軸向應(yīng)力作用下再生混凝土碳化性能研究

劉燕,劉舒暢,劉杏娟,康希佞

軸向應(yīng)力作用下再生混凝土碳化性能研究

劉燕,劉舒暢*,劉杏娟,康希佞

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院, 河北 保定 071001

本文通過對(duì)再生混凝土試塊進(jìn)行不同軸向應(yīng)力作用下的快速碳化試驗(yàn)，探討軸向應(yīng)力水平及再生粗骨料質(zhì)量取代率對(duì)再生混凝土碳化性能的影響。采用掃描電子顯微鏡（SEM）研究再生混凝土在軸向應(yīng)力-碳化作用下微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：再生粗骨料取代率的增大會(huì)加劇混凝土的碳化損傷，隨著碳化齡期的增加，這種影響逐漸減弱；再生混凝土的碳化速率隨著碳化齡期的增加而降低；軸壓應(yīng)力抑制了再生混凝土的碳化損傷，軸拉應(yīng)力加劇了再生混凝土的碳化損傷；觀察掃描電鏡圖像發(fā)現(xiàn)，相比于單一碳化作用，在軸壓應(yīng)力-碳化作用下，再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，在軸拉應(yīng)力-碳化作用下，再生混凝土內(nèi)部形成貫通裂縫。為了量化軸向荷載作用對(duì)再生混凝土碳化的影響，定義了軸向應(yīng)力影響系數(shù)。

再生混凝土; 碳化性能; 應(yīng)力反應(yīng)

隨著社會(huì)快速發(fā)展以及建筑結(jié)構(gòu)老化，天然骨料短缺問題日益嚴(yán)重，拆遷改建產(chǎn)生的建筑廢棄物也日漸增多[1]。建筑垃圾的傳統(tǒng)處理不僅會(huì)造成環(huán)境污染，還會(huì)形成巨大的資源浪費(fèi)[2,3]。采用再生混凝土骨料可以消除傳統(tǒng)建筑垃圾處理的弊端，還可以緩解天然砂石的短缺問題，對(duì)混凝土建筑的可持續(xù)發(fā)展有著積極的影響[4]?，F(xiàn)今大氣中二氧化碳濃度不斷升高，混凝土建筑結(jié)構(gòu)的碳化損傷也日趨嚴(yán)重。再生粗骨料表面附著舊水泥砂漿，且存在破碎時(shí)形成的微裂縫，導(dǎo)致再生混凝土內(nèi)部存在薄弱區(qū)域，吸水率與孔隙率比天然骨料大、表觀密度比天然骨料低，這些特性導(dǎo)致再生混凝土抗碳化性能比天然骨料混凝土更復(fù)雜[5,6]。當(dāng)前大多數(shù)對(duì)再生混凝土碳化性能的研究局限于單一碳化作用，對(duì)于軸向應(yīng)力作用下再生混凝土的碳化性能缺乏研究[7-14]。本試驗(yàn)以軸向應(yīng)力作用下的再生混凝土試塊為研究對(duì)象，分析再生混凝土碳化深度隨軸向應(yīng)力類型、軸向應(yīng)力水平和再生粗骨料質(zhì)量取代率的變化規(guī)律，利用掃描電鏡試驗(yàn)（SEM）觀察單一碳化作用、軸壓應(yīng)力—碳化作用和軸拉應(yīng)力—碳化作用下混凝土微觀結(jié)構(gòu)的差異，以期為再生混凝土的研究與應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)采用P?O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，濟(jì)寧恒志新型建材股份有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。細(xì)骨料采用級(jí)配良好的河砂。粗骨料均為連續(xù)級(jí)配，100 mm×100 mm×400 mm尺寸的混凝土試塊采用的粗骨料粒徑為5～20 mm，40 mm×40 mm×160 mm尺寸的混凝土試塊采用的粗骨料粒徑為5～10 mm，再生粗骨料為河北省保定市小區(qū)路面廢棄混凝土破碎組配制成，天然粗骨料采用碎石。外加劑采用聚羧酸高性能減水劑。

1.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)采用10%的固定粉煤灰摻量，38%固定砂率，因?yàn)樵偕止橇系奈曙@著大于天然骨料，因此需要根據(jù)再生粗骨料的吸水率加入一定的附加水，附加水用量根據(jù)再生粗骨料的吸水率和用量計(jì)算所得。共設(shè)計(jì)RCA0，RCA30，RCA50，RCA70四組混凝土，混凝土配合比如表1所示。

表 1 混凝土配合比

備注：RCA代表再生粗骨料質(zhì)量取代率（%）。

Note: RCA is the replacement rate of recycled coarse aggregates (%).

