荷載作用下綠色再生混凝土碳化行為及其微觀機(jī)理研究

黃小紅，高燕蓉

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012;2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213002;3.江蘇城工建設(shè)科技有限公司，江蘇常州213011)

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荷載作用下綠色再生混凝土碳化行為及其微觀機(jī)理研究

黃小紅1,2，高燕蓉3

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012;2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213002;3.江蘇城工建設(shè)科技有限公司，江蘇常州213011)

摘要：文章以強(qiáng)度等級(jí)C30綠色再生混凝土為目標(biāo)，以高強(qiáng)的道路廢棄混凝土為骨料來源，通過對(duì)試件施加彎曲荷載和采用快速碳化方法，確保循環(huán)骨料的代表性，將二次循環(huán)后的Ⅱ級(jí)再生骨料替代天然砂石制備高品質(zhì)綠色再生混凝土。研究了彎曲荷載作用下綠色再生混凝土碳化行為，并采用電鏡掃描SEM分析，通過比較內(nèi)部微觀形貌，探討了綠色再生混凝土碳化后的微觀機(jī)理。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；荷載；碳化；微觀機(jī)理

0引言

再生混凝土技術(shù)已被認(rèn)為是發(fā)展生態(tài)綠色混凝土，實(shí)現(xiàn)建筑資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。相比普通的再生混凝土，高性能再生混凝土具有強(qiáng)度高、體積穩(wěn)定性好、耐久性好、自密實(shí)性好等優(yōu)良性能[1-2]，將再生骨料摻入高性能混凝土制備出高性能再生混凝土，不僅能克服再生混凝土的缺陷，更能提高再生混凝土的應(yīng)用層次與比例。高性能再生混凝土是綠色混凝土發(fā)展的必然趨勢(shì)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)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[3-6]，但大多僅從碳化的單一影響因素[7-12]入手，而基于荷載、環(huán)境因素(如氯離子侵蝕、凍融、硫酸鹽侵蝕等)分析再生混凝土碳化性能的研究成果十分缺乏。為彌補(bǔ)不足，本文主要研究彎曲荷載作用下綠色再生混凝土碳化行為規(guī)律與失效機(jī)理，研究結(jié)果不僅可以直接指導(dǎo)再生混凝土的設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用，而且可以為新建再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)與維護(hù)提供理論依據(jù)，同時(shí)還能揭露在役再生混凝土結(jié)構(gòu)潛在的危險(xiǎn)，為業(yè)主提供準(zhǔn)確的信息，以便及時(shí)做出維修加固或拆除的決定，對(duì)于完善和發(fā)展再生混凝土結(jié)構(gòu)理論體系和工程應(yīng)用具有重要的作用。

1綠色再生混凝土制備

1.1循環(huán)再生骨料

為保證綠色再生骨料的來源具有代表性，使其盡量與實(shí)際使用情況相似，本試驗(yàn)以高強(qiáng)度的道路廢棄混凝土作為循環(huán)再生混凝土的基底骨料來源，將廢棄混凝土破碎后的粗骨料100%取代天然粗骨料后，制備一次循環(huán)混凝土試件，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行應(yīng)力為70%的破壞荷載加載和60 d快速碳化。將一次循環(huán)混凝土試件采用相同的程序制備二次循環(huán)混凝土。由二次循環(huán)混凝土制備的循環(huán)骨料具體性能見表1。

表1　循環(huán)粗、細(xì)骨料性能

注：骨料種類FC表示一次再生粗骨料；FF表示一次再生細(xì)骨料；SC表示二次再生粗骨料；SF表示二次再生細(xì)骨料。

兩次循環(huán)過程中再生粗、細(xì)骨料性能比對(duì)《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)和《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》(GB/T 25176—2010)，本試驗(yàn)的再生粗骨料可達(dá)II級(jí)及以上品質(zhì)。

1.2配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

為保證再生混凝土的質(zhì)量，本次C30再生混凝土試件均根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)和《再生混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ 08—2018—2007)進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，摻入粉煤灰40%，礦渣15%，硅粉8%，聚丙烯0.1%，引氣劑0.1%，減水劑0.5%(膠凝材料質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。二次再生粗細(xì)骨料摻量分別為：30%～70%，級(jí)差20%；10%～30%，級(jí)差10%。具體配合比見表2。

表2　優(yōu)化配合比　kg/m3

注：C5F1表示二次循環(huán)再生粗骨料摻量為50%，二次循環(huán)再生細(xì)骨料摻量10%，其余類推；AN表示基準(zhǔn)混凝土。

2工作性與抗壓強(qiáng)度

本試驗(yàn)制備綠色循環(huán)再生混凝土過程中，通過控制減水劑用量以確保坍落度值符合100～150 mm的設(shè)計(jì)目標(biāo)，且拌和后的綠色循環(huán)再生混凝土具有良好的工作性，其流動(dòng)性、保水性和黏聚性均較好，無泌水離析現(xiàn)象，強(qiáng)度均較高。具體坍落度和抗壓強(qiáng)度見表3。

