自密實(shí)再生混凝土碳化性能及碳化深度預(yù)測模型

王瑜玲 潘云峰 王春福

（1 浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)；2 河海大學(xué)）

混凝土作為年均使用量最大的建筑材料，其用量呈線性上升[1]。這意味著一方面砂石、水泥等資源的消耗量持續(xù)增加，可用量減少，出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面；另一方面，年處理量遠(yuǎn)低于產(chǎn)量的廢棄混凝土數(shù)量也會持續(xù)攀升，大量的土地資源將被占用，同時也對大氣、水體等生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降，土壤、水質(zhì)劣化[2]。

自密實(shí)混凝土（Self-Compacting Concrete，簡稱SCC）依靠自重填充模板[3]，流動性高、抗離析性好、填充性佳。由其制備的構(gòu)件性能優(yōu)異，耗費(fèi)的勞動力少，目前自密實(shí)混凝土的技術(shù)已經(jīng)非常成熟。將廢棄混凝土重新利用制備成大流動性的自密實(shí)再生混凝土，是混凝土綠色、健康可持續(xù)發(fā)展的一個重要方向。研究表明，環(huán)境中CO2濃度以及溫度升高會導(dǎo)致混凝土在服役過程中發(fā)生碳化，引發(fā)鋼筋銹蝕，繼而引起結(jié)構(gòu)破壞[4]。自密實(shí)再生混凝土作為混凝土的一種，其抗碳化能力同樣影響到它的耐久性。因此，本研究以由廢棄混凝土全組分配制而成的自密實(shí)再生混凝土作為研究對象，探索自密實(shí)再生混凝土隨膠凝材料組分改變時的碳化性能規(guī)律，同時構(gòu)建其碳化深度預(yù)測模型，為廢棄混凝土粉末在自密實(shí)再生混凝土中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

將1 年齡期以上、原設(shè)計強(qiáng)度為C30 的廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分、磨細(xì)后，制成粗、細(xì)骨料及粉末作為自密實(shí)再生混凝土的原料，進(jìn)行全組分利用。

⑴再生粗骨料 (Recycled coarse aggregate,RCA)：由5～10mm、10～16mm、16～20mm 三個粒徑范圍的骨料按3:3:4 的比例配制而成，堆積密度1230㎏/m3，表觀密度2620㎏/m3。

再生細(xì)骨料(Recycled fine aggregate,RFA)：粒徑范圍0.16～5mm，表觀密度2690㎏/m3，細(xì)度模數(shù)3.7。

⑵膠凝材料：水泥、粉煤灰和廢棄混凝土粉末按一定比例構(gòu)成。

水泥（Cement,C)：尖峰牌普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)，表觀密度為3240㎏/m3，3d 抗壓強(qiáng)度為24.5MPa，28d 抗壓強(qiáng)度為48.5MPa。

粉煤灰(Fly ash,FA)：一級灰，45μm 方孔篩篩余3.63%，表觀密度2110㎏/m3。

廢棄混凝土粉末(Ground waste concrete powder,GCP)：廢棄混凝土破碎篩分過程中，粒徑＜16μm的粉狀材料，表觀密度2420㎏/m3。

⑶聚羧酸減水劑（Polycarboxylate Superplastic-izer,PC），固含量20%。

1.2 試驗過程

1.2.1 試驗配合比

為了考察膠凝材料對自密實(shí)再生混凝土碳化性能的影響規(guī)律，本次試驗采用單一變量法，固定水膠比為0.4，固定再生粗、細(xì)骨料的用量，只改變膠凝材料的構(gòu)成比例，具體配合比見表1。

表1 自密實(shí)再生混凝土配合比 （kg）

1.2.2 試驗方法

⑴流動性及強(qiáng)度試驗

依據(jù)《自密實(shí)混凝土設(shè)計與施工指南》測試坍落擴(kuò)展度和J 環(huán)坍落擴(kuò)展度，同時計算填充率，以此表征自密實(shí)再生混凝土的流動性；參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，測試齡期為3d、7d、28d、42d 時試件的立方體抗壓強(qiáng)度，采用尺寸為100mm×100mm×100mm 的試件，考慮尺寸效應(yīng)，抗壓強(qiáng)度乘以0.95 的折算系數(shù)。

