摻粉煤灰再生混凝土宏觀及微觀碳化性能研究

秦 睿， 王瑞駿， 賴 韓， 李 巖， 秦襄偲

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，混凝土用料急劇增長(zhǎng)，砂、石料等被大量地開(kāi)采消耗。而我國(guó)對(duì)于建筑垃圾一般都采用露天堆放或掩埋處理，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[1-2]。除此之外，在地震等自然災(zāi)害過(guò)后，災(zāi)后重建工作繁重，一方面需要將廢棄的混凝土等建筑垃圾處理掩埋，另一方面又需要消耗大量的砂石骨料。由此可見(jiàn)，對(duì)于廢棄混凝土進(jìn)行合理有效地循環(huán)利用具有顯著的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益[3]。一種新型的綠色混凝土——再生混凝土應(yīng)運(yùn)而生。粉煤灰是一種工業(yè)廢料，摻入混凝土中會(huì)改善其性能并能節(jié)約水泥，對(duì)于節(jié)約成本以及減少水泥生產(chǎn)過(guò)程中的污染有十分重要的意義。因此，對(duì)于再生混凝土以及粉煤灰在再生混凝土中摻用的進(jìn)一步研究十分有必要。

目前對(duì)于再生混凝土的研究大都集中在其力學(xué)性能上，但對(duì)其耐久性，如抗?jié)B性、抗碳化性、抗侵蝕性等的研究還較少且不夠深入。而混凝土的抗碳化性嚴(yán)重地影響了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，因此更應(yīng)加大研究力度。混凝土的碳化會(huì)使混凝土中的鋼筋變得容易被銹蝕，影響了鋼筋混凝土的耐久性[4]。近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)再生混凝土的碳化進(jìn)行了一定的研究。如李俊蘭[5]通過(guò)試驗(yàn)得出在傳統(tǒng)攪拌工藝下,再生細(xì)骨料混凝土基本性能隨再生細(xì)骨料取代率增加而降低；丁天庭等[6]認(rèn)為再生混凝土對(duì)于抗碳化性能有正負(fù)兩個(gè)效應(yīng)，但綜合來(lái)講其抗碳化性能要劣于普通混凝土；Silva等[7]通過(guò)試驗(yàn)得出再生粗骨料取代率為100%時(shí)碳化深度會(huì)增加2倍左右；Thiery等[8]認(rèn)為再生混凝土碳化的速度取決于CO2的濃度與水灰比；肖文廣等[9]認(rèn)為再生混凝土的碳化深度隨水灰比、再生骨料摻量的增加而減小，適量添加礦物摻合料能降低再生混凝土的碳化深度；耿歐等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了溫度、水灰比、粗骨料取代率和水泥用量4個(gè)因素對(duì)再生混凝土碳化深度的影響規(guī)律；朱世佳[11]認(rèn)為隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土的碳化強(qiáng)度有所降低；唐清照[12]通過(guò)試驗(yàn)得出了再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨著橡膠顆粒摻量的增加而降低，橡膠顆粒對(duì)再生混凝土碳化深度的影響規(guī)律不明顯；霍洪磊[13]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳化對(duì)混凝土表層硬度影響較大，加速碳化后混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)；Zhang等[14]發(fā)現(xiàn)碳化處理能有效增加再生混凝土的表觀密度以及降低其吸水率和破碎值；李秋義等[15]發(fā)現(xiàn)碳化反應(yīng)能夠提高再生混凝土中水泥漿體和界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)度，使界面的顯微硬度增大。

但是，目前對(duì)于再生粗骨料與粉煤灰應(yīng)用于混凝土后混凝土碳化的研究還不夠深入，尤其是在其微觀方面的研究還較少。為此，本文通過(guò)改變粉煤灰和再生骨料摻量進(jìn)行碳化試驗(yàn)研究，并對(duì)碳化前后的混凝土試件進(jìn)行電鏡掃描分析，期望能夠?yàn)樵偕炷僚c摻粉煤灰再生混凝土的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

秦嶺牌P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，產(chǎn)自陜西秦嶺水泥總廠，再生粗骨料為廢棄混凝土試件經(jīng)破碎加工制成，天然粗骨料使用汾河卵石，粒徑5～16 mm，細(xì)骨料為灞河中砂，細(xì)度模數(shù)2.5(天然粗骨料與再生粗骨料見(jiàn)圖1，骨料基本性能見(jiàn)表1)。粉煤灰產(chǎn)自銅川水泥廠，為F級(jí)粉煤灰，減水劑為西安市紅旗廠聚羧酸高效減水劑，引氣劑為三萜皂甙高效引氣劑，拌和及養(yǎng)護(hù)用水均為陜西西安地區(qū)飲用自來(lái)水。

