加壓碳化再生混凝土粗骨料性能研究

蒲盛朋，孫毅，牟星明，龍科

（重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國的建筑垃圾已達數(shù)十億噸，其中廢棄的混凝土占相當(dāng)大的比例[1]。將建筑垃圾作為骨料來源生產(chǎn)再生骨料（RA），制備再生骨料混凝土（RAC），是一項非常具有環(huán)保意義的工作。然而再生骨料物理和力學(xué)性能不如天然骨料，導(dǎo)致再生骨料混凝土性能相對常規(guī)混凝土有所不足。而加壓碳化預(yù)處理骨料，不僅可以提升骨料性能，還可以將二氧化碳固化到骨料中，符合“碳達峰、碳中和”的國家戰(zhàn)略。

拆除廢棄建筑物后產(chǎn)生的混凝土，經(jīng)過破碎篩分后得到再生混凝土骨料，可以替換混凝土制作過程中的天然骨料[2]，達到減少使用天然骨料的目的。但僅僅經(jīng)簡單破碎、篩分處理得到的再生骨料比天然骨料密度更低、孔隙率更大、吸水率更高、壓碎指標更高[3-4]，這對所制備的再生混凝土多項性能指標產(chǎn)生顯著的不利影響。再生骨料的加壓碳化處理技術(shù)[5-6]能夠顯著填充再生骨料的表面孔隙，從而降低吸水率，提高表觀密度。碳化還能改善耐久性，因為反應(yīng)產(chǎn)物堆積在再生骨料內(nèi)部，使得骨料致密化，阻礙了氯離子向混凝土中滲透，碳化骨料混凝土的抗氯離子滲透性可得到一定提升[7]。碳化效果還與濃度有關(guān)，較高濃度的CO2碳化能使骨料的壓碎指標和吸水率均得到更大程度的改善[9]。

本文針對再生混凝土粗骨料（RCA）采用加壓碳化處理，基于48h、72h、96h、144h四種不同的碳化時間，研究骨料的吸水率和壓碎指標，并對比不同碳化時間下改性混凝土的性能指標。

1 試驗材料和方法

1.1 原材料

本文所采用的RCA來自重慶市沙坪壩區(qū)某建成約30年的拆遷現(xiàn)場，將房屋拆除后獲得的廢棄混凝土，破碎篩分后形成RCA，再用5~10mm、10~15mm、15~20mm三種規(guī)格按2:7:1的級配混合。將上述級配的RCA分別碳化48h、72h、96h、144h，未碳化的RCA為對照試樣。

1.2 試驗方法

1.2.1 骨料碳化處理方法

再生骨料在碳化爐中完成碳化，該碳化爐最大設(shè)計壓強為0.53MPa，容積為0.14m3。碳化爐如圖1a所示。碳化時，先將再生粗骨料置于碳化爐中的格柵上，用密封圈密封后用螺栓壓緊蓋子；打開真空泵，排出碳化爐內(nèi)的空氣，抽至爐內(nèi)氣壓為-0.1MPa；然后打開進氣閥，用氣瓶充入99.5%濃度的CO2加壓到0.5MPa，采用減壓閥保持CO2的通入和氣壓的穩(wěn)定。

圖1 主要試驗設(shè)備

1.2.2 吸水率和壓碎指標測試方法

吸水率測試參照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法》（JGJ 52—2006）。先加水浸泡骨料，至水面高出試樣5mm左右，24h后從水里取出，擦拭骨料表面使之飽和面干后根據(jù)質(zhì)量變化計算骨料的吸水率。

壓碎指標測試同樣參照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法》。先挑除針片狀骨料，然后將剩余骨料放入圓筒內(nèi)，左右交替顛擊地面各25下使其稍密實，蓋上加壓頭，在量程30t的萬能試驗機（型號為WAW-300B，圖1b）上，以1kN/s的加載速度加壓到200kN，穩(wěn)定5s后卸載。從萬能機上取下圓筒，篩取大于2.5mm粒徑的骨料，根據(jù)重量計算得到試樣的壓碎指標。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生骨料的吸水率

