碳化作用对再生骨料混凝土的力学性能影响分析

徐波阳 吴萌萌

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804;2.同济大学民航飞行区设施耐久与运行安全重点实验室 上海 201804; 3.哪咤港航智慧科技有限公司 上海 200082)

近年来,随着建筑行业基础设施的改扩建任务逐步增多,产生了大量的建筑废弃骨料。而利用再生循环对废弃骨料进行处理是一种环保的可持续方法,利用这种骨料制成的混凝土称为再生骨料混凝土(RAC)。

RAC由原生骨料、黏结砂浆和2个界面过渡区(ITZ)组成。第一个ITZ位于原骨料和旧砂浆之间,称为旧界面过渡区,第二个ITZ位于旧砂浆和新拌水泥砂浆之间,称为新界面过渡区。旧砂浆对ITZ 的数量、分布,以及性能的差异有很大的影响,这导致相比于天然混凝土,RAC中水泥砂浆疏松多孔,再生骨料吸水率和孔隙率高,因此直接造成RAC力学性能下降。为此,大量学者提出了各类强化方法以促进再生骨料的再利用,如用超声波清洗法[1]、加热研磨法[2]或用盐酸、硫酸、磷酸预浸泡法[3]来去除附着砂浆,或者采用水玻璃[4]、火山灰材料[5]涂层来提高附着砂浆质量。然而,这些方法要么引入了新的环境问题,要么不经济。通过分析各类改性方法的优缺点,最终对比发现碳化具有明显的优势,因为碳化不仅改善了RCA的界面和力学性能,还实现了碳捕捉和碳固定[6]。

碳化是指采用CO2对RAC进行预处理的一种方法[7]。经过碳化处理后,再生骨料的力学性能和物理性能均有所改善,而且骨料的化学成分不受碳化的影响,最大限度地保证了骨料颗粒结构的完整性。CO2强化法通过化学反应生成固相物质,填充了孔隙,达到增强骨料附着砂浆的目的,碳化后形成具有低Ca-Si比的C-S-H 凝胶和一层致密的碳酸钙保护层,可以降低氯离子的渗透性,且不引入任何额外成分,从而提高再生骨料混凝土的耐久性[8]。虽然碳化处理在理论上具有良好的应用价值,但是国内外目前针对碳化再生骨料水泥混凝土的研究还相对较少,尤其是在基本力学性能方面,更是缺乏相关的研究数据,尚未得出普遍性的研究定论。

基于上述内容,本文以不同黏附砂浆含量下是否进行碳化处理为研究变量,分析在碳化作用影响下再生骨料水泥混凝土的力学性能变化规律,以抗压强度和抗折强度为力学性能的评价指标,分析碳化的影响效果。

1 碳化再生混凝土性能改善机理

再生混凝土中,不仅骨料与砂浆的界面过渡区中存在裂缝,其附近的砂浆中也有许多微裂纹,碳化过程中,CO2很容易与富集在界面过渡区的 Ca(OH)2发生反应,生成小的碳酸钙颗粒,填充在骨料和界面孔隙中,减少了界面厚度,这对旧骨料与新砂浆的界面过渡区的显微硬度有显著的提升效果,因此碳化再生骨料内部的整体结构更加致密,总孔隙率也有所降低。此外再生混凝土中往往存在松散的水化产物、连通孔隙和微裂缝,这大大削弱了水泥浆体和再生骨料之间的黏结强度,然而碳化再生混凝土生成的CaCO3颗粒使得界面结构致密化,这使得界面过渡区中填充了许多新的产物,几乎没有孔隙和微裂缝,因此提高了界面的硬度。

2 原材料性能

2.1 水泥

所用水泥为P·O 42.5强度等级的普通硅酸盐水泥,由山东某品牌水泥公司提供,其化学组分见表1。

表1 水泥各化学成分质量所占百分比 %

2.2 粗骨料

再生骨料来源于实验中成型的天然混凝土,该混凝土抗压强度等级为C50,首先清理试件表面,去除杂质;然后人工锤击大块混凝土,使其破碎成相对较小的试块;接着用颚式破碎机进行破碎;对机器破碎效果不好的试块进行二次人工处理;最后进行筛分,便得到再生粗骨料。制备过程严格按照规范进行,保证再生粗骨料的粒径范围为5～20 mm。

