再生粗骨料碳化處理對混凝土力學(xué)性能影響研究

顧凱文 楊 柳 敖清文

(貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測咨詢有限公司 貴陽 550000)

隨著我國城市化快速發(fā)展，廢舊建筑物改建和拆除過程產(chǎn)生的大量建筑垃圾多以隨意堆放、直接填埋等粗放手段處理，不僅對環(huán)境造成污染，且占用大量土地資源[1-4]。而再生混凝土技術(shù)可以解決上述問題，甚至可以解決當(dāng)前天然砂石資源面臨枯竭的難題，具有較大的經(jīng)濟(jì)潛力和社會(huì)效益。

再生骨料是指由建(構(gòu))筑物中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等經(jīng)粉碎、篩分、分級(jí)而成，按一定比例混合后，滿足不同使用要求的骨料。與天然骨料相比，再生骨料存在孔隙率高、吸水率高、壓碎指標(biāo)高、密度低等特征，導(dǎo)致再生混凝土力學(xué)性能普遍低于天然混凝土[5-7]。故為提高再生混凝土質(zhì)量，首要從提高再生骨料品質(zhì)角度入手。為了提高再生混凝土的性能，須對簡單破碎獲得的低品質(zhì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理，即通過改善骨料粒形和除去再生骨料表面所附著的硬化水泥石，提高骨料的性能。主要預(yù)處理方式有：再生骨料裹漿處理、聚合物浸漬再生骨料、機(jī)械法去除再生骨料附著舊砂漿等手段[8]。以上方法均在一定程度上可改善再生骨料品質(zhì)，然而也存在一定副作用或局限性。另外，有學(xué)者[9]采用CO2強(qiáng)化再生骨料，取得較好效果。當(dāng)前碳化處理尚未作為再生骨料強(qiáng)化的主流手段，與其他強(qiáng)化技術(shù)相比，CO2強(qiáng)化技術(shù)成本較低，對再生骨料改善效果明顯，且屬于環(huán)境友好型技術(shù)，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。

再生骨料碳化處理指將再生骨料置于碳化室，通過調(diào)節(jié)碳化壓力和碳化持續(xù)時(shí)間控制再生骨料碳化質(zhì)量。本文通過調(diào)節(jié)碳化持續(xù)時(shí)間(0，30和60 min)、碳化壓力(0，0.75和1.5 bar),以及碳化再生骨料替代率(0%，50%和100%)，研究再生粗骨料碳化處理對混凝土力學(xué)性能影響，并通過壓汞法分析混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，從而揭示碳化處理對混凝土力學(xué)性能作用機(jī)理。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1) 水泥。采用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥主要技術(shù)性能

2) 骨料。細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.5的天然河砂，表觀密度為2.638 g/cm3。粗骨料采用5～25 mm的連續(xù)級(jí)配天然碎石和再生骨料，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粗骨料主要技術(shù)性能

3) 減水劑。采用聚羧酸減水劑，減水率高達(dá)25%，摻量為水泥質(zhì)量1.0%。

4) 水。采用自來水作為拌和用水。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)JGJ 55-2011 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20。混凝土水泥用量為630 kg/m3、水灰比為0.4、砂率為30%。混凝土配合比及再生骨料碳化處理過程見表3和表4。為保證配合比一致性，天然、再生粗骨料均烘干后進(jìn)行拌和、試驗(yàn)。

表3 混凝土配合比 kg/m3

表4 再生骨料碳化處理過程

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB 50080-2002 《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采用坍落度法測試混凝土工作性。用于抗壓強(qiáng)度測試試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm；用于測試抗折強(qiáng)度試樣尺寸為150 mm×150 mm×550 mm；用于測試彈性模量測試試樣尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。

從測完力學(xué)性能后破碎試樣的中間區(qū)域，挑選出水泥石與集料黏結(jié)部分，烘干后浸入無水乙醇3～5 d，選取距離粗集料表面5 mm內(nèi)水泥石用于壓汞法測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工作性

