碳化再生骨料對港口再生混凝土力學強度及耐久性能的影響

吳林鍵，管 理，楊 曦，李婷婷，胡紅玲，袁 希

(1.重慶交通大學 國家內(nèi)河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；3.四川省交通勘察設計研究院有限公司，成都 610017)

混凝土作為應用最廣泛的建筑材料，其在生產(chǎn)過程中會排放大量的CO2，降低混凝土原材料的使用對減少全球CO2的排放至關重要。但隨著城市化進程的加快，基礎設施建設對混凝土原材料需求量巨大，與此同時伴隨著產(chǎn)生的廢棄混凝土數(shù)量與日俱增，預計到2025年我國大陸上廢棄混凝土的總量將到達約28億t[1]。針對廢棄混凝土的處理我國現(xiàn)仍以堆放、埋填為主，嚴重影響到周邊生態(tài)環(huán)境，推進廢棄混凝土的資源化利用已迫在眉睫。再生骨料混凝土(RAC)技術[2]被認為是能夠解決廢棄混凝土問題的最有效措施，但利用廢棄混凝土破碎、篩分生產(chǎn)的再生骨料(RCA)不可避免附著老砂漿和老舊界面過渡區(qū)(OITZ)[3]，使得RCA及其RAC的力學強度、耐久性能等較天然骨料(NCA)及其混凝土(NAC)更差，加之如海洋環(huán)境等惡劣服役環(huán)境下由于氯離子侵蝕所引發(fā)的沿海港口碼頭鋼筋混凝土結構長期性能劣化等問題[4]，嚴重制約了RCA及其RAC在沿海港口建設發(fā)展中的應用。針對RCA及其RAC的改性提升是推廣其在港口海岸工程領域中應用的關鍵。

目前，利用CO2碳化改性RCA的技術因其具有良好的改善效果和環(huán)境效益已成為RCA改性研究的熱點[5]。RCA老砂漿及OITZ含有水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(CH)、水化硅酸鈣(C-S-H)及未水化的水泥顆粒等物質，在有水存在情況下上述成分會與通過孔隙滲透進來的CO2氣體發(fā)生化學反應，生成密實性產(chǎn)物碳酸鈣(CaCO3)、硅膠(SiO2·nH2O)等[6]，其固相體積相比于原有組分可增加11%～12%[7]，進而提高RCA及其RAC的性能。已有研究著重致力于RCA最優(yōu)碳化環(huán)境的探索，F(xiàn)ang等[8]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)利用CO2碳化RCA的最優(yōu)CO2濃度值為40%～60%。Richardson[9]指出相對濕度也會對RCA碳化改性效果造成影響，相對濕度最優(yōu)值在40%～70%的區(qū)間范圍。然而，RCA自身屬性因素(包括顆粒粒徑、含水率等)對碳化再生骨料(CRCA)及其再生混凝土(CRAC)性能的影響往往被忽略。

為了探究在固定加速碳化環(huán)境下，骨料含水率、粒徑對RCA碳化改性效果的影響，通過制備確定強度等級的母混凝土試件并經(jīng)破碎篩分和預處理后，得到設定工況下的RCA樣品。通過開展標準碳化條件下RCA的加速碳化試驗，測試不同碳化時間下CRCA質量的變化以及碳化完全的CRCA表觀密度、吸水率，探究碳化過程中CRCA的質量增益時變規(guī)律，分析RCA自身屬性因素(包括骨料含水率、粒徑)對其碳化改性效果的影響。隨后，根據(jù)水工混凝土配合比設計規(guī)范制備得到包括NCA、RCA、CRCA三種不同骨料來源的混凝土試件，通過測試其抗壓強度、RCM氯離子擴散系數(shù)，分析CRCA對港口再生混凝土力學強度及耐久性能的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料及預處理

再生骨料自身屬性(含水率、粒徑等)是影響其碳化效果的關鍵因素，為了能在已知RCA自身屬性指標前提下開展加速碳化試驗，需預先制備確定強度等級的母混凝土試件。試驗采用PO 42.5標號的普通硅酸鹽水泥、細度模數(shù)為2.6的河砂作為細骨料、公稱粒徑為5～25 mm連續(xù)級配的天然碎石作為粗骨料(表觀密度為2.7×103kg/m3)，具體配合比見表1。