1.3 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)分為單一碳化作用、軸壓應(yīng)力—碳化作用和軸拉應(yīng)力—碳化作用三部分，每部分根據(jù)再生粗骨料取代率的不同分為RCA0、RCA30、RCA50、RCA70四組。由于碳化箱尺寸限制，所用試塊為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試塊，共3×7×3×4+3×4+3×4=276塊。其中3×7×3×4=252塊用于測(cè)定碳化深度，每組均選取3個(gè)平行試塊，分別測(cè)試施加0%，20%，40%，60%極限軸拉或軸壓荷載狀態(tài)下1，2，3 d碳化齡期后四組試塊的碳化深度；3×4=12塊用于測(cè)定劈裂抗拉強(qiáng)度，每組均選取3個(gè)平行試塊，分別測(cè)試四組試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度；3×4=12塊用于測(cè)定軸心極限抗壓強(qiáng)度，每組均選取3個(gè)平行試塊，分別測(cè)試四組試塊的軸心極限抗壓強(qiáng)度。為了研究尺寸效應(yīng)對(duì)混凝土碳化深度的影響，另有100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊3塊。

1.4 加載方案

本試驗(yàn)采用的加載裝置設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖 1 加載裝置

軸壓荷載加載裝置的加載原理為利用壓力機(jī)給上頂板施加預(yù)設(shè)荷載，擰緊螺母后，壓力通過碟簧傳遞到上壓板，再通過上壓板給試塊施加軸向壓力。軸拉荷載加載裝置的加載原理為通過壓力機(jī)給上頂板施加預(yù)設(shè)荷載，擰緊所有螺母后，彈簧壓縮產(chǎn)生彈力，再松開四周螺母，保留中間螺母，利用彈簧的彈力給試塊施加拉力。為保持試塊的持載狀態(tài)，試驗(yàn)過程中每8 h擰緊一次螺母。

1.4 加載方案

本試驗(yàn)采用的極限軸壓應(yīng)力為混凝土試塊的軸心抗壓強(qiáng)度，采用的極限軸拉應(yīng)力為混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度換算得到的軸心抗拉強(qiáng)度，換算系數(shù)取0.9。RCA0、RCA30、RCA50、RCA70四組混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的軸心抗壓強(qiáng)度分別為36.81 kN，33.40 kN，31.93 kN，28.50 kN，軸心抗拉強(qiáng)度分別為7.16 kN，6.22 kN，5.76 kN，5.04 kN。

利用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同再生粗骨料取代率的混凝土試塊分別施加0%，20%，40%，60%極限軸拉或軸壓荷載，把加載狀態(tài)下的混凝土試塊放入碳化箱，進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)。到達(dá)1，2，3 d碳化齡期后結(jié)束試驗(yàn)，測(cè)定混凝土試塊的碳化深度，觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 尺寸效應(yīng)對(duì)混凝土碳化的影響

參考劉燕[15]的研究，分別對(duì)RCA0組的兩種尺寸的混凝土試塊進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，得到的碳化深度如表2所示。

表 2 不同尺寸混凝土試塊碳化深度

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)試塊與同比例小試塊在對(duì)應(yīng)齡期下的碳化深度基本一致，故本試驗(yàn)采用40 mm×40 mm×160 mm的同比例小試塊代替100 mm×100 mm×400 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行持載狀態(tài)下的快速碳化試驗(yàn)。故本試驗(yàn)采用40 mm×40 mm×160 mm尺寸的混凝土試塊碳化1 d、2 d和3 d的碳化深度等效代替100 mm×100 mm×400 mm尺寸的混凝土試塊碳化7 d、14 d和28 d的碳化深度。