圖1為基準(zhǔn)混凝土(NAC)、再生骨料混凝土(RAC)及碳化再生骨料混凝土(RACCO2)坍落度測試結(jié)果。

圖1 混凝土坍落度

由圖1可見，RAC(50-0-0、100-0-0)坍落度分別為150 mm和140 mm，與NAC(0-0-0)相比，RAC坍落度明顯降低，且再生骨料替代率越高，混凝土坍落度越低。當(dāng)RACCO2替代率為50% 時(shí)，碳化處理對混凝土坍落度影響不明顯，當(dāng)RACCO2替代率為100%時(shí)，RACCO2(100-30-0.75，100-30-1.5，100-60-0.75和100-60-1.5)坍落度均在190 mm以上波動(dòng)。這是因?yàn)椋孩偬蓟幚斫档驮偕橇衔剩瑢?dǎo)致拌合物游離水增加，進(jìn)而坍落度提高；②碳化處理阻止水分以標(biāo)準(zhǔn)體積進(jìn)入混凝土，多余水分滯留在水泥和砂之間，增大局部水灰比，導(dǎo)致混凝土坍落度較大。結(jié)果表明，碳化壓力和碳化時(shí)間對再生骨料混凝土坍落度無明顯影響。

2.2 力學(xué)性能

圖2～4分別為NAC、RAC及RACCO2在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，以及彈性模量測試結(jié)果。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3 混凝土抗折強(qiáng)度

圖4 混凝土彈性模量

2.2.1抗壓強(qiáng)度

由圖2可見，再生骨料經(jīng)較低碳化壓力(0.75 bar)處理后，RACO2在50%替代率時(shí)，RACCO2表現(xiàn)出較大抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度分別為35.12 MPa(50-30-0.75)和34.95 MPa(50-60-0.75)。結(jié)果表明，碳化持續(xù)時(shí)間越長，再生混凝土抗壓強(qiáng)度提升效果越明顯。這是因?yàn)樘蓟掷m(xù)時(shí)間越長，再生骨料吸收CO2量越多，參與與水泥水化產(chǎn)物CH反應(yīng)的CO2量越多，填充混凝土孔隙效果越明顯，再生混凝土在宏觀上表現(xiàn)出較高的抗壓強(qiáng)度。與再生骨料經(jīng)0.75 bar碳化壓力處理混凝土相比(50-30-0.75和50-60-0.75)，再生骨料經(jīng)1.5 bar高碳化壓力處理的混凝土(50-30-1.5和50-60-1.5)抗壓強(qiáng)度降低。這是因?yàn)樘蓟瘔毫υ礁?，CO2以更快的速度進(jìn)入再生骨料內(nèi)部，部分質(zhì)量較差的再生骨料被高碳化壓力壓碎，因此宏觀上呈現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度降低。結(jié)果表明，低碳化壓力有利于改善再生骨料混凝土強(qiáng)度。

RACO2在50%替代率時(shí)，RACCO2混凝土抗壓強(qiáng)度從高到低依次為35.12 MPa(50-60-0.75)，35.01 MPa(50-30-0.75)，32.5 MPa(50-60-1.5)和31.8 MPa(50-30-1.5)，結(jié)果表明，RACCO2在50%骨料取代率時(shí)，碳化壓力對改善再生混凝土強(qiáng)度更明顯，碳化壓力越高，再生混凝土抗壓強(qiáng)度反而越低；另外，由圖2可知，碳化持續(xù)時(shí)間越長，混凝土強(qiáng)度越高。與50% 替代率RACCO2不同，100%替代率 RACCO2抗壓強(qiáng)度主要受碳化持續(xù)時(shí)間影響，混凝土抗壓強(qiáng)度從高到低依次為100-60-1.5，100-60-0.75，100-30-0.75和100-30-1.5。

2.2.2抗折強(qiáng)度

由圖3可見，當(dāng)RACO2替代率為50%時(shí)，RAC(50-0-0)具有較大抗折強(qiáng)度，甚至超過基準(zhǔn)混凝土；其中，50-30-0.75和50-60-0.75混凝土抗折強(qiáng)度分別為4.25 MPa和4.20 MPa。而再生粗骨料替代率為100%的RAC(100-0-0)抗折強(qiáng)度僅為2.51 MPa，表現(xiàn)出最差的抗折強(qiáng)度。表明再生骨料碳化壓力越低和碳化持續(xù)時(shí)間越長，混凝土抗折強(qiáng)度越好，表明低碳化壓力和長碳化持續(xù)時(shí)間有助于提高混凝土黏結(jié)性能。