表1 母混凝土配合比

母混凝土試件在標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱中初凝養(yǎng)護1 d后，再經(jīng)28 d浸飽和Ca(OH)2溶液養(yǎng)護后，實測得其立方體試件的抗壓強度為54.15 MPa，符合C50混凝土強度標準。母混凝土試件經(jīng)鄂式碎石破碎機和震擊式標準振篩機破碎、篩分后得到粒徑分別為5～10 mm、10～20 mm、20～25 mm的RCA。為探究含水率對RCA加速碳化效果的影響，需要對各個粒徑下的RCA進行預處理，本次試驗考慮了兩個不同狀態(tài)下RCA的含水率，即自然狀態(tài)(試樣的原始狀態(tài))、完全干燥狀態(tài)。采用鼓風干燥箱在105℃環(huán)境下烘干至恒重，制備得到完全干燥狀態(tài)的RCA試樣。在碳化前需要對RCA初始物理性能進行測定，包括表觀密度、吸水率以及不同粒徑下不同狀態(tài)的含水率，具體物理性能指標見表2。

表2 骨料初始物理性能

1.2 再生骨料加速碳化試驗

在對不同粒徑的RCA進行預處理并測定其含水率值后，開始進行對RCA的加速碳化試驗。試驗采用混凝土碳化箱在預設定的標準碳化環(huán)境下進行，其中CO2氣體濃度為20%±5%，環(huán)境溫度為20℃±5℃，相對濕度為70%±5%，保持自然環(huán)境壓力條件。RCA在加速碳化過程中需對其不同碳化時間下的質量變化進行監(jiān)控，測試流程如下：

(1)制備兩個含水率狀態(tài)下三種不同粒徑的RCA試樣，每組工況分3個平行樣，共計6組18份試樣；

(2)每份試樣初始質量稱取500 g，同時放置于混凝土碳化箱中；

(3)RCA開始碳化后，間隔一定時間后對每份試樣的質量進行測試并記錄，碳化初期測試需要更頻繁，碳化直到試樣質量基本保持不變時再結束；

(4)將CRCA試樣用干燥箱在105℃環(huán)境下烘干至恒重并記錄相應的質量。

采用碳化率ε量化RCA的碳化程度

(1)

式中：△Me和△Mt分別表示RCA的實際質量增益和理論質量增益，△Me通過稱量CO2碳化前后的RCA樣品來測得，△Mt為粘附于再生骨料表層的水泥砂漿對CO2最大理論吸收量，計算公式為[10]

(2)

式中：Mc、Ms、Ma分別為水泥、砂、粗骨料在母混凝土中所占比重(質量百分比，見表1)；Q為RCA碳化前含水率；CO2%max為普通硅酸鹽水泥捕獲CO2最大理論量，可根據(jù)水泥的氧化物含量計算[11]

CO2%max=0.785(CaO-0.7SO3)+1.091MgO+1.420Na2O+0.935K2O

(3)

文獻資料表明[8]，普通硅酸鹽水泥的CO2%max為46.03%～57.77%，本試驗近似取CO2%max=50%。同樣，在RCA碳化結束后，測試CRCA試樣的表觀密度、吸水率。從圖1可以看出，通過對碳化前的RCA試樣和碳化后的CRCA試樣滴定酚酞試劑，顯色反應由碳化前的紫紅色變?yōu)樘蓟蟮臒o色，說明碳化改變了RCA堿性特性。

1-a 碳化前的RCA試樣 1-b 碳化后的CRCA試樣

1.3 碳化再生骨料混凝土試件設計

為探究碳化再生骨料對港口再生混凝土力學強度及耐久性能的影響，制備同一水灰比下以NCA、RCA、CRCA三種不同骨料為原料的混凝土試件，即：NAC、RAC、CRAC，選取完全干燥狀態(tài)的RCA來制備CRCA，其配合比詳見表3，其中使用的水泥和細骨料與制備母材混凝土的原材料一致，NAC、RAC和CRAC的粗骨料分別采用公稱粒徑為5～25 mm連續(xù)級配的NCA、RCA、CRCA?？紤]到RCA的高吸水特性[12]，為減少其對新拌RAC和CRAC的和易性、力學性、耐久性的影響，需要對RCA和CRCA進行預飽水處理，令其有效配合比一致[13]。RCA、CRCA的預飽水時間為1 d，拌和前對其進行瀝干處理。各類混凝土試驗試件的制備及養(yǎng)護流程與母混凝土試件一致。在三種混凝土試件養(yǎng)護完成后，每組試樣制備3個100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試件進行28 d抗壓強度測試；每組試樣制備3個直徑100 mm、高50 mm的圓柱體混凝土試件進行氯離子擴散系數(shù)測試。

表3 新拌混凝土配合比

2 母材對碳化再生骨料物理性能的影響

2.1 顆粒粒徑

同一含水率下不同粒徑RCA質量隨碳化時間的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，無論是干燥態(tài)碳化還是自然態(tài)碳化，各粒徑下的RCA整體質量隨碳化時間均呈現(xiàn)為先快速增長后平緩增長至幾乎不變的趨勢；當碳化時間約104 h時，CRCA的質量基本保持不變。粒徑對RCA碳化速度的影響明顯：在碳化前期，最小粒徑級配5～10 mm的RCA質量增長速度最快，最大粒徑級配20～25 mm的RCA質量增長速度最慢，由于粒徑越小的RCA其比表面積越大，與碳化介質CO2和水分的接觸面積更大，與此同時生成的碳化產(chǎn)物對后續(xù)碳化反應的阻礙作用也更小，故粒徑越小的RCA其整體碳化速度優(yōu)于粒徑大的RCA顆粒。