表3　綠色再生混凝土的抗壓強(qiáng)度值與坍落度

本試驗(yàn)制備的高性能循環(huán)再生混凝土坍落度較好，且28 d抗壓強(qiáng)度也較高，60、120 d長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的增長(zhǎng)趨勢(shì)。采用平行數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)C3F2試件的工作性及抗壓強(qiáng)度為最佳，即當(dāng)二次再生粗細(xì)骨料的取代率分別為30%和20%時(shí)，綠色再生混凝土品質(zhì)處于最佳狀態(tài)。

3荷載作用下綠色再生混凝土碳化行為

3.1試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)過程中以C3F2作為荷載作用下綠色再生混凝土碳化行為的研究對(duì)象，彎曲應(yīng)力水平分為中應(yīng)力水平(40%和70%的破壞荷載)和高應(yīng)力水平(100%和120%破壞荷載)。將加載好的綠色再生混凝土試塊放置于快速碳化箱，快速碳化箱中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(20±3)%，濕度為(70±5)%，溫度為(20±2) ℃。而后，測(cè)試7、14、21、28 d后的碳化深度，碳化深度檢測(cè)以彩虹指示劑為檢測(cè)手段。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與討論

本組試件無取代率的變化，因此無需單獨(dú)分析取代率對(duì)綠色再生粗細(xì)骨料混凝土的碳化影響，僅考慮不同彎曲應(yīng)力水平下綠色再生粗細(xì)骨料混凝土碳化深度與碳化速率的變化規(guī)律，以及不同彎曲應(yīng)力水平下綠色再生粗細(xì)骨料混凝土碳化深度的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律，考慮應(yīng)力作用對(duì)Fick第一定律中碳化系數(shù)的影響。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，碳化深度隨碳化時(shí)間增長(zhǎng)基本呈線性增長(zhǎng)，符合Fick第一定律。同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)應(yīng)力水平的變化對(duì)碳化深度增長(zhǎng)的影響較大，且隨著應(yīng)力水平的增長(zhǎng)(除40%破壞荷載水平)，碳化深度不斷加深，相對(duì)于無應(yīng)力水平試件的碳化，應(yīng)力水平為40%、70%、100%和120%破壞荷載水平的平均碳化深度增長(zhǎng)率分別為-3.7%、9.8%、10.1%和3.1%。同樣，表4表明當(dāng)應(yīng)力水平高于中等應(yīng)力水平，碳化速率隨應(yīng)力水平增大而加快，相對(duì)于無應(yīng)力的碳化速率，應(yīng)力水平為40%、70%、100%和120%破壞荷載水平時(shí)的碳化速率分別增大了-3.8%、6.0%、18.9%和22.3%。

圖1　不同應(yīng)力水平下碳化深度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律

總而言之，40%破壞荷載應(yīng)力水平下的碳化深度和碳化速率均小于無應(yīng)力水平下的碳化深度和碳化速率，這可能是由于當(dāng)試件受到適當(dāng)?shù)暮奢d作用，雙摻循環(huán)再生粗細(xì)骨料混凝土中的微小孔洞有部分閉合，因而減少了CO2進(jìn)入混凝土試件的通道，降低了碳化的速率并減小了碳化深度。

表4　不同應(yīng)力下碳化深度和碳化速度系數(shù)

3.3彎曲荷載作用下碳化失效分析

混凝土本身是一種多孔的介質(zhì)，而二次循環(huán)再生骨料制備的混凝土內(nèi)部孔隙更多。單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土的碳化是多種物理化學(xué)反應(yīng)的疊加，其過程主要由CO2在混凝土中的氣相擴(kuò)散決定，從混凝土的表面逐漸向深處發(fā)展。雙摻循環(huán)再生粗細(xì)骨料混凝土構(gòu)件在不同應(yīng)力下碳化的速率有很大差異，封金財(cái)?shù)萚13]對(duì)拉應(yīng)力作用下不同單摻再生混凝土的碳化效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土試件施加一定的荷載會(huì)促進(jìn)內(nèi)部微細(xì)裂縫的發(fā)展，使CO2更易擴(kuò)散。但是，當(dāng)荷載達(dá)到中應(yīng)力水平時(shí)，單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土中的微細(xì)裂縫開始閉合或裂縫寬度開始減小，從而抑制單摻循環(huán)再生細(xì)骨料混凝土中碳化的發(fā)展。當(dāng)然，若荷載超過一定限制時(shí)，會(huì)導(dǎo)致再生混凝土內(nèi)部有新的裂紋發(fā)展，甚至促進(jìn)舊的裂紋再次擴(kuò)展，從而加速碳化的進(jìn)程，其內(nèi)部是否按所描述般發(fā)展，需要用微觀結(jié)構(gòu)加以證實(shí)。本文對(duì)施加不同彎曲應(yīng)力并經(jīng)碳化測(cè)試后的C3F2試件進(jìn)行SEM電鏡掃描，圖2為中高彎曲應(yīng)力水平下的微觀結(jié)構(gòu)圖。

