碳化再生骨料对混凝土力学性能的影响研究

夏晓娟，刘 肖，牛冬春，薛振宁

（徐州市水利工程建设管理中心,江苏 徐州 221000）

1 引言

随着工业化、城市化进程的加快,特别是发展中国家和地区产生了大量的建筑垃圾。从环境保护和资源有效利用的角度出发,对建筑拆迁垃圾进行回收再利用具有重要意义。在许多国家,利用碾碎混凝土碎片作为混凝土的再生粗骨料替代天然材料,已经在建筑工程中得到推广[1]。然而,再生粗骨料在结构混凝土中的再利用仍然有限。主要是再生粗骨料密度较低、吸水率孔隙率较高和较低的力学性能,对再生混凝土的质量产生了不利影响,导致强度低、应变高和耐久性差[2]。

近年来,有研究人员提出采用加速碳化技术来提高再生粗骨料的质量[3]。这一想法基于CO2与混凝土中水泥水化产物Ca（OH）2和C-S-H之间的反应。理论计算表明,充分碳化的混凝土可吸收50%的CO2。反应产物CaCO3在体系的孔隙中析出,使整个微观结构更致密。根据下面的反应（1）和反应（2）,碳化后,根据反应（1）,固体体积可增加11.8%,根据反应（2）,固体体积可增加23%左右[4]。

以往相关文献表明,碳化后的再生粗骨料密度增大,吸水率降低,破碎值增大[5]。实际工程中,在CO2浓度为0.03%～0.06%的大气条件下,混凝土也会发生碳化,但是完全碳化可能需要100年以上。加速碳化技术已被用于尝试快速改善再生粗骨料的性能。到目前为止,能够证实碳化再生粗骨料对混凝土性能的影响的信息有限。本文采用加速碳化技术制备碳化再生粗骨料,研究碳化再生粗骨料的性能及对再生混凝土力学性能的影响。

2 材料与试验方案

2.1 材料

为了研究碳化处理对再生粗骨料性能的影响,本研究使用的再生粗骨料是通过碾碎一批由预拌混凝土供应商生产的混凝土获得。表1给出了用于再生粗骨料的原始混凝土的配合比。将粉碎后的混凝土筛分为10 mm～20 mm、5 mm～10 mm和＜5 mm三个组分。在本研究中选用5 mm～10 mm和10 mm～20 mm两个组分的混凝土碎片作为再生粗骨料用于制备新混凝土。

表1 制备再生粗骨料的原始混凝土配合比 单位：kg/m3

除了再生粗骨料外,本研究还使用碎花岗岩（5 mm～10 mm和10 mm～20 mm）、河砂（＜5 mm）、水泥和高效减水剂用于制备混凝土混合物。采用符合标准的P.O42.5R普通硅酸盐水泥。水泥的化学成分和物理性质见表2和表3。

表2 普通硅酸盐水泥的化学成分

表3 普通硅酸盐水泥的物理性能

2.2 加速碳化方法

对再生粗骨料进行碳化之前,先对其进行预处理,使其具有适当含水量,以促进碳化。将制备好的再生粗骨料放入容积约为100 L的密闭钢制圆柱容器内,用真空泵将容器内抽成真空,注入CO2气体。然后,室内的压强由气体调节器控制并保持在所需的恒定水平。在这项研究中,再生粗骨料分别在1 Bar（Bar=0.1 MPa）和10 Bar的压强下,CO2浓度约为100%的条件下进行24小时的碳化。

2.3 混凝土配合比设计

表4列出了混凝土骨料在饱和表面干时的混凝土配合比。为了使混凝土具有较好的和易性,在拌合料里添加了高效减水剂,为了保证各组混凝土工作相似性,减水剂添加量随着再生骨料的增加而增加。采用二次搅拌法拌合混凝土混合料。对于上述每种混凝土混合物,在模具中浇铸一系列混凝土试样,然后由振动台振动。配制的混凝土试件包括尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方体试块,尺寸为直径100 mm×高200 mm的混凝土圆柱体试件,尺寸为150 mm×150 mm×550 mm的混凝土棱柱试件。实验室中固化24小时后进行脱模,在25±2℃的水箱中进一步固化。在28天龄期用立方体试块测定混凝土的物理性能和抗压强度。在28天龄期用棱柱试件测量混凝土的抗弯强度。在28天龄期用圆柱体试件测量混凝土的静态弹性模量。