2.2 再生粗骨料取代率對(duì)混凝土碳化性能的影響

無應(yīng)力狀態(tài)下不同再生粗骨料取代率的混凝土碳化深度如圖2所示，碳化速率如圖3所示。

圖 2 混凝土碳化深度

圖 3 混凝土碳化速率

由圖2所示，再生粗骨料取代率的增大會(huì)加深混凝土的碳化深度。以碳化齡期為3 d為例，相對(duì)于普通混凝土試塊，再生骨料取代率為30%、50%和70%的試塊碳化深度分別增加了18.62%，26.12%，32.41%。產(chǎn)生這種影響的主要原因?yàn)樵偕止橇暇哂忻軐?shí)度低、孔隙率大的特性，這些特性提高了再生混凝土中CO2擴(kuò)散速度，從而加快了碳化反應(yīng)，降低了混凝土的抗碳化能力。

由圖3所示，隨著碳化齡期增長，混凝土的碳化速率降低。主要原因有兩點(diǎn)：一是碳化反應(yīng)所需的Ca(OH)2在反應(yīng)初期最為充足，隨著碳化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土中的可碳化物質(zhì)減少，碳化反應(yīng)減慢；二是碳化產(chǎn)物改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致CO2擴(kuò)散速度降低，以至于碳化反應(yīng)速率降低。

此外，從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，碳化齡期1 d時(shí)，碳化速率隨再生粗骨料取代率的增加呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，這表明碳化初期，粗骨料取代率對(duì)碳化速率有較大的影響；碳化齡期2 d時(shí)，速率曲線在基本持平的狀態(tài)下略有下降，再生粗骨料取代率對(duì)碳化速率的影響減緩；而碳化齡期3 d時(shí)，隨再生粗骨料取代率的增大，碳化速率呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，但整體上保持下降的趨勢(shì)?？梢姡S著時(shí)間的推移，再生粗骨料對(duì)混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)影響呈現(xiàn)差異：碳化反應(yīng)剛開始時(shí)，再生混凝土的內(nèi)部缺陷隨著再生粗骨料取代率的增大而增多，導(dǎo)致碳化速率隨再生粗骨料取代率的增大而增大；但隨著碳化反應(yīng)的進(jìn)行，生成的碳化產(chǎn)物增多，再生混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨之改善，不同再生粗骨料取代率的再生混凝土的密實(shí)度不再有較大差別，碳化速率趨近一致?？梢?，再生粗骨料對(duì)混凝土的碳化起到了加劇作用，但隨著碳化齡期的增加，這種影響逐漸減弱。

2.3 軸向應(yīng)力作用對(duì)再生混凝土碳化深度的影響

2.3.1 軸壓應(yīng)力作用對(duì)再生混凝土碳化深度的影響不同軸壓應(yīng)力作用下的再生混凝土碳化深度的變化曲線如圖4所示。

圖 4 軸壓應(yīng)力對(duì)再生混凝土碳化深度的影響

分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，在0～60%極限軸壓荷載水平范圍內(nèi)，對(duì)于同一再生粗骨料取代率的混凝土，軸壓應(yīng)力水平增大會(huì)降低碳化深度。這是因?yàn)榛炷羶?nèi)部的微裂縫在壓應(yīng)力的作用下縮小，導(dǎo)致CO2進(jìn)入混凝土的速率減小，混凝土的碳化反應(yīng)速度隨之降低，碳化深度減小。對(duì)比普通混凝土和再生混凝土在軸壓荷載作用下碳化深度的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，普通混凝土碳化齡期為3 d時(shí)，相對(duì)于0%軸壓應(yīng)力水平下的混凝土試塊，20%、40%和60%軸壓應(yīng)力水平下的試塊碳化深度分別減少了3.51%，11.12%，15.60%；RCA70組再生混凝土碳化齡期為3 d時(shí)，相對(duì)于0%軸壓應(yīng)力水平下的再生混凝土試塊，20%、40%和60%軸壓應(yīng)力水平下的試塊碳化深度分別減少了10.23%，17.44%，26.03%。由此可見，軸壓應(yīng)力對(duì)再生混凝土碳化的影響更大。

此外，由圖4還可以發(fā)現(xiàn)，軸壓應(yīng)力水平為20%～40%時(shí)，曲線斜率較大，應(yīng)力水平為60%時(shí)，曲線斜率較小。即60%極限軸壓荷載對(duì)再生混凝土碳化的抑制作用減弱。主要原因是軸壓應(yīng)力作用下再生混凝土內(nèi)部原有裂隙大部分閉合，再加上碳化產(chǎn)物的生成，抑制了再生混凝土的碳化反應(yīng)；但過大的軸壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致再生混凝土產(chǎn)生新裂縫，加劇了再生混凝土的碳化反應(yīng)。兩種影響疊加使得軸壓應(yīng)力對(duì)再生混凝土碳化反應(yīng)的抑制作用減弱。