(a)40%破壞荷載水平

(b)70%破壞荷載水平

(c)100%破壞荷載水平

(d)120%破壞荷載水平

圖2(a)為40%破壞荷載水平下的微觀圖，此時(shí)混凝土內(nèi)部孔隙較多，且將圖放大后可看到其中有少量細(xì)小的微裂縫存在。圖2(b)為加載70%破壞荷載應(yīng)力水平的微觀圖，相較于圖2(a)，其孔隙明顯減少，且微裂縫也不明顯，減少了氣相CO2進(jìn)入混凝土內(nèi)部的途徑。圖2(c)可以明顯看到一條微裂縫，且在其周圍分布了較多碳化后產(chǎn)生的CaCO3和SiO2晶體(在圖2(c)的左半側(cè))。圖2(d)的左上角和右下角存在更多的微裂縫，這些微裂縫較為集中，稍稍呈現(xiàn)樹枝狀開裂。圖2(c)和(d)中的試件由于加載的應(yīng)力較大，其內(nèi)部微裂縫較另外2個(gè)應(yīng)力水平下的試件更多且較密，這便使CO2進(jìn)入混凝土內(nèi)部易如反掌，從而加速碳化向其內(nèi)部發(fā)展。

總而言之，荷載對(duì)綠色再生混凝土碳化的影響主要取決于在不同應(yīng)力水平下其內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，若施加中等應(yīng)力水平荷載，微裂縫會(huì)趨于閉合或?qū)挾葴p小；若施加較大應(yīng)力水平荷載，則會(huì)加速微裂縫的擴(kuò)展，且會(huì)形同樹枝狀，由某一點(diǎn)開始向脆弱的接合面(如新老砂漿接合面)發(fā)展。

4結(jié)論

本文主要針對(duì)彎曲荷載作用下綠色再生混凝土碳化發(fā)展規(guī)律及其微觀結(jié)構(gòu)分析，由此得到以下結(jié)論：

1)道路及橋梁等單一高強(qiáng)廢棄混凝土二次循環(huán)利用后，其綠色再生品質(zhì)仍能達(dá)到II級(jí)。將該類再生骨料以雙摻的形式替代天然骨料后，綠色再生混凝土的工作性及抗壓強(qiáng)度較好，略微遜色于基準(zhǔn)混凝土。

2)荷載對(duì)綠色再生混凝土碳化的影響主要取決于在不同應(yīng)力水平下其內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，適當(dāng)?shù)膽?yīng)力可使其內(nèi)部部分微小縫隙孔洞處于閉合狀態(tài)，從而減小CO2的侵蝕機(jī)率；反之，施加高應(yīng)力水平的荷載會(huì)加速微裂縫的擴(kuò)展，裂縫形同樹枝狀，由某一點(diǎn)開始向脆弱的接合面(如新老砂漿接合面)發(fā)展。

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責(zé)任編輯：唐海燕

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.03.001

收稿日期：2016- 01-14

作者簡(jiǎn)介：黃小紅(1974—)，女，高級(jí)工程師。

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)03- 0001- 05

Carbonization Behavior of Green Recycled Concrete and Its Micro Mechanism Under the Action of Load

HUANG Xiaohong1,2,GAO Yanrong3

(1.Engineering College of Jilin University,Changchun 130012;2.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002;3.Jiangsu Chenggong Construction Technology Co.,Ltd.,Changzhou 213011)

Abstract：Green recycled concrete in C30 strength grade was taken as the research target,and wasted high strength road concrete was used as aggregate source.To insure the representativeness of the recycled aggregate,bending load and rapid carbonization were applied to recycled concrete specimens.The recycled aggregates at level 2 were used to replace natural sand and gravel to cast high quality green recycled concrete.The carbonization behavior of green recycled concrete specimens under the action of bending load was studied,and its micro mechanism of green recycled concrete was also discussed through the scanning electron microscopy (SEM) analysis and a comparative study of internal microstructures.

Key words：recycled concrete;load;carbonization;micro mechanism