量提高了11.9%。壓強從1 Bar增加到10 Bar時,混凝土的彈性模量略有增加,約為1.5%。

（4）在壓強為10 Bar下制備的碳化再生粗骨料,替代率為50%及以下時,混凝土的抗壓強度、靜彈性模量和抗折強度均與對照混凝土相當。