2-a 干燥態(tài)碳化 2-b 自然態(tài)碳化

同樣，粒徑對RCA碳化程度影響明顯，無論是干燥態(tài)碳化還是自然態(tài)碳化，在0～104 h的碳化齡期中，粒徑為5～10 mm的RCA質量差異最大，這是由于RCA是由母混凝土破碎而成，粒徑越小的顆粒大都是多孔砂漿顆粒，而粒徑越大的顆粒大都為表層覆裹著砂漿層的原生NCA，其可碳化物質少于粒徑小的顆粒，且由于原生NCA的存在，整體密實程度更高，CO2和水分通過RCA毛細孔隙滲透到內(nèi)部更難，導致其碳化難度加大。

不同粒徑RCA經(jīng)碳化后的質量增益百分比結果見表4，進一步按式(2)計算得到的RCA碳化率如圖3所示。由圖3可知，20～25 mm粒徑級配下干燥態(tài)和自然態(tài)的RCA碳化率分別為12.40%、7.14%，小于其他粒徑級配下的RCA碳化率，同樣表明RCA粒徑越大，可碳化物質的減少和整體密實程度的增大導致了碳化反應越難以發(fā)生。

表4 RCA質量增益百分比

圖3 不同粒徑下RCA的碳化率

2.2 含水率

同一粒徑下不同含水率RCA質量隨碳化時間的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，無論粒徑大小，各碳化時間下干燥狀態(tài)的RCA質量增長程度明顯優(yōu)于自然狀態(tài)，說明了干燥狀態(tài)下的RCA在碳化過程中對CO2和水分的吸收更為充分，這是因為存在一個從外部碳化環(huán)境向RCA內(nèi)部傳遞方向的濕度梯度，干燥態(tài)下的濕度梯度比自然態(tài)下的濕度梯度更大，水分攜帶著CO2進入內(nèi)部孔隙更容易。從圖3的碳化率結果可知，每個粒徑下干燥態(tài)碳化率高于自然態(tài)，兩個含水率狀態(tài)下碳化率最大差值為最小粒徑級配5～10 mm的13.34%，最小差值為中間粒徑級配10～20 mm的1.37%，這意味著含水率越小對小顆粒粒徑的RCA碳化改性更加有益。

4-a 粒徑5～10 mm 4-b 粒徑10～20 mm 4-c 粒徑20～25 mm

從圖2兩個含水率狀態(tài)下RCA整體質量變化趨勢也可以發(fā)現(xiàn)，干燥態(tài)RCA質量變化趨勢相較于自然態(tài)更加明確，碳化過程中自然態(tài)RCA質量波動起伏程度較大，呈不穩(wěn)定的變化規(guī)律，分析原因認為是濕度梯度引起的水分交換和碳化反應耦合造成的。干燥態(tài)的RCA內(nèi)外濕度梯度方向明確，由于碳化開始時本身的含水率為0，水分被吸收的同時由于碳化反應的發(fā)生也在被消耗，碳化反應后生成的產(chǎn)物密實了孔隙，可碳化空間隨碳化時間的推移在被進一步的縮小，直到碳化完全；而含水率高的自然態(tài)RCA(含水率為3%～5%，見表2)由于碳化前自身含有一定量的孔隙溶液，在碳化過程同時伴隨著外部水分的滲透，并且碳化反應還伴隨著有水的生成，內(nèi)外濕度梯度方向會存在著交替改變，由此引起的水分交換物理反應和一直進行的碳化化學反應相互影響，造成了RCA質量的不穩(wěn)定變化。

經(jīng)實測，不同類型骨料的表觀密度和吸水率如圖5所示。由圖5可知，相較于未碳化的RCA，在碳化104 h后CRCA的表觀密度和吸水率均有一定程度的改善，碳化后的CRAC表觀密度得以提升，吸水率降低，這是因為碳化產(chǎn)物密實了RCA孔隙，改善了內(nèi)部疏松多孔的形貌，但CRCA整體物理性能仍不及NCA。除此之外，自然態(tài)碳化在表觀密度和吸水率物理性能指標上整體呈現(xiàn)出更優(yōu)的現(xiàn)象，與前文關于質量和碳化率指標的評價不一致(干燥態(tài)碳化更優(yōu))，經(jīng)分析認為原因主要在于：多次的烘干處理(干燥態(tài)RCA在碳化前、后均有烘干處理)對再生骨料自身物質結構造成了一定程度的熱損傷。