⑵碳化試驗

本文的碳化試驗參照《水工混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行。采用尺寸為100mm×100mm×100mm 的立方體試件，每組制作12 塊試件。碳化試驗機(jī)采用上海勞瑞儀器設(shè)備有限公司研制的CCB-70A 型碳化試驗箱。碳化試驗在溫度（20±5）℃、濕度（70±5）%的條件下進(jìn)行，并保持碳化箱中CO2濃度在（20±3）%。待自密實(shí)再生混凝土碳化至3d、7d、14d 及28d 齡期時，每次每組分別取3 塊試件，從試件中部劈開，清理干凈浮沉后，隨即噴上1%濃度的酚酞試液，靜待1～2min 后觀察表觀現(xiàn)象，用網(wǎng)格法測試計算，以3 塊試件的平均值作為碳化深度值。

2 性能分析及模型構(gòu)建

2.1 自密實(shí)再生混凝土的工作及力學(xué)性能

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到自密實(shí)再生混凝土的流動性對比圖（圖1）。從圖1 可見，五個試樣配合比下，自密實(shí)再生混凝土坍落擴(kuò)展度≥600mm，J 環(huán)坍落擴(kuò)展度≥570mm，填充率≥75%，達(dá)到自密實(shí)混凝土Ⅱ級指標(biāo)要求，證明五個試樣所制備的自密實(shí)再生混凝土初始性能滿足要求。

圖1 流動性對比圖

根據(jù)立方體抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)繪制抗壓強(qiáng)度-齡期圖（圖2）。從圖2 及各試樣在28d 齡期時的SEM 圖可見（圖3～圖7），由于SCRC4、SCRC5 中水泥用量少，粉煤灰及廢棄混凝土粉末用量高，水化反應(yīng)緩慢，強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度35MPa。直至42d 齡期時，5 個試樣的強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。因此，碳化試驗選擇于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)42d 后進(jìn)行。

圖2 抗壓強(qiáng)度- 齡期圖

圖3 SCRC1 在28d 齡期時的SEM 圖

圖4 SCRC2 在28d 齡期時的SEM 圖

圖5 SCRC3 在28d 齡期時的SEM 圖

圖6 SCRC4 在28d 齡期時的SEM 圖

圖7 SCRC5 在28d 齡期時的SEM 圖

2.2 自密實(shí)再生混凝土碳化性能分析

根據(jù)試驗測得各試樣的碳化深度-齡期曲線，如圖8 所示。從試驗可知，5 組試樣的碳化深度值均隨碳化時間的延長而增大。初始的碳化速度快，后期的碳化速度趨于平穩(wěn)。膠凝材料中水泥占比越高，則碳化深度值越小，抗碳化性能越好。SCRC1、SCRC2 和SCRC3 的碳化性能普遍優(yōu)于SCRC4 和SCRC5。

圖8 自密實(shí)再生混凝土碳化深度

廢棄混凝土粉末主要由硬化水泥石以及砂、石料的碎屑構(gòu)成，其主要活性成分為硬化水泥石中未水化的水泥顆粒，而已水化的水泥產(chǎn)物也具有一定的化學(xué)活性[5]。當(dāng)未水化水泥顆粒與水充分接觸后，可再次水化生成主要成分為C-S-H 的水化產(chǎn)物，具備膠凝性[6]，水灰比越低，未水化水泥顆粒越多，膠凝性越強(qiáng)[7]。本試驗選用的廢棄混凝土原始強(qiáng)度為C30，原始水膠比為0.42，檢測發(fā)現(xiàn)，其硬化水泥石中未水化顆粒量偏少。通過觀察各試樣養(yǎng)護(hù)至28d 時的SEM 圖發(fā)現(xiàn)，廢棄混凝土粉末在膠凝材料中占比50%時，試樣中存在許多團(tuán)簇狀微粒，尤以圖4 最為明顯，觀測到許多直徑介于20～30μm 的微粒，填充或覆蓋了水泥水化產(chǎn)物，但并未參與水化或發(fā)生二次水化反應(yīng)，表現(xiàn)了水化惰性。因此，當(dāng)膠凝材料中水泥占比相同時，摻加廢棄混凝土粉末的碳化性能比摻加粉煤灰的差。

