養(yǎng)護(hù)方式對(duì)再生混凝土抗碳化性能的影響

蔣建華，陳思安，趙克寒，余亞兵，朱照鈺

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024)

混凝土的耐久性是決定混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵因素之一。再生混凝土由于再生骨料的孔隙率大，內(nèi)部界面的多重性和復(fù)雜性，其耐久性能通常低于普通混凝土[1]。而碳化又是混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在的耐久性問題，尤其在我國(guó)南方地區(qū)，高熱高濕的環(huán)境加快了混凝土的碳化，大大降低了混凝土工程的使用年限。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土碳化性能進(jìn)行了多方面的研究。Liang等[2]研究了二氧化碳養(yǎng)護(hù)再生骨料混凝土在初始裂縫、凍融環(huán)境條件下的碳化行為；Leemann和Loser[3]研究了再生骨料取代率、含濕狀態(tài)及水泥品種對(duì)再生混凝土抗碳化性能的影響；丁亞紅等人[4-6]分別研究了玄武巖纖維、粉煤灰、氧化石墨烯等摻合料對(duì)再生混凝土抗碳化性能的影響；Tang和Mi等人[7-8]研究了荷載作用下的再生骨料混凝土碳化行為；Zhang等[9-13]開展了再生混凝土碳化深度的預(yù)測(cè)方法和模型研究?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)條件對(duì)其抗碳化性能也具有顯著影響。張文之和劉敏[14]的研究表明，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的粉煤灰混凝土的抗碳化能力大于經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)后的粉煤灰混凝土；王申等[15]研究了早期自然養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)鎳鐵渣混凝土抗碳化性能的影響；崔正龍等[16]研究了水中不同養(yǎng)護(hù)溫度、齡期條件下粉煤灰混凝土的抗碳化性能，結(jié)果表明相對(duì)較高溫度養(yǎng)護(hù)對(duì)提高混凝土抗碳化性能非常有利。

實(shí)際工程中，由于施工技術(shù)等限制，使得我國(guó)建筑施工中對(duì)于混凝土養(yǎng)護(hù)的重視程度不夠，關(guān)于養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土耐久性能的影響研究也不夠完善。因此，本文根據(jù)工程實(shí)際情況，重點(diǎn)研究不同養(yǎng)護(hù)方式下再生混凝土的抗碳化性能，以期為工程實(shí)際中再生混凝土的正確養(yǎng)護(hù)提供借鑒和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊，混凝土水灰比為0.40，考慮再生粗骨料取代率分別為0%(NC)、50%(RAC-50)、100%(RAC-100)，具體配合比見表1所示。水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；普通粗骨料采用碎石，粒徑5～15 mm，骨料壓碎值為16%；再生粗骨料由廢棄建筑物混凝土破碎制成，粒徑5～15 mm，骨料壓碎值為21%；細(xì)骨料采用河砂(中砂)，細(xì)度模數(shù)為2.7；拌合水為普通自來水。

表1 混凝土試件配合比 (單位：kg/m3)

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

混凝土試件的制作采用普通塑料模具進(jìn)行，混凝土澆筑24 h后脫模，然后將試件置于溫度(20±2)℃，采用工程實(shí)際中最普遍的三種養(yǎng)護(hù)方式對(duì)試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別為灑水養(yǎng)護(hù)、覆膜養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)。灑水養(yǎng)護(hù)采取每隔24 h進(jìn)行一次灑水作業(yè)；覆膜養(yǎng)護(hù)采用的是工程混凝土養(yǎng)護(hù)膜，LLDPE透明材質(zhì)；養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)采用工程混凝土成膜養(yǎng)護(hù)劑，一種新型高分子制劑，主要成分為硅酸鈉，其水溶液俗稱水玻璃，混凝土試件脫模后，將養(yǎng)護(hù)劑用噴壺均勻噴涂于混凝土試件表面，當(dāng)水分蒸發(fā)到一定程度，能迅速形成一層無色、不透水的薄膜，可阻止混凝土試件中的水分蒸發(fā)，從而達(dá)到養(yǎng)護(hù)混凝土的目的。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 加速碳化試驗(yàn)

混凝土試件的加速碳化試驗(yàn)利用全自動(dòng)混凝土碳化試驗(yàn)箱完成。碳化環(huán)境條件設(shè)定為溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(70±5)%、CO2濃度(20±3)%，碳化齡期設(shè)定為7、14、21和28 d。混凝土碳化深度的測(cè)試采用化學(xué)試劑法，將碳化后試件在萬能壓力試驗(yàn)機(jī)上劈裂破型，清除試件斷面上的粉末，噴濃度為1%的酚酞酒精溶液，約30 s后，按原先標(biāo)劃的每10 mm一個(gè)測(cè)量點(diǎn)用鋼尺測(cè)出各點(diǎn)碳化深度；將某試件不同點(diǎn)位的碳化深度平均值作為該試件的碳化深度測(cè)量值，最后取三個(gè)試件碳化深度測(cè)量值的平均值作為該組試件的碳化深度代表值。