表1 骨料基本性能

圖1 粗骨料外觀圖

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了2因素3水平共9組試驗(yàn)(見(jiàn)表2)，水膠比固定為0.4，膠凝材料用量為400 kg/m3，引氣劑與減水劑用量固定為0.03%和1%，具體配合比見(jiàn)表3。

表2 因素水平表 %

2.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行碳化試驗(yàn)以及GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)均采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，混凝土試件均采用機(jī)械攪拌，標(biāo)準(zhǔn)鋼模成型，振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)，24 h后拆模，在溫度為20℃±2℃、相對(duì)濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后再進(jìn)行碳化，分別測(cè)得其碳化0、7、14、28、56 d后的碳化深度及碳化后的抗壓強(qiáng)度。

本試驗(yàn)共有9組試件，每組27個(gè)試件，15個(gè)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，12個(gè)進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，共計(jì)243個(gè)試件。當(dāng)試件到達(dá)預(yù)定齡期的前2 d時(shí)，從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中取出并放入烘干箱中在60℃下烘48 h，隨后將試件放入二氧化碳濃度(20±3)%、相對(duì)濕度(70±5)%、溫度在(20±2)℃的混凝土碳化試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)。在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后，為確定每組的基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，每組分別取出3個(gè)試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。其它試件放入碳化試驗(yàn)箱中，在碳化到了7、14、28、56 d后，每組分別取出6個(gè)試件做抗壓試驗(yàn)(3個(gè))與劈裂試驗(yàn)(3個(gè))。劈裂的試件使用直尺測(cè)量其碳化深度，見(jiàn)圖2。

表3 試驗(yàn)配合比表

注：“F0”代表粉煤灰摻量為0；“F20”代表粉煤灰摻量為20%；“F40”代表粉煤灰摻量為40%；“R0”代表再生粗骨料摻量為0；“R50”代表再生粗骨料摻量為50%；“R100”代表再生粗骨料摻量為100%。

圖2 混凝土碳化深度的測(cè)量

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

9種不同配合比的混凝土在碳化0、7、14、28、56 d后的碳化深度如表4中所示。

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著再生粗骨料摻量以及粉煤灰摻量的增加，再生混凝土的碳化深度均有不同程度的增大，其變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。由表4和圖3可以看出，雖然碳化深度逐漸增大，但是碳化的速度明顯的降低，比如R50F20組，7、14、28、56 d的平均碳化速度分別為0.66、0.53、0.45、0.38 mm/d。這與普通混凝土碳化的試驗(yàn)結(jié)果以及理論研究結(jié)果類(lèi)似。這種情況的發(fā)生一方面是由于CO2濃度梯度隨著碳化深度的增加而降低，另一方面是由于碳化過(guò)程中生成的CaCO3填充了一部分混凝土的孔隙，使得混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，進(jìn)而降低了混凝土的氣滲性，對(duì)CO2的進(jìn)一步擴(kuò)散起到了一定阻礙作用，使得碳化速率降低。

3.1 再生骨料摻量與碳化深度之間的關(guān)系

現(xiàn)以不摻粉煤灰的3組試驗(yàn)R0F0、R50F0、R100F0為例，3組不同再生粗骨料摻量的碳化深度變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可以看出該3組碳化7、14、28、56 d后的碳化深度分別為：

(1)R0F0:3.0、5.4、8.6、17.9 mm；(2)R50F0:4.2、7.0、10.47、20.1 mm；(3)R100F0:5.4、8.9、12.5、23.6 mm。對(duì)比R0F0組，R50F0與R100F0試件組在碳化時(shí)間7、14、28、56 d下的碳化深度分別增加了40.00%、29.63%、24.42%、12.29%和80.00%、64.81%、45.35%、31.84%。在每個(gè)碳化時(shí)間下R100F0的碳化深度均為最大，R50F0次之，R0F0最小。對(duì)再生骨料摻量為20%和40%的試驗(yàn)組進(jìn)行類(lèi)似的分析也可以得到相似的結(jié)論。由此可見(jiàn)，再生混凝土的碳化深度隨再生粗骨料摻量的增加而增加。分析原因，是由于再生粗骨料在破碎的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極多微小的裂隙，且再生骨料表面會(huì)附著一層較為疏松的砂漿，這些都對(duì)CO2的擴(kuò)散十分有利，導(dǎo)致了碳化深度隨著再生粗骨料摻量的增加而增加。