此外，廢棄混凝土粉末經(jīng)過多層破碎和粉磨，其顆粒的微觀形貌多為棱角狀和碎屑狀[8]，與粉煤灰的滾珠填充效應(yīng)不同，棱角狀顆粒的增多會破壞顆粒的密實(shí)堆積，增加自密實(shí)再生混凝土內(nèi)部的孔隙。與此同時，廢棄混凝土粉末的硬化水泥石中的C-S-H 凝膠內(nèi)部也存在尺寸細(xì)小、數(shù)量多的孔隙[9]，提高廢棄混凝土粉末的比例會使自密實(shí)再生混凝土內(nèi)部孔隙增多，增大了碳化破壞通道，導(dǎo)致其碳化性能劣于摻加粉煤灰的。

觀察SCRC3 與SCRC1 兩個試樣的碳化深度-齡期曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩者的碳化深度曲線較為接近，尤其是14d 時碳化深度值僅相差0.6mm。說明當(dāng)膠凝材料中水泥、粉煤灰與廢棄混凝土粉末的比例為2:1:1 時，自密實(shí)再生混凝土的碳化性能與不使用廢棄混凝土粉末時相近。這也表明通過調(diào)整膠凝材料的比例構(gòu)成，達(dá)到削弱廢棄混凝土粉末的不利影響是可能的。

2.3 自密實(shí)再生混凝土碳化深度預(yù)測模型

混凝土是一個多孔結(jié)構(gòu)人造物質(zhì)，內(nèi)部存在著大量大小不一的孔隙、氣泡以及缺陷等。當(dāng)周圍環(huán)境中的CO2通過孔隙及缺陷滲透到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部時，會溶解于混凝土孔隙中的液相，并與水泥水化產(chǎn)物CH 及C-S-H 等相互作用，形成碳酸鈣。自密實(shí)再生混凝土由于其所選用原材料本身帶有更多的性能缺陷，環(huán)境中的CO2更容易由表及里向自密實(shí)再生混凝土內(nèi)部逐漸擴(kuò)散，發(fā)生十分復(fù)雜的連續(xù)物理化學(xué)反應(yīng)，增加了碳化破壞的可能性。因此，本研究將以混凝土的碳化深度模型為基礎(chǔ)，探索建立符合自密實(shí)再生混凝土的碳化模型。

2.3.1 理論模型與經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

目前針對混凝土碳化深度的預(yù)測主要有兩大類，一是根據(jù)擴(kuò)散理論進(jìn)行理論推導(dǎo)得出理論公式，二是根據(jù)實(shí)驗分析得出經(jīng)驗公式。

理論推導(dǎo)研究混凝土的碳化規(guī)律一般基于三個假設(shè)[3]：

⑴混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的CO2濃度呈線性下降；

⑵混凝土表面的CO2濃度為C0，而未碳化區(qū)的濃度為0；

⑶單位體積混凝土吸收CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的量為定值。

在上述假設(shè)下，混凝土的碳化過程遵循Fick 第一擴(kuò)散定律[10]，理論計算混凝土碳化深度的公式如式⑴：

其中：

X——碳化深度；

DCO2——CO2在混凝土中的有效擴(kuò)散系數(shù)；

C0——混凝土表面CO2的濃度；

M0——單位體積吸收CO2的量；

t——碳化時間。

令k=（2DCO2·C0/M0）1/2，則式⑴可簡寫為：

其中：

a——碳化速度系數(shù)，表征碳化反應(yīng)速度快慢的綜合因素。

各個學(xué)者在研究碳化過程中考察的側(cè)重點(diǎn)以及考慮的影響因素不同，因此有眾多的經(jīng)驗公式，主要體現(xiàn)在碳化深度預(yù)測公式X=a·tβ中碳化系數(shù)a 的不同上。對于a、β 的取值，有代表性的是中國建筑科學(xué)研究院提出的，a=η1·η2·η3·η4·η5·η6，β=0.5，其碳化深度模型見式⑶：

其中：

X——碳化深度；

η1——水泥用量的影響系數(shù)；

η2——水膠比影響系數(shù)；

η3——粉煤灰取代量影響系數(shù)；

η4——水泥品種影響系數(shù)；

η5——集料品種的影響系數(shù)；

η6——養(yǎng)護(hù)方法影響系數(shù)；

t——碳化時間。

以上兩種方法中，碳化深度X 與碳化時間t 的平方根均成正比[11]。但不論是理論推導(dǎo)或者經(jīng)驗公式，最終均體現(xiàn)在碳化系數(shù)的不同。