表4 混凝土的配合比

2.4 试验方法

每个样品或试件的最终测试值均为三次测试的平均值。

2.4.1 骨料性能的测定

根据《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685-2001）和《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JCJ 52-2006）对再生粗骨料的密度和吸水率进行测试。

2.4.2 混凝土抗压强度的测试

主成分分析是一种利用降维的思想把多个变量转化为几个主要变量，排除其他对数据分析有干扰的相关性较小或不相关变量的方法[11].在数据具有可信度的前提条件下，利用较少的几个综合指标取代多个指标，从而使研究目的更清晰，研究效率更高.由于各区县发展历史、资源禀赋、经济基础不同，各地经济发展存在着较大差异.为了更加科学地反映各县域经济综合发展情况，以前人研究成果为基础并结合实际，采用主成分分析进行成都平原城市群区域经济时空差异研究[12]，其分析步骤如下：

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2016）,制备尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块于28天龄期进行抗压强度测试。混凝土的抗压强度是用承载能力为3000 kN的万能试验机确定的。根据规范要求,压缩试验的加载速率为0.5 MPa/s。

2.4.3 混凝土静弹性模量的测试

在28天龄期对尺寸为直径100 mm×高200 mm的混凝土圆柱体试件进行静态弹性模量的测试。

2.4.4 混凝土抗折强度的测试

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2016）,制备尺寸为150 mm×150 mm×550 mm的混凝土棱柱试件,于28天龄期进行抗折强度测试。在三点弯曲装置中测试抗折强度,两支座之间的距离为300 mm。

3 结果与讨论

3.1 碳化前后再生粗骨料的性质

碎花岗岩（NCA）、非碳化的再生粗骨料（RCA）、压强为1 Bar的碳化再生粗骨料（RCA-1 Bar）和压强为10 Bar的碳化再生粗骨料（RCA-10 Bar）的表观密度、吸水率分别见图1、图2。

图1 不同类型粗骨料的表观密度

图2 不同类型粗骨料的吸水率

可以看出,碳化后再生粗骨料的性能得到了改善。与非碳化再生粗骨料相比,碳化再生粗骨料的表观密度增加了0.8%,吸水率降低了16.7%。在碳化过程中,随着压强从1 Bar增加到10 Bar,碳化再生粗骨料的表观密度略有增加（0.53%）,吸水率降低了5.1%。随着压力的增加,再生粗骨料碳化的更加彻底,其性能得到了改善。压强为10 Bar时,粗骨料的表观密度达到了2636 kg/m3,超过了天然骨料的表观密度。

3.2 混凝土的物理性能

图3显示了不同类型再生粗骨料（RAC、RAC-1 Bar和RAC-10 Bar）不同替代率时混凝土表观密度的变化规律。从图中可以看出,随着再生粗骨料替代率的增加,混凝土表观密度大约呈线性下降趋势。与非碳化再生粗骨料相比,使用碳化再生粗骨料,混凝土的密度进一步增加。在碳化过程中,随着压强从1 Bar增加到10 Bar,混凝土的表观密度略有增加。图4显示了不同类型再生粗骨料替代率为100%时混凝土的表观密度。与天然骨料混凝土相比,再生骨料混凝土的表观密度降低了4.6%。与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观密度增加了1.1%。碳化过程压强从1 Bar增加到10 Bar时,混凝土的表观密度增加了0.31%。