為了量化軸壓荷載作用對(duì)再生混凝土碳化的影響，定義軸向壓應(yīng)力影響系數(shù)K，K的定義式如下：

其中：K：軸壓應(yīng)力影響系數(shù)；X：軸壓應(yīng)力作用下混凝土的碳化深度；0：無應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的碳化深度。

不同取代率的再生混凝土的軸壓應(yīng)力影響系數(shù)K與應(yīng)力水平和碳化齡期的擬合關(guān)系(表3)。

表 3 擬合方程

2.3.2 軸拉應(yīng)力作用對(duì)再生混凝土碳化深度的影響不同軸拉應(yīng)力作用下的再生混凝土碳化深度的變化曲線如圖5所示。

圖 5 軸拉應(yīng)力對(duì)再生混凝土碳化深度的影響

由圖5所示，在0～60%極限軸拉荷載水平內(nèi)，對(duì)于同一再生粗骨料取代率的混凝土試塊，軸拉應(yīng)力水平增大會(huì)加深碳化深度。以再生粗骨料取代率為70%為例，碳化齡期為1 d時(shí)，相對(duì)于0%軸拉應(yīng)力水平下的再生混凝土試塊，20%、40%和60%軸拉應(yīng)力水平下的試塊碳化深度分別增加了7.65%，22.40%，35.11%。這是因?yàn)閷?duì)再生混凝土試塊施加軸拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致試塊內(nèi)部形成裂縫，并且隨著軸拉應(yīng)力的增大，對(duì)混凝土造成的損傷增大，裂縫會(huì)不斷擴(kuò)展甚至連通，這些裂縫的存在加快了CO2的擴(kuò)散，加劇了碳化損傷。由此可見，軸拉應(yīng)力對(duì)再生混凝土的碳化起到了加劇作用。

通過分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，軸拉應(yīng)力水平為20%時(shí)曲線斜率較小，應(yīng)力水平為40%～60%時(shí)曲線斜率較大。這意味著，40%～60%極限軸拉荷載對(duì)再生混凝土碳化的加劇作用增大。這是因?yàn)楫?dāng)軸拉應(yīng)力水平較低時(shí)，應(yīng)力對(duì)再生混凝土造成的損傷較小，碳化反應(yīng)生成的碳化產(chǎn)物有效填充再生混凝土內(nèi)部部分缺陷，故此時(shí)軸拉應(yīng)力對(duì)再生混凝土碳化的影響較??；隨著軸拉應(yīng)力的增加，應(yīng)力對(duì)再生混凝土造成的損傷加大，試塊內(nèi)部形成更多裂縫，原有裂隙會(huì)不斷增大，而碳化產(chǎn)物能填充裂隙的程度有限，故軸拉應(yīng)力對(duì)再生混凝土碳化的影響增大。

為了量化軸拉荷載作用對(duì)再生混凝土碳化的影響，定義軸向拉應(yīng)力影響系數(shù)K，K的定義式如下：

其中：K：軸拉應(yīng)力影響系數(shù)；X：軸拉應(yīng)力作用下混凝土的碳化深度；0：無應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的碳化深度。

不同取代率的再生混凝土的軸向應(yīng)力影響系數(shù)K與應(yīng)力水平和碳化齡期的擬合關(guān)系(表4)。

表 4 擬合方程

2.4 軸向應(yīng)力—碳化作用下再生混凝土微觀分析

經(jīng)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察可得軸向應(yīng)力—碳化作用下再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。再生粗骨料取代率為30%時(shí)，在無應(yīng)力、40%極限軸壓荷載以及40%極限軸拉荷載作用下，經(jīng)3 d碳化后的微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖 6 軸向應(yīng)力—碳化作用下再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)