RACO2為50%替代率時(shí)，RACCO2混凝土抗折強(qiáng)度從高到低依次為4.42 MPa(50-30-0.75)，4.40 MPa(50-60-0.75)，4.18 MPa(50-60-1.5)和3.96 MPa(50-30-1.5)，結(jié)果表明，再生骨料取代率為50%時(shí)，碳化壓力對再生混凝土抗折強(qiáng)度提升更明顯，碳化壓力越高，再生混凝土抗折強(qiáng)度越低。與RACO2為50% 替代率時(shí)不同，當(dāng)RACO2為100%替代率時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度主要受碳化持續(xù)時(shí)間影響，混凝土抗折強(qiáng)度最高為3.98 MPa(100-60-1.5)，抗折強(qiáng)度最低為3.01 MPa(100-30-1.5)。

2.2.3彈性模量

由圖4可見，與RAC相比，再生混凝土彈性模量呈現(xiàn)急劇下降趨勢，且再生骨料替代率越高，混凝土彈性模量越低，100%再生骨料替代率混凝土(100-0-0)彈性模量為22.1 GPa，較基準(zhǔn)混凝土降低了41.1%，表明再生骨料碳化處理可一定程度上改善混凝土彈性模量。

與混凝土其他力學(xué)性能類似，當(dāng)RACCO2替代率為50%時(shí)，混凝土彈性模量最高為34.95 GPa(50-30-0.75)表明，低碳化壓力可改善再生骨料品質(zhì)及再生混凝土彈性模量。具有100%替代率的RACCO2彈性模量由碳化持續(xù)時(shí)間和碳化壓力共同決定。其中，100-60-0.75混凝土彈性模量為21.86 GPa，表現(xiàn)出最佳的彈性模量，隨之是彈性模量為21.83 GPa的100-60-1.5系列混凝土。結(jié)果表明，CO2處理可改善再生混凝土彈性模量，但改善效果低于抗壓、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能，這是因?yàn)榛炷翉椥阅Ａ亢艽蟪潭壬先Q于再生骨料孔隙率和密度，CO2處理改善再生骨料效果有限。

2.3 孔結(jié)構(gòu)分析

有文獻(xiàn)[10-11]將混凝土中的孔劃為：無害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(>50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。由于再生混凝土力學(xué)性能很大程度上取決于混凝土孔隙率和密實(shí)度，故本研究對混凝土進(jìn)行MIP測試，從而通過觀察混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，揭示宏觀力學(xué)性能特征。圖5～7為混凝土孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果。

圖5 總孔隙率

圖6 平均孔徑

由圖5和圖6可見，RAC總孔隙率和平均孔徑明顯高于NAC，碳化處理可明顯降低混凝土總孔隙率，且RACCO2平均孔徑分別為0.293 nm(50-30-0.75)，0.298 nm(50-30-1.5)，0.291 nm(50-60-0.75)和0.296 nm(50-60-1.5)，基本接近普通混凝土平均孔徑，表明再生骨料碳化處理可減少混凝土孔隙率，細(xì)化混凝土孔徑。

由圖7可見，50%替代率RACCO2碳化壓力越低，混凝土無害孔和少害孔比例越高，相應(yīng)地有害孔和多害孔比例越低；100%替代率RACCO2碳化持續(xù)時(shí)間越長，混凝土無害孔和少害孔比例越高，相應(yīng)地有害孔和多害孔比例越低。表明再生骨料碳化處理可優(yōu)化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，且低取代率(RA50%)時(shí)，碳化壓力為主要因素，高取代率(RA100%)時(shí)，碳化持續(xù)時(shí)間為主要因素。

圖7 混凝土各檔孔隙孔徑分布率

3 結(jié)論

1) 當(dāng)RACO2替代率為50%時(shí)，混凝土坍落度在140 mm左右波動(dòng)，當(dāng)RACO2替代率為100%，混凝土坍落度略大于190 mm，表明混凝土坍落度隨碳化再生骨料取代率提高而提高。

2) 碳化壓力越低，碳化持續(xù)時(shí)間越長，再生混凝土力學(xué)性能越高，表明較低碳化壓力和較長碳化時(shí)間有利于改善混凝土力學(xué)性能。此外，再生骨料替代率為50%時(shí)，碳化壓力為主導(dǎo)因素，而再生骨料替代率為100%時(shí)，碳化持續(xù)時(shí)間為主導(dǎo)因素。

3) 經(jīng)MIP測試結(jié)果可知，碳化處理再生骨料可優(yōu)化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物，細(xì)化孔徑，減小孔隙率，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)。

4) 試驗(yàn)表明，碳化處理對再生骨料混凝土的坍落度及力學(xué)性能有一定改善，在再生粗骨料的實(shí)際應(yīng)用及水泥混合料的設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮再生料摻量、碳化處理方式，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性綜合考慮碳化處理方案。