3.2 粉煤灰摻量與碳化深度之間的關(guān)系

現(xiàn)以再生粗骨料摻量為50%的3組試驗(yàn)R50F0、R50F20、R50F40為例，3組不同粉煤灰摻量的碳化深度變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可以看出該3組7、14、28、56 d的碳化深度分別為(1)R50F0:4.2、7.0、10.47、20.1 mm；(2)R50F20:4.6、7.4、12.5、21.5 mm；(3)R50F40:5.1、7.9、13.7、22.7 mm。對(duì)比R50F0組，R50F20與R50F40試件組在碳化時(shí)間7、14、28、56 d下的碳化深度分別增加了9.52%、5.71%、16.82%、6.97%和21.43%、12.86%、28.04%、12.94%。在每個(gè)碳化時(shí)間下R50F40的碳化深度均為最大，R50F20次之，R50F0最小。對(duì)再生骨料摻量為50%和100%的試驗(yàn)組進(jìn)行類(lèi)似的分析也可以得到相似的結(jié)論。由此可見(jiàn)，隨著粉煤灰摻量的增加再生混凝土的碳化深度也在增加，但其增加的程度較再生粗骨料摻量的增加程度要小。這是因?yàn)榉勖夯业膿饺胍环矫鏁?huì)與水泥水化生成的Ca(OH)2反應(yīng)，降低了混凝土中可碳化物質(zhì)的含量，使得碳化更加容易進(jìn)行；另一方面粉煤灰對(duì)混凝土有致密的作用，使得CO2的擴(kuò)散速度降低。而粉煤灰的加入對(duì)于碳化的促進(jìn)作用要大于抑制作用，故綜合表現(xiàn)為加深了混凝土的碳化深度。

表4 在不同再生骨料與粉煤灰摻量下經(jīng)不同碳化時(shí)間后的碳化深度和抗壓強(qiáng)度表

圖3 不同試驗(yàn)組在不同碳化時(shí)間下的碳化深度 圖4 再生粗骨料摻量對(duì)碳化深度的影響

3.3 抗壓強(qiáng)度與碳化深度之間的關(guān)系

9種不同配合比的混凝土在碳化0、7、14、28、56 d后的碳化深度以及經(jīng)過(guò)同樣碳化時(shí)間后混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度如表4中所示。根據(jù)表4中數(shù)據(jù)可以繪制抗壓強(qiáng)度與碳化深度之間的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，抗壓強(qiáng)度與碳化深度之間線性關(guān)系明顯，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可以分別得到7、14、28、56 d時(shí)抗壓強(qiáng)度和碳化深度之間的關(guān)系分別如式(1)～(4)所示：

x7 d=-0.14fc+9.39

(1)

x14 d=-0.26fc+16.95

(2)

x28 d=-0.35fc+24.66

(3)

x56 d=-0.50fc+40.36

(4)

式中:xi為i時(shí)的碳化深度(i=7、14、28、56 d)，mm；fc為抗壓強(qiáng)度，MPa。

可以看出，碳化深度與抗壓強(qiáng)度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨著碳化時(shí)間的增加，抗壓強(qiáng)度的影響在逐漸地增大?；炷恋目箟簭?qiáng)度與混凝土的密實(shí)度息息相關(guān)，混凝土的密實(shí)度越高，其抗壓強(qiáng)度也越高。因此，抗壓強(qiáng)度較高的混凝土一般都有較高的密實(shí)度，而越密實(shí)的混凝土對(duì)于二氧化碳在其中擴(kuò)散起到的抑制作用也就越大，相應(yīng)的碳化深度也就越小。而碳化的過(guò)程是連續(xù)的，這就導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度對(duì)碳化過(guò)程的影響必然是持久的，而碳化深度是碳化在時(shí)間上累積而成的結(jié)果，因此抗壓強(qiáng)度對(duì)碳化深度的影響隨著碳化時(shí)間的增加而增大。

圖5 粉煤灰摻量對(duì)碳化深度的影響 圖6 抗壓強(qiáng)度對(duì)碳化深度的影響

以各試驗(yàn)組混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)不同碳化時(shí)間后不同試驗(yàn)組再生混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)率如表5所示。

表5 在不同再生骨料與粉煤灰摻量下經(jīng)不同碳化時(shí)間后的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率表

