物理化學(xué)強(qiáng)化對再生混凝土抗碳化性能的影響

李秋義，韓　帥，2，孔　哲，張修勤，莫　建

( 1．青島理工大學(xué)，山東青島　266033; 2．濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南　250101)

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物理化學(xué)強(qiáng)化對再生混凝土抗碳化性能的影響

李秋義1，韓帥1，2，孔哲1，張修勤1，莫建1

( 1．青島理工大學(xué)，山東青島266033; 2．濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250101)

摘要:將廢棄混凝土經(jīng)簡單破碎、一次顆粒整形和二次顆粒整形后分別制得Ⅱ類再生粗骨料、準(zhǔn)Ⅰ類再生粗骨料和Ⅰ類再生粗骨料，并將三種再生粗骨料在濃度6%的有機(jī)硅烷防水劑中化學(xué)浸漬24 h，得到三種品質(zhì)的物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料。研究三種品質(zhì)的物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料分別以取代率0，50%，100%取代天然骨料后對再生混凝土抗碳化性能的影響。結(jié)果顯示:化學(xué)強(qiáng)化二次顆粒整形再生粗骨料混凝土的抗碳化性能最好，化學(xué)強(qiáng)化一次顆粒整形再生粗骨料混凝土的抗碳化性能次之，化學(xué)強(qiáng)化簡單破碎再生粗骨料混凝土的抗碳化性能最差，但三者均優(yōu)于普通混凝土;三種再生混凝土的碳化深度均隨著再生粗骨料取代率的增大而減小。

關(guān)鍵詞:有機(jī)硅烷防水劑物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料混凝土碳化深度

碳化是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的重要因素之一。由于再生骨料品質(zhì)較差，再生混凝土的抗碳化性能往往較差，并且由于再生粗骨料來源廣泛，其材料成分存在差異，致使再生混凝土的碳化機(jī)理較為復(fù)雜。國內(nèi)學(xué)者對再生混凝土的碳化進(jìn)行了大量研究，取得了較為豐碩的成果［1-5］。

本文將廢棄混凝土經(jīng)簡單破碎、一次顆粒整形和二次顆粒整形后分別制備出三類再生粗骨料，并將其在濃度6%的有機(jī)硅烷防水劑中化學(xué)浸漬24 h，測試三類品質(zhì)物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料以不同取代率取代天然骨料后對再生混凝土抗碳化性能的影響。

1　試驗(yàn)

1. 1試驗(yàn)原材料

水泥為山水水泥廠P．O42. 5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能指標(biāo)和X射線熒光光譜分析結(jié)果見表1和表2;天然河砂，Ⅱ級砂，級配良好，符合《建筑用砂》( GB /T 14684—2011)要求;天然粗骨料( NA)為嶗山產(chǎn)5～25 mm連續(xù)級配的花崗巖碎石，符合《建筑用軟石碎石標(biāo)準(zhǔn)》( GB /T 14685—2011)要求;再生粗骨料為簡單破碎再生粗骨料( SBA)，一次顆粒整形再生粗骨料( FA)，二次顆粒整形再生粗骨料( SA)，化學(xué)強(qiáng)化簡單破碎再生粗骨料( SBA-SI)，化學(xué)強(qiáng)化一次顆粒整形再生粗骨料( FA-SI)，化學(xué)強(qiáng)化二次顆粒整形再生粗骨料( SA-SI)。顆粒級配及性能指標(biāo)見表3和表4;減水劑為江蘇博特高效聚羧酸減水劑，減水率為30% ;水為自來水，符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》( JGJ 63—2006)要求。

表1水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2水泥X射線熒光光譜分析結(jié)果　%

1. 2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)根據(jù)《混凝土用再生粗骨料》( GB /T 25177—2010)和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》( JGJ 55—2011)，確定混凝土原材料及配合比。參照《混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB /T 50082—2009)，測試試件的碳化深度。

本試驗(yàn)砂率取40%，減水劑為膠凝材料用量的1. 2%，通過調(diào)整控制坍落度160～200 mm確定用水量。通過測試非穩(wěn)態(tài)碳化深度，研究不同品質(zhì)物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料在不同取代率下對再生粗骨料混凝土抗碳化性能的影響。試驗(yàn)配合比(以1 m3計(jì))見表5。

表3再生粗骨料顆粒級配

表4再生粗骨料性能指標(biāo)

表5再生混凝土試驗(yàn)配合比

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2. 1不同品質(zhì)物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料對再生混凝土抗碳化性能的影響