1.3.2 吸水特性試驗(yàn)

混凝土滲透性與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過吸水特性試驗(yàn)得到的毛細(xì)吸水系數(shù)可以反映混凝土滲透性差異，進(jìn)一步對(duì)比不同養(yǎng)護(hù)方式下再生混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)?；炷恋奈匦栽囼?yàn)采用測(cè)重法，以各時(shí)刻試件吸水前后的質(zhì)量差作為計(jì)算指標(biāo)。首先將養(yǎng)護(hù)完成后的立方體試件放入干燥箱(105 ℃)烘至恒重，除底面外的其余面使用鋁箔膠帶進(jìn)行密封處理，測(cè)量記錄各試件的初始質(zhì)量M0；然后將處理好的試件進(jìn)行持續(xù)吸水，開始每間隔1 h測(cè)試一次試件質(zhì)量M(t)，連續(xù)測(cè)試7 h后，改為每間隔1 d稱重一次，直至7 d測(cè)試齡期結(jié)束。最后，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算混凝土試件的單位面積累積吸水量I(t)，進(jìn)而利用I(t)與吸水時(shí)間的關(guān)系曲線確定毛細(xì)吸水系數(shù)S，具體的關(guān)系式如公式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：M(t)為t時(shí)刻的試件質(zhì)量(kg)；M0為試件初始質(zhì)量(kg)；t為時(shí)間(h)；A為與水接觸的橫截面面積(m2)；I(t)為吸水時(shí)間t時(shí)刻單位截面面積上的累積吸水量(kg/m2)；S為毛細(xì)吸水系數(shù)(kg/m2/h0.5)。

2 碳化試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 碳化深度

2.1.1 再生粗骨料取代率的影響

隨著碳化齡期的增長(zhǎng)，三種養(yǎng)護(hù)方式下混凝土碳化深度隨再生粗骨料取代率的變化如圖1所示。

根據(jù)圖1可以看出再生粗骨料取代率越大，再生混凝土碳化深度越大。RAC-100、RAC-50再生混凝土的28 d碳化深度，在灑水養(yǎng)護(hù)條件下，分別為普通混凝土的1.24、1.15倍；覆膜養(yǎng)護(hù)條件下，分別為普通混凝土的1.26、1.17倍；養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)條件下，分別為普通混凝土的1.28、1.09倍。同時(shí)也可以看出隨著碳化齡期的增長(zhǎng)，再生混凝土碳化深度的增長(zhǎng)速率逐漸變慢。以養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)為例，RAC-100再生混凝土14 d的碳化深度較7 d增長(zhǎng)了32.90%；21 d較14 d增長(zhǎng)了25.34%；28 d較21 d增長(zhǎng)了14.30%。

2.1.2 養(yǎng)護(hù)方式的影響

隨著碳化齡期的增長(zhǎng)，不同再生粗骨料取代率下三種養(yǎng)護(hù)方式對(duì)再生混凝土碳化深度的影響如圖2所示。

圖2表明在其他條件不變的情況下，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下混凝土的碳化深度最小，灑水養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)下混凝土的碳化深度依次增大。NC在養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)條件下28 d碳化深度分別為灑水養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)的87.49%和86.66%；RAC-50在養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)條件下28 d碳化深度分別為灑水養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)的91.98%和87.37%；RAC-100在養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)條件下28 d碳化深度分別為灑水養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)的93.68%和92.20%。

2.1.3 再生混凝土碳化深度擬合模型

基于上述試驗(yàn)結(jié)果的分析，針對(duì)不同養(yǎng)護(hù)方式，確立考慮再生骨料取代率及碳化齡期影響的再生混凝土碳化深度擬合模型基本形式如公式(3)所示。

(3)

式中：dc為再生混凝土碳化深度(mm)；δ為再生粗骨料取代率(%)；t為碳化齡期(d)；A與B均為試驗(yàn)常數(shù)。

利用基本公式(3)對(duì)三種養(yǎng)護(hù)方式下的再生混凝土碳化深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同養(yǎng)護(hù)方式下的再生混凝土碳化深度擬合模型，見公式(4)。

圖1 混凝土碳化深度隨再生粗骨料取代率的變化Fig.1 Change of carbonation depth of concrete with the replacement rate of recycled coarse aggregate