以R0F0、R50F0、R100F0三組試驗(yàn)結(jié)果為例，其經(jīng)過(guò)7、14、28、56 d碳化后強(qiáng)度較各自標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了(1)R0F0：4.73%、14.05%、27.86%、34.69%；(2)R50F0：8.33%、19.03%、33.67%、36.44%；(3)R100F0：6.41%、20.29%、57.75%、62.51%，可以看出除碳化7 d后的強(qiáng)度增長(zhǎng)率稍小外，R100F0試驗(yàn)組的強(qiáng)度增長(zhǎng)率要高于其他兩組，而R0F0試驗(yàn)組的強(qiáng)度增長(zhǎng)率均為最小。這說(shuō)明碳化對(duì)混凝土的致密作用隨著再生粗骨料摻量的增加而增加。這是由于再生粗骨料表面附著大量的大孔隙的砂漿，碳化產(chǎn)物會(huì)填充其中部分孔隙使得混凝土更加密實(shí)，孔隙越多，其致密的程度也就越大。同時(shí)，注意到在R100F40組中，經(jīng)56 d碳化后強(qiáng)度的增長(zhǎng)率達(dá)到了70%以上。這是因?yàn)榉勖夯揖哂谢鹕交一钚孕?yīng)，且本次試驗(yàn)僅經(jīng)過(guò)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后就進(jìn)行了碳化試驗(yàn)，所以開(kāi)始進(jìn)行碳化時(shí)混凝土中粉煤灰的活性尚未被完全激發(fā)出來(lái)，所以表中的增長(zhǎng)率既包括粉煤灰后期的活性效應(yīng)，也包括了碳化對(duì)混凝土的強(qiáng)化效應(yīng)，才會(huì)出現(xiàn)這樣大的增長(zhǎng)率。但是，即使是未摻加粉煤灰的試驗(yàn)組，在碳化56 d之后強(qiáng)度也均增長(zhǎng)了30%以上。綜上，碳化對(duì)混凝土的致密強(qiáng)化作用是比較明顯的，且強(qiáng)化的效果隨著再生粗骨料摻量的增加而提高。

3.4 電鏡掃描結(jié)果與分析

分別取R50F0、R50F20、R50F40三組試件碳化0和56 d剝落下的混凝土塊進(jìn)行電鏡掃描分析，如圖7所示。

對(duì)比圖7(a)、7(b)兩圖可以看出，R50F0試件表面不僅存在大量的微小孔隙，還明顯存在由于混凝土中水分蒸發(fā)散失而形成的干縮裂縫；碳化56 d以后，微小孔隙數(shù)量明顯減少，沒(méi)有觀察到明顯的裂縫，且表面看起來(lái)較為光滑。根據(jù)圖7(c)～7(f)試件電鏡掃描分析，R50F20、R50F40試件具有相似的規(guī)律。這說(shuō)明混凝土碳化的產(chǎn)物能夠填充于混凝土內(nèi)的微小氣孔以及裂縫之中，對(duì)于混凝土有著致密的作用，填充混凝土的孔隙及裂縫。

對(duì)比圖7(a)、7(c)、7(e)，可以看出摻入粉煤灰后混凝土中的微小孔隙明顯增多，且表面看起來(lái)更加粗糙。這說(shuō)明摻入粉煤灰能夠有效減少大孔的生成但是會(huì)增加大量的微小孔隙，粉煤灰顆粒要略小于水泥顆粒，故能夠與水泥顆粒相互填充，有效地細(xì)化混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。

混凝土碳化的本質(zhì)是空氣中的CO2通過(guò)混凝土中的氣孔在混凝土中擴(kuò)散，與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)，使得混凝土中性化。可以看出混凝土碳化的速度很大程度上取決于CO2在混凝土中擴(kuò)散的快慢程度。

根據(jù)電鏡掃描的結(jié)果，碳化之后的混凝土由于部分孔隙被碳化產(chǎn)物所填充，CO2在混凝土中擴(kuò)散的速度也將降低。以上分析與本章前幾節(jié)結(jié)論相互驗(yàn)證，進(jìn)一步證實(shí)了：隨著碳化天數(shù)的增長(zhǎng)，再生混凝土的碳化速度有所降低。

圖7 混凝土碳化電鏡掃描圖

4 結(jié) 論

(1)隨著再生粗骨料與粉煤灰摻量的增加，再生混凝土的碳化深度均有不同程度的增大。

(2)再生混凝土的碳化速度隨著碳化時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。各試驗(yàn)組7、14、28、56 d的平均碳化速度的平均值分別為0.64、0.55、0.43、0.40 mm/d。

(3)對(duì)于再生混凝土，其抗壓強(qiáng)度與經(jīng)過(guò)某一碳化時(shí)間的碳化深度大約呈線性關(guān)系，抗壓強(qiáng)度越大，碳化深度越小,且碳化時(shí)間越長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度對(duì)碳化深度的影響就越大。

(4)電鏡掃描分析從微觀角度有效驗(yàn)證了碳化作用與再生混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。