圖5 不同骨料的表觀密度和吸水率

3 碳化再生骨料對再生混凝土性能的影響

3.1 塌落度

NAC、RAC和CRAC的塌落度測試結果如圖6所示。由圖6可知，NAC的塌落度最小，為10 mm，RAC和CRAC的塌落度均高于NAC，這是因為在拌和之前對RCA和CRCA進行了預飽水處理，拌和過程中有更多的自由水留在了砂漿中。而CRAC的塌落度比RAC高出了20%，這是由于碳化改性RCA降低了其吸水率，多出的自由水也留在了砂漿中，增大了其塌落度。

圖6 NAC、RAC和CRAC塌落度

3.2 抗壓強度

NAC、RAC和CRAC的28 d立方體抗壓強度如圖7所示。由圖7可知，同一水灰比下RAC和CRAC的立方體抗壓強度均小于NAC，其中RAC與NAC的立方體抗壓強度相對差值最大，達到了11.18%，這說明了RCA在制取過程中由于破碎等工藝會對自身的力學性能造成損傷，導致了RAC的力學強度不及天然骨料制備的NAC。CRAC的28 d立方體抗壓強度雖然不及NAC，但相較于RAC其抗壓強度增大了4.58%，表明碳化改性的CRCA對其CRAC的力學性能有一定程度提高，這是因為碳化產(chǎn)物密實了RCA孔隙，進而提高由低品質RCA制備的混凝土力學強度。

3.3 RCM氯離子擴散系數(shù)

NAC、RAC和CRAC的RCM氯離子擴散系數(shù)(DRCM)實測值如圖8所示。由圖8可知，同一水灰比下NAC的DRCM最低，相較于DRCM最高的RAC，二者之間的差異性達到了47.30%，這依舊可歸結于RCA的高吸水率和高孔隙率[14]。表2指出了RCA的吸水率大約是NCA的10倍，疏松多孔的RCA提供了更多的氯離子滲透通道，導致RAC的耐久性較NAC更低。CRAC的DRCM雖高于NAC，但相較于RAC低了22.02%，表明碳化改性的CRCA對CRAC的耐久性能有一定程度改善，這是因為碳化產(chǎn)物密實了RCA孔隙，降低了其孔隙率，與此同時碳化反應還對RAC的新老界面過渡區(qū)均有改善。

4 結論

通過對不同粒徑下干燥態(tài)和自然態(tài)兩種含水率的再生骨料進行加速碳化試驗，測試不同碳化時間CRCA質量以及碳化完全的CRCA表觀密度和吸水率，獲得碳化再生骨料質量隨時間的變化規(guī)律，對比分析不同粒徑、不同含水率的再生骨料完全碳化后其物理性能的改善程度。最后進行碳化再生骨料混凝土的抗壓強度和抗氯離子滲透性能試驗，將之與天然骨料混凝土、普通再生骨料混凝土進行對比分析，得到如下結論：

(1)在標準碳化環(huán)境下，各粒徑的再生骨料在100 h左右能碳化完全，其中最小粒徑級配5～10 mm的再生骨料顆粒其碳化速度和碳化程度最優(yōu)，表明碳化對小粒徑再生骨料的改性效果最好。

(2)含水率對再生骨料碳化速度和碳化程度存在較大影響，從再生骨料質量時變趨勢及碳化率指標分析可發(fā)現(xiàn)：各粒徑下的干燥態(tài)碳化均優(yōu)于自然態(tài)碳化，5～10 mm粒徑級配下兩個含水率狀態(tài)的碳化率相差最大為13.34%。干燥態(tài)碳化的再生骨料整體質量變化更趨于穩(wěn)定，說明再生骨料含水率越小，在碳化改性時對CO2和水分的吸收越有利。

(3)由于碳化產(chǎn)物密實了再生骨料孔隙，降低了吸水率，從而提高了碳化再生骨料混凝土的和易性、力學強度和抗氯離子滲透性。相較于普通再生骨料混凝土，碳化再生骨料混凝土的塌落度、抗壓強度分別提高了20%、4.58%，而RCM氯離子擴散系數(shù)降低了22.02%。

經(jīng)研究表明，影響再生骨料碳化改性的因素眾多，材料自身屬性因素和碳化環(huán)境因素均會影響再生骨料的碳化反應進程并最終影響其碳化改性效果，是一個復雜的過程，值得進一步研究，這對于再生骨料的改性研究工作具有重要意義。此外，碳化再生骨料混凝土在海洋服役環(huán)境下受氯離子長期侵蝕的耐久性問題是影響該材料在沿海港口工程建設中實際應用的關鍵，后續(xù)值得更深入研究。