由圖1～圖2可知，再生粗骨料混凝土的抗碳化性能為: SA-SI再生粗骨料混凝土＞FA-SI再生粗骨料混凝土＞SBA-SI再生粗骨料混凝土，且均優(yōu)于普通混凝土。

以圖2為例，與SBA-SI再生粗骨料混凝土相比，當(dāng)取代率為50%時(shí)，F(xiàn)A-SI再生粗骨料混凝土28 d碳化深度減小了6. 8%，SA-SI再生粗骨料混凝土28 d碳化深度減小了9. 9% ;當(dāng)取代率為100%時(shí)，F(xiàn)A-SI再生粗骨料混凝土28 d碳化深度減小了8. 7%，SA-SI再生粗骨料混凝土28 d碳化深度減小了12. 4%。

混凝土的碳化是由于大氣中的二氧化碳溶于混凝土孔隙內(nèi)的水，并與氫氧化鈣和硅酸鈣發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致混凝土堿性降低的物理過程。研究表明:混凝土的碳化速度主要取決于二氧化碳的擴(kuò)散速度和二氧化碳與混凝土成分的反應(yīng)速度。當(dāng)外部因素趨于穩(wěn)定，二氧化碳的擴(kuò)散速度主要取決于混凝土本身的組織密實(shí)性［6-8］。

圖1水泥用量為350 kg/m3時(shí)不同品質(zhì)再生混凝土碳化深度隨齡期的變化曲線

圖2水泥用量為500 kg/m3時(shí)不同品質(zhì)再生混凝土碳化深度隨齡期的變化曲線

再生粗骨料經(jīng)過有機(jī)硅烷防水劑24 h化學(xué)浸漬，有機(jī)硅烷防水劑的反應(yīng)活性基與再生粗骨料的羥基反應(yīng)，形成末端帶有硅烷基的硅烷鏈。這種硅烷鏈不但排斥水分子中的氫原子，使得再生粗骨料有著良好的憎水性，并且填補(bǔ)了混凝土內(nèi)部孔隙，提高了混凝土的組織密實(shí)性。有機(jī)硅烷防水劑的反應(yīng)活性基還可以相互作用形成網(wǎng)狀交聯(lián)的硅氧烷膜，網(wǎng)狀硅氧烷膜很低的表面張力使得硅氧烷膜能均勻地分布在多孔的再生骨料的微孔孔壁上，其疏水性使水只能以球狀液滴的形式存在，無法進(jìn)入到基材內(nèi)部。再生粗骨料經(jīng)過有機(jī)硅烷防水劑24 h浸漬，顯著提升再生混凝土抗?jié)B性和組織密實(shí)性，這不但阻止了水的侵入，延緩了碳化的反應(yīng)速率，而且減緩了二氧化碳的擴(kuò)散速度［9-12］。因此，與物理強(qiáng)化再生混凝土相比，物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料混凝土的抗碳化性能有顯著的提高。

由圖1和圖2還可知，與普通混凝土相比，物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料混凝土28 d碳化深度降低了57. 1%～74. 6%。

再生粗骨料經(jīng)過簡單破碎、一次顆粒整形和二次顆粒整形后，其品質(zhì)分別可達(dá)到Ⅱ類骨料、準(zhǔn)Ⅰ類骨料和Ⅰ類骨料的要求。簡單破碎再生粗骨料自身的品質(zhì)較差，雖然經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化顯著提高了簡單破碎再生粗骨料的部分性能，但是與化學(xué)強(qiáng)化顆粒整形再生粗骨料混凝土相比，其抗碳化性能較低。

2. 2再生粗骨料取代率對再生混凝土抗碳化性能的

影響

由圖3可見:隨著再生粗骨料取代率的增大，SBA-SI，F(xiàn)A-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土的碳化深度均呈減小趨勢。以圖3( c)為例，與普通混凝土相比，當(dāng)取代率為50%時(shí)，SA-SI再生粗骨料混凝土的碳化深度減小了60. 7%～66. 9% ;當(dāng)取代率為100%時(shí)，SA-SI再生粗骨料混凝土的碳化深度減小了61. 5%～69. 9%。

再生粗骨料經(jīng)過有機(jī)硅烷防水劑24 h浸漬，形成末端帶有硅烷基的硅烷鏈。這一方面填補(bǔ)了混凝土內(nèi)部孔隙，減小了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的組織密實(shí)性，減慢了二氧化碳的擴(kuò)散速度;另一方面，由于疏水性的網(wǎng)狀硅氧烷膜附著于再生骨料表面，阻止了水的侵入，缺少了碳化反應(yīng)所需的液相環(huán)境，減緩了碳化的反應(yīng)速度［13-15］。隨著取代率的增大，再生粗骨料混凝土的內(nèi)部更加密實(shí)，其阻水侵入的能力更強(qiáng)，使得碳化的反應(yīng)速度和二氧化碳的擴(kuò)散速度隨之降低，致使SBA-SI，F(xiàn)A-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土的碳化深度均呈減小趨勢。