圖2 混凝土碳化深度隨養(yǎng)護(hù)方式的變化Fig.2 Change of carbonation depth of concrete with curing methods

R2=0.965

R2=0.871

R2=0.984

(4)

然后在公式(4)的基礎(chǔ)上，通過引入養(yǎng)護(hù)方式影響系數(shù)，建立考慮再生骨料取代率、養(yǎng)護(hù)方式以及碳化齡期影響的再生混凝土碳化深度統(tǒng)一模型，如公式(5)所示。

(5)

式中：ξc為養(yǎng)護(hù)方式影響系數(shù)，灑水養(yǎng)護(hù)、覆膜養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)條件下的取值分別為1.14、1.16和1.01，其余符號(hào)含義同前。

公式(5)即為本文得到的考慮再生骨料取代率、養(yǎng)護(hù)方式以及碳化齡期影響的，水灰比0.40、環(huán)境溫度20 ℃、CO2濃度20%條件下的再生混凝土碳化深度擬合模型。經(jīng)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，誤差基本都在15%以內(nèi)，平均誤差為9.48%，模型擬合度較好。

2.2 碳化反應(yīng)區(qū)

Lu等人[17-18]的研究表明普通骨料混凝土碳化后存在完全碳化區(qū)、部分碳化區(qū)(pH值變化區(qū))和未碳化區(qū)(向內(nèi)pH值較高的穩(wěn)定區(qū))。本試驗(yàn)采用pH計(jì)測(cè)定再生混凝土碳化后橫斷面不同深度位置砂漿粉末試樣水溶液pH值，根據(jù)pH值隨深度的變化劃分再生混凝土碳化區(qū)。

2.2.1 不同再生粗骨料取代率工況

以灑水養(yǎng)護(hù)方式為例，不同再生粗骨料取代率混凝土碳化28 d后砂漿溶液的pH值測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同再生粗骨料取代率混凝土橫斷面pH值分布Fig.3 Distributions of pH of concrete with different replacement rates of recycled coarse aggregate

由圖3可知，對(duì)于灑水養(yǎng)護(hù)方式下的普通混凝土(NC)，距離碳化表面0～5.8 mm深度范圍，pH值基本穩(wěn)定在8.3左右，該區(qū)域?yàn)橥耆蓟瘏^(qū)深度；5.8～15.2 mm深度范圍，pH有一個(gè)較大的上升幅度(由8.3升至12.3)，該區(qū)域?yàn)椴糠痔蓟瘏^(qū)；深度大于15.2 mm時(shí)，pH基本穩(wěn)定在12.3左右，該區(qū)域?yàn)槲刺蓟瘏^(qū)。不同再生粗骨料取代率條件下灑水養(yǎng)護(hù)混凝土的各碳化區(qū)尺寸如表2所示。

表2 基于pH值的混凝土碳化區(qū)劃分(不同取代率工況)Tab.2 Division of concrete carbonization zone based on pH value (different replacement rate conditions)

從表2可以看出隨著再生粗骨料取代率的上升，混凝土部分碳化區(qū)尺寸逐漸增大，同時(shí)其碳化前沿深度也不斷增加。與NC相比，RAC-50的部分碳化區(qū)尺寸和碳化前沿深度相對(duì)增幅分別為7.5%和23.7%，RAC-100的部分碳化區(qū)尺寸和碳化前沿深度相對(duì)增幅分別為21.3%和55.3%。這表明再生骨料取代率對(duì)混凝土抗碳化性能影響顯著，再生骨料取代率越高，混凝土抗碳化能力越弱。

2.2.2 不同養(yǎng)護(hù)方式工況

不同養(yǎng)護(hù)方式下，RAC-100混凝土碳化28 d后不同深度區(qū)間的砂漿溶液pH值測(cè)試結(jié)果如圖4，對(duì)應(yīng)的混凝土各碳化區(qū)尺寸劃分如表3所示。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)方式混凝土橫斷面pH值分布Fig.4 Distributions of pH of concrete with different curing methods

表3 基于pH值的混凝土碳化區(qū)劃分(不同養(yǎng)護(hù)方式工況)Tab.3 Division of concrete carbonization zone based on pH value (different curing methods conditions)

根據(jù)表3可知，與灑水養(yǎng)護(hù)試件相比，覆膜養(yǎng)護(hù)試件的部分碳化區(qū)尺寸增加了5.6%，碳化前沿深度增加了7.6%；而養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)試件的部分碳化區(qū)尺寸減小了12.9%，碳化前沿深度減小了12.3%。這表明養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土抗碳化能力也具有顯著影響，本文研究的三種養(yǎng)護(hù)方式中，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)對(duì)再生混凝土的抗碳化能力提升效果最明顯，灑水養(yǎng)護(hù)次之，覆膜養(yǎng)護(hù)的提升效果最小。