2.3 砂

试验所用细骨料为天然水洗河砂,颗粒连续级配。烘干后根据JGJ 52-2006 《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》以及GB/T 14684-2022《建设用砂》相关规定进行筛分、基本物理性能测试并评定,均符合要求,有害物质均在规定值以下。砂的相应物理性能指标见表2。

表2 砂物理性能

2.4 CO2

实验中所用CO2是由郑州源正气体有限公司生产,纯度>99%。

3 试验方案

3.1 试件尺寸及配合比

根据JGJ 55-2011 《普通混凝土配合比设计规程》,用再生粗骨料RCA和CRCA(RCA碳化处理后的再生粗骨料)分别配制水泥混凝土,再生水泥混凝土采用水泥、砂、再生粗骨料和水4种材料,不掺任何外加剂。混凝土的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm和400 mm×100 mm×100 mm 2种规格。再生混凝土拌合物坍落度控制在60～80 mm。

配制碳化再生骨料水泥混凝土和未碳化处理再生骨料水泥混凝土时,水灰比取0.40。以再生骨料RCA配制的水泥混凝土记作RAC,RCA砂浆含量为36%的记为RAC-36%,RCA砂浆含量为43%的记为RAC-43%,RCA砂浆含量为50%的记为RAC-50%;以碳化再生骨料CRCA配制的水泥混凝土记作CRAC,CRCA砂浆含量为36%的记为CRAC-36%,CRCA砂浆含量为43%的记为CRAC-43%,CRCA砂浆含量为50%的记为CRAC-50%。

3.2 再生骨料碳化

将再生骨料放入碳化箱中,在相对湿度为(60±5)%、温度控制为(20±2)℃、CO2质量分数为20%的条件下加速碳化7 d。将碳化后的再生粗骨料记作CRCA。考虑到再生粗骨料碳化效果,将骨料均匀摆放到托盘上,再将托盘铺放到碳化箱架子上。为了保证再生粗骨料表面的黏结砂浆被充分碳化,实验中每间隔一段时间,翻动再生骨料并取出少部分再生骨料,然后向其表面喷洒1%的酚酞乙醇溶液,观察其颜色是否变红,检测其表面是否碳化,接着用研钵将骨料黏附砂浆研磨成粉末状,并喷洒1%的酚酞乙醇溶液,观察砂浆内部的碳化程度。碳化前其颜色明显变红,而碳化7 d后再生骨料颜色微粉,这表明虽然没有完全碳化,但其碳化程度也已经相当高,而且本试验所用的碳化再生骨料都是在同一条件下加速碳化7 d,未完全碳化并不影响试验结果。

3.3 混凝土试件的成型和养护

先将再生骨料和砂按先后顺序倒入HJW60型单卧轴混凝土搅拌机中混合搅拌均匀30 s,之后加入水泥混合搅拌1 min至均匀混合,再加入水搅拌3 min。然后把拌合物倒入提前刷好脱模剂的长方体和正方体模具中,长方体模具尺寸为400 mm×100 mm×100 mm,正方体模具尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。再将模具放于振动台振捣密实,用刮刀抹平以浇模成型,之后在模具上覆盖塑料薄膜并编号,放在标准养护室进行标准条件(温度(20±2) ℃,相对湿度(97±2)%)下的养护;24 h后拆模,将试件放置在饱和Ca(OH)2溶液中,在20 ℃的条件下养护至规定龄期取出备用。