通過對(duì)比單一碳化作用、軸壓應(yīng)力—碳化作用下和軸拉應(yīng)力—碳化作用下的再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同的軸向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致再生混凝土內(nèi)部微裂縫不同的發(fā)展，進(jìn)而對(duì)再生混凝土碳化造成完全不同的影響。掃描電鏡圖中的絮狀物為水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，板狀物為Ca(OH)2（CH）晶體，塊狀或粒狀物為CaCO3（CC）晶體。觀察圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)，單一碳化作用下再生混凝土內(nèi)部存在微裂縫與孔隙，周圍分布著碳化反應(yīng)生成的CC晶體。對(duì)比圖6（a）和（b）可以看出，與單一碳化作用下的再生混凝土相比，軸壓應(yīng)力—碳化作用下再生混凝土內(nèi)部碳化反應(yīng)產(chǎn)物CC晶體較多，裂縫與孔隙較少，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。一是因?yàn)檩S壓應(yīng)力作用使得再生混凝土內(nèi)部的孔隙與裂縫縮小甚至閉合，二是因?yàn)樵偕炷恋奶蓟a(chǎn)物填充了內(nèi)部部分裂隙與氣孔。再生混凝土內(nèi)部孔隙減小抑制了混凝土的碳化反應(yīng)，從而在宏觀上表現(xiàn)出碳化深度降低的試驗(yàn)現(xiàn)象。對(duì)比圖6（a）和（c）發(fā)現(xiàn)，軸拉應(yīng)力—碳化作用下的再生混凝土內(nèi)部存在貫通裂縫，且裂縫周圍分布著大量CC晶體。主要原因是再生混凝土內(nèi)部會(huì)在軸拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生新裂縫，原有的微裂縫也會(huì)迅速擴(kuò)展形成貫通裂縫，而碳化產(chǎn)物不足以填補(bǔ)擴(kuò)展后的裂縫，無法有效抑制CO2的擴(kuò)散。再生混凝土內(nèi)部裂縫增大加劇了混凝土的碳化反應(yīng)，從而在宏觀上表現(xiàn)為碳化深度增大。

3 結(jié) 論

（1）再生粗骨料加劇了混凝土的碳化損傷，并且隨著碳化齡期的增長，再生粗骨料對(duì)混凝土碳化性能的影響減弱，再生混凝土的碳化速率降低；

（2）軸向應(yīng)力對(duì)再生混凝土的碳化性能影響明顯。軸壓應(yīng)力抑制了再生混凝土的碳化反應(yīng)，但施加荷載達(dá)到60%極限軸壓荷載時(shí)，軸壓荷載對(duì)再生混凝土的碳化影響減弱；軸拉應(yīng)力加劇了再生混凝土的碳化反應(yīng)，40%～60%極限軸拉荷載對(duì)再生混凝土碳化的加劇作用增大；

（3）利用掃描電鏡從微觀角度證明了軸壓應(yīng)力作用下再生混凝土的抗碳化性能明顯提高，軸拉應(yīng)力作用下再生混凝土的抗碳化性能明顯降低。相較于單一碳化作用下的再生混凝土，軸壓應(yīng)力—碳化作用下再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙率低，微裂縫少；軸拉應(yīng)力—碳化作用下再生混凝土內(nèi)部存在貫通裂縫。

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Study on the Carbonation Performance of Recycled Concrete under Axial Stress

LIU Yan, LIU Shu-chang*, LIU Xing-juan, KANG Xi-ning

071001,

The effects of axial stress level and mass replacement rate of recycled coarse aggregate on the carbonation performance of recycled concrete were discussed by rapid carbonation tests of recycled concrete samples under different axial stresses. The variation law of the microstructure of recycled concrete under the action of axial stress-carbonation was analyzed by scanning electron microscopy (SEM). Results show that the carbonation damage of concrete aggravated with the increase of the replacement rate of recycled coarse aggregates, and this effect gradually weakened with the increase of carbonation age. The carbonation rate of recycled concrete decreased with the increase of carbonation time. The carbonation damage of recycled concrete was inhibited under axial compressive stress, the carbonation damage of recycled concrete was aggravated under axial tensile stress. SEM images show that the compactness of recycled concrete increased under axial compressive stress, and the cracks in recycled concrete expand under axial tensile stress. In order to quantify the influence of axial load on carbonation of recycled concrete, the influence coefficient of axial stress was defined.

Recycled concrete; carbonation performance; stress response

TU528.041

A

1000-2324(2022)01-0138-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.021

2021-01-05

2021-05-04

劉燕(1975-),女,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:結(jié)構(gòu)工程，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性. E-mail:634719549@qq.com

Author for correspondence. E-mail:2477844786@qq.com