荷载作用下绿色再生混凝土碳化行为及其微观机理研究

黄小红，高燕蓉

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130012;2.常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213002;3.江苏城工建设科技有限公司，江苏常州213011)



荷载作用下绿色再生混凝土碳化行为及其微观机理研究

黄小红1,2，高燕蓉3

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130012;2.常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213002;3.江苏城工建设科技有限公司，江苏常州213011)

摘要：文章以强度等级C30绿色再生混凝土为目标，以高强的道路废弃混凝土为骨料来源，通过对试件施加弯曲荷载和采用快速碳化方法，确保循环骨料的代表性，将二次循环后的Ⅱ级再生骨料替代天然砂石制备高品质绿色再生混凝土。研究了弯曲荷载作用下绿色再生混凝土碳化行为，并采用电镜扫描SEM分析，通过比较内部微观形貌，探讨了绿色再生混凝土碳化后的微观机理。

关键词：再生混凝土；荷载；碳化；微观机理

0引言

再生混凝土技术已被认为是发展生态绿色混凝土，实现建筑资源环境可持续发展的主要措施之一。相比普通的再生混凝土，高性能再生混凝土具有强度高、体积稳定性好、耐久性好、自密实性好等优良性能[1-2]，将再生骨料掺入高性能混凝土制备出高性能再生混凝土，不仅能克服再生混凝土的缺陷，更能提高再生混凝土的应用层次与比例。高性能再生混凝土是绿色混凝土发展的必然趋势。

国内外学者对再生混凝土的碳化进行了大量研究，取得了较为丰硕的成果[3-6]，但大多仅从碳化的单一影响因素[7-12]入手，而基于荷载、环境因素(如氯离子侵蚀、冻融、硫酸盐侵蚀等)分析再生混凝土碳化性能的研究成果十分缺乏。为弥补不足，本文主要研究弯曲荷载作用下绿色再生混凝土碳化行为规律与失效机理，研究结果不仅可以直接指导再生混凝土的设计与工程应用，而且可以为新建再生混凝土结构的耐久性设计与维护提供理论依据，同时还能揭露在役再生混凝土结构潜在的危险，为业主提供准确的信息，以便及时做出维修加固或拆除的决定，对于完善和发展再生混凝土结构理论体系和工程应用具有重要的作用。

1绿色再生混凝土制备

1.1循环再生骨料

为保证绿色再生骨料的来源具有代表性，使其尽量与实际使用情况相似，本试验以高强度的道路废弃混凝土作为循环再生混凝土的基底骨料来源，将废弃混凝土破碎后的粗骨料100%取代天然粗骨料后，制备一次循环混凝土试件，养护28 d后进行应力为70%的破坏荷载加载和60 d快速碳化。将一次循环混凝土试件采用相同的程序制备二次循环混凝土。由二次循环混凝土制备的循环骨料具体性能见表1。

表1　循环粗、细骨料性能

注：骨料种类FC表示一次再生粗骨料；FF表示一次再生细骨料；SC表示二次再生粗骨料；SF表示二次再生细骨料。

两次循环过程中再生粗、细骨料性能比对《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)和《混凝土和砂浆用再生细骨料》(GB/T 25176—2010)，本试验的再生粗骨料可达II级及以上品质。

1.2配合比优化设计

为保证再生混凝土的质量，本次C30再生混凝土试件均根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)和《再生混凝土应用技术规程》(DG/TJ 08—2018—2007)进行配合比优化设计。其中，掺入粉煤灰40%，矿渣15%，硅粉8%，聚丙烯0.1%，引气剂0.1%，减水剂0.5%(胶凝材料质量百分数)。二次再生粗细骨料掺量分别为：30%～70%，级差20%；10%～30%，级差10%。具体配合比见表2。

表2　优化配合比　kg/m3

注：C5F1表示二次循环再生粗骨料掺量为50%，二次循环再生细骨料掺量10%，其余类推；AN表示基准混凝土。

2工作性与抗压强度

本试验制备绿色循环再生混凝土过程中，通过控制减水剂用量以确保坍落度值符合100～150 mm的设计目标，且拌和后的绿色循环再生混凝土具有良好的工作性，其流动性、保水性和黏聚性均较好，无泌水离析现象，强度均较高。具体坍落度和抗压强度见表3。

表3　绿色再生混凝土的抗压强度值与坍落度

本试验制备的高性能循环再生混凝土坍落度较好，且28 d抗压强度也较高，60、120 d长期抗压强度呈现较好的增长趋势。采用平行数据分析后发现C3F2试件的工作性及抗压强度为最佳，即当二次再生粗细骨料的取代率分别为30%和20%时，绿色再生混凝土品质处于最佳状态。