3.4 力学性能试验

3.4.1抗压强度试验

根据GB/T 50081-2019 《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定,对NAC、RAC、CRAC混凝土试件进行抗压强度测试。所用试件为养护28 d的100 mm×100 mm×100 mm非标准试件,选用混凝土配合比设计中的全部组别,试件共9组,每组3个平行试件,共27个。采用液压式万能试验机按力控制的方式对试件进行加载,按照试验标准控制加载速率为0.05 MPa/s,连续均匀施加荷载进行抗压强度测试,当试件接近破坏并发生较大变形,并直至试件破环时,立即停止加荷。每组混凝土试件的抗压强度结果均取3个立方体试件试验的平均值。

3.4.2抗折强度试验

根据GB/T 50081-2019 《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定,对NAC、RAC、CRAC混凝土试件进行抗折强度测试。所用试件为养护28 d的100 mm×100 mm×400 mm非标准试件,选用混凝土配合比设计中的全部组别,试件共9组,每组3个平行试件,共27个。采用液压式万能试验机按力控制的方式对试件进行加载,按照试验标准控制加载速率为0.05 MPa/s,连续均匀施加荷载进行抗折强度测试,当试件接近破坏并发生较大变形,并直至试件破环时,立即停止加荷。每类混凝土试件的抗折强度试验结果均取3个棱柱体试件的平均值。

4 试验结果

4.1 抗压强度

根据上文所述的方法得到各类混凝土试件的抗压强度,见表3。

表3 2类混凝土试件抗压强度表

将表3的试验结果绘制成图,见图1。

图1 2类混凝土抗压强度对比

图1反映了RAC和CRAC 2组混凝土的抗压强度随砂浆含量变化的趋势。可以发现,不论是RAC还是CRAC,其抗压强度随着混凝土砂浆含量的增加呈现先增加后降低的趋势。当RCA砂浆含量为43%时,RAC和CRAC的抗压强度达到最大,在RCA砂浆含量为50% 时抗压强度最低。

观察图1中的RAC及CRAC曲线可以发现,在任意砂浆含量下的RAC的抗压强度都显著低于CRAC。根据表3可知,CRAC-36%、CRAC-43%、CRAC-50%的抗压强度分别比RAC-36%、RAC-43%、RAC-50%的抗压强度提高了14.91%,11.54%,15.56%,且不同砂浆含量下,强度的提升数值基本相同,这表明再生骨料经过碳化强化处理后,RAC的抗压强度得到了显著改善。

4.2 抗折强度

根据上文所述的方法计算得到各类混凝土试件的抗折强度,见表4。

表4 2类混凝土试件抗压强度表

将表4的试验结果绘制成图,见图2。

图2 2类混凝土抗折强度对比

图2反映了RAC和CRAC 2组混凝土的抗折强度随砂浆含量变化的趋势。从图中可以看出,不论是RAC还是CRAC,随着骨料砂浆含量的增加,混凝土的抗折强度降低。当RCA砂浆含量为36%时,2组混凝土的抗折强度达到最大,在RCA砂浆含量为50% 时抗折强度最低。

观察图2中的RAC及CRAC曲线可以发现,在任意骨料附着砂浆含量下的RAC的抗折强度均低于CRAC。根据表4可知,CRAC-36%、CRAC-43%、CRAC-50%的抗折强度分别比RAC-36%、RAC-43%、RAC-50%的抗折强度提高了3.27%,2.50%,1.22%,这表明再生骨料经过碳化强化处理后,RAC的抗折强度得到了一定的改善。

5 结论

根据目前对碳化再生混凝土的研究,结合本试验的研究结果,得出在砂浆含量分别为36%,43%,50%的混凝土试件中,碳化对于再生骨料混凝土力学性能的影响效果,得到如下结论。

1) 在抗压强度试验中,RAC和CRAC的抗压强度随着混凝土砂浆含量的增加均呈现先增加后降低的趋势,且砂浆含量为50%时强度最高,而抗折强度试验中,随砂浆含量增加抗折强度降低。

2) 经过CO2碳化强化后,再生混凝土的抗压强度提升11.54%～15.56%,抗折强度提升1.21%～3.28%,且不同砂浆含量下,强度提升量大致相同,因此碳化再生混凝土的力学性能明显高于未碳化的再生混凝土。