3 養(yǎng)護(hù)方式及再生骨料取代率的影響機(jī)理分析

混凝土的吸水速率與其內(nèi)部孔隙率、孔徑大小、孔隙連通性等密切相關(guān)，通過吸水特性試驗(yàn)可以對(duì)比不同養(yǎng)護(hù)方式及再生粗骨料取代率下的混凝土試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差異，進(jìn)而分析兩者對(duì)再生混凝土抗碳化性能的影響機(jī)理。

3.1 養(yǎng)護(hù)方式的影響

再生骨料取代率一定的條件下，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)方式養(yǎng)護(hù)28 d混凝土進(jìn)行吸水試驗(yàn)，三種取代率工況混凝土單位面積吸水量與時(shí)間的平方根關(guān)系及毛細(xì)吸水系數(shù)如圖5—圖7所示。

不同再生粗骨料取代率混凝土單位面積吸水量與時(shí)間的平方根之前近似呈現(xiàn)出兩階段線性關(guān)系，取曲線前期的線性段斜率計(jì)算得到混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)，可以定量化反映表層混凝土吸水速率的快慢。在再生粗骨料取代率相同的條件下，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)最小，灑水養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)下混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)依次增大。NC在養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)條件下毛細(xì)吸水系數(shù)分別為灑水養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)的85.32%和81.50%；RAC-50在養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)條件下毛細(xì)吸水系數(shù)分別為灑水養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)的85.19%和72.93%；RAC-100在養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)條件下毛細(xì)吸水系數(shù)分別為灑水養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)的81.51%和78.57%。這一規(guī)律與不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土碳化深度所反映出的混凝土微觀結(jié)構(gòu)差異保持一致。此外可以看出隨著取代率增加，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下的再生混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)增長(zhǎng)速率要小于灑水養(yǎng)護(hù)與覆膜養(yǎng)護(hù)下的情況。

圖5 NC混凝土毛細(xì)吸水特性Fig.5 Capillary water absorption characteristics of NC concrete

圖6 RAC-50混凝土毛細(xì)吸水特性Fig.6 Capillary water absorption characteristics of RAC-50 concrete

圖7 RAC-100混凝土毛細(xì)吸水特性Fig.7 Capillary water absorption characteristics of RAC-100 concrete

圖8 混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)隨再生粗骨料取代率的變化Fig.8 Change of capillary water absorption coefficient of concrete with the replacement rate of RCA

3.2 再生粗骨料取代率的影響

三種養(yǎng)護(hù)方式下，混凝土養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的毛細(xì)吸水系數(shù)隨再生粗骨料取代率變化如圖8所示。

在本文研究的三種再生粗骨料取代率工況下，混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)隨再生粗骨料取代率的增加近似呈線性增大。RAC-100、RAC-50的毛細(xì)吸水系數(shù)，在灑水養(yǎng)護(hù)條件下，分別為普通混凝土的1.32、1.11倍；覆膜養(yǎng)護(hù)條件下，分別為普通混凝土的1.31、1.24倍；養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)條件下，分別為普通混凝土的1.26、1.11倍。這一規(guī)律與再生粗骨料取代率對(duì)混凝土碳化深度的影響規(guī)律基本一致。

4 結(jié)論

1) 混凝土碳化深度隨再生粗骨料取代率的增加而增大；在其他條件恒定的情況下，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)、灑水養(yǎng)護(hù)和覆膜養(yǎng)護(hù)下混凝土的碳化深度依次增大。

2) 混凝土部分碳化區(qū)尺寸及碳化前沿深度與再生粗骨料取代率正相關(guān)，灑水養(yǎng)護(hù)條件下，隨著再生骨料取代率增大，再生混凝土部分碳化區(qū)尺寸和碳化前沿深度增加，且取代率越大增幅也越大。與灑水養(yǎng)護(hù)RAC-100試件相比，覆膜養(yǎng)護(hù)試件的部分碳化區(qū)尺寸和碳化前沿深度分別增大5.6%和7.6%，而養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)試件兩者分別減小12.9%和12.3%。

3) 混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)隨取代率增加逐漸增大，這一規(guī)律與不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土碳化深度所反映出的混凝土微觀結(jié)構(gòu)差異保持一致；同一取代率下，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)最小、密實(shí)性最好，且隨取代率增加，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)對(duì)再生混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)增加的抑制作用要逐漸優(yōu)于灑水養(yǎng)護(hù)與覆膜養(yǎng)護(hù)。