2.3.2 自密實(shí)再生混凝土碳化深度的預(yù)測模型

本研究結(jié)合混凝土碳化深度理論推導(dǎo)和實(shí)驗分析兩種方法，建立經(jīng)驗公式數(shù)學(xué)模型，以滿足自密實(shí)再生混凝土碳化深度預(yù)測的需要。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，作出碳化深度隨時間變化的曲線圖。借助Origin8.0 軟件，選用Belehradek 模型進(jìn)行碳化深度隨時間變化曲線的擬合，見圖9～圖13。五組試樣的擬合曲線公式匯總見表2。

圖9 SCRC1 碳化深度擬合圖

圖10 SCRC2 碳化深度擬合圖

圖11 SCRC3 碳化深度擬合圖

圖12 SCRC4 碳化深度擬合圖

表2 碳化深度擬合曲線公式及碳化深度速率

圖13 SCRC5 碳化深度擬合圖

根據(jù)經(jīng)驗公式，結(jié)合本試驗的自密實(shí)再生混凝土的特征，選擇碳化深度速率的影響因子。本試驗的自密實(shí)再生混凝土的碳化深度速率主要受到膠凝材料中各材料比重的影響，因此又將其進(jìn)一步細(xì)化為受水泥、粉煤灰以及廢棄混凝土粉末三因素影響的線性方程。列出適合本試驗的普遍公式如式⑷：

式中：

K1——水泥、粉煤灰和再生粉料的含量系數(shù)；

K2——用水量系數(shù)，取值為單方混凝土用水量；

K3——膠材總量系數(shù)，取值為單方混凝土膠材總量；

K4——其他相同因素（如用水量、膠凝材料總量、水膠比、再生粗細(xì)骨料以及養(yǎng)護(hù)方法等）系數(shù)，缺省時設(shè)置為1；

A、B、C——分別為水泥、粉煤灰和廢棄混凝土粉末影響因子。

將五個試樣的A、B、C 及碳化深度速率代入可得以下方程組⑸：

通過Matlab 軟件，計算超定方程組⑸的最小二乘解，可得經(jīng)驗公式如式⑹：

根據(jù)五個試樣碳化深度的計算公式，計算出相應(yīng)齡期的碳化深度值，并與試驗碳化深度值進(jìn)行對比，繪制對比圖，見圖14。

圖14 碳化深度計算值與試驗值的對比圖

從圖14 可以看出，五個試樣的碳化深度計算值與試驗值絕對誤差小，說明碳化深度計算值與試驗值貼合度較高，經(jīng)驗式⑹較好地反映了膠凝材料配比變動時自密實(shí)再生混凝土的早期碳化性能，能夠用于預(yù)測自密實(shí)再生混凝土的碳化深度變化趨勢。

3 結(jié)論與展望

⑴采用單一變量法，考察由水泥、粉煤灰及廢棄混凝土粉末構(gòu)成的膠凝材料對自密實(shí)再生混凝土碳化性能的影響。試驗結(jié)果表明：膠凝材料中水泥占比越高，自密實(shí)再生混凝土的抗碳化能力越強(qiáng)；當(dāng)膠凝材料中水泥占比一致時，摻加廢棄混凝土粉末的碳化性能比摻加粉煤灰的差；膠凝材料中水泥、粉煤灰與廢棄混凝土粉末的比例為2:1:1 時，自密實(shí)再生混凝土的碳化性能與不使用廢棄混凝土粉末時相近。

⑵結(jié)合理論與經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建了自密實(shí)再生混凝土碳化深度的預(yù)測模型，通過碳化深度計算值與試驗值的對比發(fā)現(xiàn)，預(yù)測模型較好地反映了膠凝材料配比變動時自密實(shí)再生混凝土的早期碳化性能，能夠用于預(yù)測自密實(shí)再生混凝土的碳化深度變化趨勢。

⑶本試驗此次以膠凝材料比例為變量來考察其對自密實(shí)再生混凝土碳化性能的影響，但是再生粗、細(xì)骨料等因素也對其碳化性能有影響，后期的研究將以此次研究結(jié)論為基礎(chǔ)，繼續(xù)考察其他眾多因素對自密實(shí)再生混凝土碳化性能的影響機(jī)理。