图3 不同类型混凝土28天龄期的表观密度

图4 粗骨料替代率100%时不同类型混凝土的表观密度

3.3 混凝土的抗压强度

不同类型混凝土在28天龄期的抗压强度结果见图5。从图中可以看出,混凝土的抗压强度取决于再生粗骨料的替代率、再生粗骨料的类型和再生粗骨料的碳化压强。

图5 不同类型混凝土28天龄期的抗压强度

与100%天然骨料混凝土相比,100%非碳化再生粗骨料混凝土的抗压强度明显降低,下降了19.2%。但当粗骨料替代率为25%时,混凝土的抗压强度没有明显变化。

当使用碳化再生粗骨料时,混凝土的抗压强度得到了增强。与100%非碳化再生粗骨料的混凝土相比,在10 Bar压强下,100%碳化的新混凝土抗压强度明显提高,提高了14.8%。此外,与100%天然骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的抗压强度并没有明显降低。这意味着,当再生粗骨料经过碳化处理后,不仅有助于提高再生骨料混凝土的抗压强度,而且还允许在混凝土中重复使用更高比例的再生粗骨料。

图6显示了不同类型再生粗骨料替代率为100%时混凝土的抗压强度。碳化过程压强从1 Bar增加到10 Bar时,混凝土的抗压强度略有提高,仅提高1.6%。可以看出,1 Bar的压强下将骨料碳化24小时后,骨料中适合碳化的成分基本耗尽。因此,在使用较长时间的碳化处理程序时,所使用的碳化压力对混凝土影响较小。

图6 粗骨料替代率100%时不同类型混凝土的抗压强度

3.4 混凝土的静弹性模量

不同类型混凝土在28天龄期的静弹性模量结果见图7。从图中可以看出,随着混凝土中再生粗骨料的增加,混凝土的弹性模量逐渐降低。与非碳化再生粗骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的弹性模量变大。

图7 不同类型混凝土28天龄期的静弹性模量

图8显示了不同类型再生粗骨料替代率为100%时混凝土的静弹性模量。与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弹性模量提高了11.9%。和混凝土的抗压强度相似,碳化过程压强从1 Bar增加到10 Bar时,混凝土的弹性模量略有增加,约为1.5%。

图8 粗骨料替代率100%时不同类型混凝土的静弹性模量

3.5 混凝土的抗折强度

不同类型混凝土在28天龄期的抗折强度结果见图9。从图中可以看出,混凝土的抗折强度结果与静弹性模量和抗压强度的结果相比,有相似的变化趋势。随着混凝土中再生粗骨料的增加,混凝土的抗折强度逐渐降低。与非碳化再生粗骨料混凝土相比,掺入碳化再生粗骨料明显提高了混凝土的抗折强度。在碳化过程中,随着压强从1 Bar增加到10 Bar,混凝土的抗折强度略有增加。在10 Bar压强下,与天然骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的抗折强度并没有明显降低。

图9 不同类型混凝土28天龄期的抗折强度

图10显示了不同类型再生粗骨料替代率为100%时混凝土的抗折强度量。与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强度提高了29.8%。此外,替代率为50%以下的碳化再生粗骨料用于混凝土,获得的抗折强度与对照混凝土相当。碳化压力对混凝土抗折强度的影响较小。

图10 粗骨料替代率100%时不同类型混凝土的抗折强度

4 结论

本文采用加速碳化技术在压强分别为1 Bar和10 Bar下制备碳化再生粗骨料。测试了再生粗骨料混凝土的抗压强度、静弹性模量和抗折强度。

（1）碳化后再生粗骨料的性能得到了改善。与非碳化再生粗骨料相比,碳化再生粗骨料的表观密度增加了0.8%,吸水率降低了16.7%。在碳化压强从1 Bar增加到10 Bar时,碳化再生粗骨料的表观密度增加0.53%,吸水率降低5.1%。

（2）与非碳化再生粗骨料相比,碳化再生粗骨料的抗压强度和抗折强度有显著的提高,分别增加了14.8%和29.8%。压强从1 Bar增加到10 Bar时,混凝土的抗压强度和抗折强度均略有增加,但变化不明显。

（3）随着混凝土中再生粗骨料的增加,混凝土的弹性模量逐渐降低。与非碳化再生粗骨料混凝土相比,碳化再生粗骨料混凝土的弹性模量提高了11.9%。压强从1 Bar增加到10 Bar时,混凝土的弹性模量略有增加,约为1.5%。

（4）在压强为10 Bar下制备的碳化再生粗骨料,替代率为50%及以下时,混凝土的抗压强度、静弹性模量和抗折强度均与对照混凝土相当。