圖2是不同碳化時間骨料的吸水率?？梢钥闯龉橇辖?jīng)過碳化處理以后，吸水率均較未碳化的明顯降低，且碳化時間越長，吸水率越低，但超過96h后有小幅升高。碳化96h的骨料吸水率最低，相比未碳化骨料降低了24.4%。該現(xiàn)象也驗證了高濃度CO2與再生粗骨料孔隙中的部分鈣礬石晶體、Ca(OH)2反應(yīng)生成碳酸鈣晶體和無定型的硅膠，降低了粗骨料的表面孔隙率，因而降低了吸水率。

圖2 吸水率

然而碳化144h的骨料吸水率反而相對96h有9.4%的增長，說明過度延長碳化時間并不能一直降低骨料的吸水率。推測原因是反應(yīng)物CaO·2SiO2·3H2O和Ca(OH)2不斷被消耗，反應(yīng)逐漸減緩，生成的CaCO3繼續(xù)與CO2和H2O反應(yīng)生成Ca(HCO3)2，消耗了生成的CaCO3。

2.2 壓碎指標

圖3是不同碳化時間骨料的壓碎指標。壓碎指標在碳化48h時最低，相比未碳化組降低了4.27%；碳化96h的壓碎指標最高，相比未碳化組增加了10.19%；碳化144h后骨料的壓碎指標有下降趨勢。隨著碳化時間的增加，骨料孔隙中的固相體積不斷增加，放入圓筒中的骨料比表面積改變，受壓面積改變，壓碎指標則會有一定幅度的變化。

圖3 壓碎指標

2.3 骨料加壓碳化機理

與天然骨料相比，RCA表面附著有老舊砂漿，還有破碎時造成的大量微裂紋，因此RCA孔隙率大、強度低，從而導(dǎo)致了再生混凝土強度降低。當(dāng)再生骨料經(jīng)過碳化增強后，部分鈣礬石晶體、Ca(OH)2與CO2發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鈣，填補了內(nèi)部的部分空隙，使其制備的再生混凝土內(nèi)部空間更加致密。RCA表面附著的老砂漿中含有大量的Ca(OH)2和C-S-H凝膠等水泥水化產(chǎn)物，這些物質(zhì)相對天然骨料疏松，CO2可以相對容易地進入其中與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而促使其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，反應(yīng)方程式為：

上述反應(yīng)生成的碳酸鈣以及無定型硅膠均能增大固相體積，填充孔隙，降低骨料吸水率，提高再生骨料的相關(guān)性能[9]。

3 結(jié)論

本文對RCA進行了4種不同加壓碳化時間的預(yù)處理，然后對骨料進行了吸水率和壓碎指標測試，研究發(fā)現(xiàn)96h的改性再生混凝土吸水率最小，48h壓碎值最小。結(jié)論如下：

（1）碳化時間在96h前，吸水率隨碳化時間的增加逐漸降低，96h時相比未碳化降低了24.34%；在96h后吸水率有增加趨勢，碳化144h相比96h增大9.42%。說明碳化處理后的骨料吸水率均比未碳化處理骨料吸水率低，總趨勢為逐漸下降；但碳化96h后吸水率有上升趨勢說明持續(xù)延長碳化時間并不能一直增加骨料的物理性能，過度碳化吸水率會反向增加；

（2）碳化時間在48h時壓碎指標相比未碳化降低4.27%，48h后壓碎指標有上升趨勢；碳化96h的RCA相比未碳化壓碎指標增加了10.19%，碳化96h的RCA相比碳化48h增加了15.11%；96h后壓碎指標有降低趨勢。說明加壓碳化處理能促進骨料強化，但過度碳化反而會增大壓碎指標；

（3）加壓碳化技術(shù)能改善再生骨料的吸水率和壓碎指標，對建筑固廢再利用的效率起到了非常顯著的提升作用，有利于建筑行業(yè)減少對天然骨料的需求，從而降低對自然環(huán)境的破壞。