圖3水泥用量為350 kg/m3時(shí)物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料取代率對再生混凝土抗碳化性能的影響

由表4可知，與物理強(qiáng)化再生粗骨料相比，經(jīng)過有機(jī)硅烷防水劑浸漬后，再生粗骨料吸水率、含泥量、泥塊含量顯著降低。其中，吸水率為0. 8%～1. 5%，接近天然骨料吸水率( 0. 5%～2. 0% )。物理化學(xué)強(qiáng)化再生粗骨料含泥量≤0. 6%，接近GB /T 14685—2011 中I類骨料含泥量＜0. 5%的要求。再生粗骨料吸水率、含泥量、泥塊含量的降低，將導(dǎo)致在控制相同坍落度條件下隨著取代率的增大，SBA-SI、FA-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土所需的用水量減少，相應(yīng)地引起水膠比減小。

由圖4可知，隨著再生粗骨料取代率的增大，SBA-SI，F(xiàn)A-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土的水膠比均呈減小趨勢，且隨著單位體積水泥用量的增大，SBASI，F(xiàn)A-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土的水膠比逐漸減小。以圖4( b)為例，當(dāng)取代率為50%時(shí)，水膠比分別減小了17. 3%～26. 3% ;當(dāng)取代率為100%時(shí)，水膠比分別減小了13. 6%～26. 3%。因此，隨著再生粗骨料取代率的增大，水膠比逐漸減小，再生混凝土孔隙率減小，SBA-SI、FA-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土的碳化深度呈減小趨勢。

圖4再生粗骨料取代率對再生混凝土水膠比的影響

3　結(jié)論

1)經(jīng)有機(jī)硅烷防水劑浸漬，再生粗骨料的品質(zhì)得到提升，提高了再生粗骨料混凝土的密實(shí)性，從而增強(qiáng)了再生粗骨料混凝土的抗碳化性能。

2) SA-SI再生粗骨料混凝土的抗碳化性能最好，F(xiàn)A-SI再生粗骨料混凝土的抗碳化性能次之，SBA-SI再生粗骨料混凝土的抗碳化性能最差，且三類再生混凝土的抗碳化性能均優(yōu)于普通混凝土。

3) SBA-SI，F(xiàn)A-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土的碳化深度隨著再生粗骨料取代率的增大而減小。

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(責(zé)任審編葛全紅)

Influence of physical and chemical enhancement on anti-carbonation of recycled concrete

LI Qiuyi1，HAN Shuai1，2，KONG Zhe1，ZHANG Xiuqin1，MO Jian1

( 1．Qingdao University of Technology，Qingdao Shandong 266033，China; 2．Ji'nan Rail Transit Group Co．，Ltd．，Jinan Shandong 250101，China)

Abstract:T he waste concrete is simply crushed toⅡclass recycled coarse aggregate，firstly reshaped to I class-to-be recycled coarse aggregate in physical strengthening and twice reshaped to I class recycled coarse aggregate in physical strengthening．T hree kinds of recycled coarse aggregate are soaked in organic silicon waterproof agent of concentration 6% for 24 h chemical treatment，making three kinds of recycled coarse aggregate of physical and chemical enhancement．T he influence on carbonation was studied by the replacement of natural aggregated，and the substitution rate of recycled coarse aggregate of physical and chemical enhancement was 0，50% and 100%，respectively．T he results show that the chemical enhancement and twice reshaped recycled coarse aggregate concrete has the best carbonation of recycled coarse aggregate concrete，then the chemical enhancement and firstly reshaped recycled coarse aggregate concrete，and the worst is the chemical enhancement and simply crushed recycled coarse aggregate concrete．T he carbonation performance of the above three types of concrete is better than that of ordinary concrete．W ith the increase of the substitution rate，carbonation depth of three types of recycled coarse aggregate of physical and chemical enhancement reduces．

Key words:Organic silicon waterproof agent; Physical and chemical enhancement; Recycled coarse aggregate concrete; Carbonation depth

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0157-05

作者簡介:李秋義( 1964—)，男，教授，博士。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 51378270，51208272)

收稿日期:2015-09-10;修回日期: 2015-11-20

中圖分類號(hào):TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．37