3荷载作用下绿色再生混凝土碳化行为

3.1试验过程

本试验过程中以C3F2作为荷载作用下绿色再生混凝土碳化行为的研究对象，弯曲应力水平分为中应力水平(40%和70%的破坏荷载)和高应力水平(100%和120%破坏荷载)。将加载好的绿色再生混凝土试块放置于快速碳化箱，快速碳化箱中CO2质量分数为(20±3)%，湿度为(70±5)%，温度为(20±2) ℃。而后，测试7、14、21、28 d后的碳化深度，碳化深度检测以彩虹指示剂为检测手段。

3.2试验结果与讨论

本组试件无取代率的变化，因此无需单独分析取代率对绿色再生粗细骨料混凝土的碳化影响，仅考虑不同弯曲应力水平下绿色再生粗细骨料混凝土碳化深度与碳化速率的变化规律，以及不同弯曲应力水平下绿色再生粗细骨料混凝土碳化深度的经时变化规律，考虑应力作用对Fick第一定律中碳化系数的影响。

从图1可以发现，碳化深度随碳化时间增长基本呈线性增长，符合Fick第一定律。同时，可发现应力水平的变化对碳化深度增长的影响较大，且随着应力水平的增长(除40%破坏荷载水平)，碳化深度不断加深，相对于无应力水平试件的碳化，应力水平为40%、70%、100%和120%破坏荷载水平的平均碳化深度增长率分别为-3.7%、9.8%、10.1%和3.1%。同样，表4表明当应力水平高于中等应力水平，碳化速率随应力水平增大而加快，相对于无应力的碳化速率，应力水平为40%、70%、100%和120%破坏荷载水平时的碳化速率分别增大了-3.8%、6.0%、18.9%和22.3%。

图1　不同应力水平下碳化深度经时变化规律

总而言之，40%破坏荷载应力水平下的碳化深度和碳化速率均小于无应力水平下的碳化深度和碳化速率，这可能是由于当试件受到适当的荷载作用，双掺循环再生粗细骨料混凝土中的微小孔洞有部分闭合，因而减少了CO2进入混凝土试件的通道，降低了碳化的速率并减小了碳化深度。

表4　不同应力下碳化深度和碳化速度系数

3.3弯曲荷载作用下碳化失效分析

混凝土本身是一种多孔的介质，而二次循环再生骨料制备的混凝土内部孔隙更多。单掺循环再生细骨料混凝土的碳化是多种物理化学反应的叠加，其过程主要由CO2在混凝土中的气相扩散决定，从混凝土的表面逐渐向深处发展。双掺循环再生粗细骨料混凝土构件在不同应力下碳化的速率有很大差异，封金财等[13]对拉应力作用下不同单掺再生混凝土的碳化效果进行分析，发现对单掺循环再生细骨料混凝土试件施加一定的荷载会促进内部微细裂缝的发展，使CO2更易扩散。但是，当荷载达到中应力水平时，单掺循环再生细骨料混凝土中的微细裂缝开始闭合或裂缝宽度开始减小，从而抑制单掺循环再生细骨料混凝土中碳化的发展。当然，若荷载超过一定限制时，会导致再生混凝土内部有新的裂纹发展，甚至促进旧的裂纹再次扩展，从而加速碳化的进程，其内部是否按所描述般发展，需要用微观结构加以证实。本文对施加不同弯曲应力并经碳化测试后的C3F2试件进行SEM电镜扫描，图2为中高弯曲应力水平下的微观结构图。

(a)40%破坏荷载水平

(b)70%破坏荷载水平

(c)100%破坏荷载水平

(d)120%破坏荷载水平

图2(a)为40%破坏荷载水平下的微观图，此时混凝土内部孔隙较多，且将图放大后可看到其中有少量细小的微裂缝存在。图2(b)为加载70%破坏荷载应力水平的微观图，相较于图2(a)，其孔隙明显减少，且微裂缝也不明显，减少了气相CO2进入混凝土内部的途径。图2(c)可以明显看到一条微裂缝，且在其周围分布了较多碳化后产生的CaCO3和SiO2晶体(在图2(c)的左半侧)。图2(d)的左上角和右下角存在更多的微裂缝，这些微裂缝较为集中，稍稍呈现树枝状开裂。图2(c)和(d)中的试件由于加载的应力较大，其内部微裂缝较另外2个应力水平下的试件更多且较密，这便使CO2进入混凝土内部易如反掌，从而加速碳化向其内部发展。

总而言之，荷载对绿色再生混凝土碳化的影响主要取决于在不同应力水平下其内部微裂缝的发展，若施加中等应力水平荷载，微裂缝会趋于闭合或宽度减小；若施加较大应力水平荷载，则会加速微裂缝的扩展，且会形同树枝状，由某一点开始向脆弱的接合面(如新老砂浆接合面)发展。

4结论

本文主要针对弯曲荷载作用下绿色再生混凝土碳化发展规律及其微观结构分析，由此得到以下结论：

1)道路及桥梁等单一高强废弃混凝土二次循环利用后，其绿色再生品质仍能达到II级。将该类再生骨料以双掺的形式替代天然骨料后，绿色再生混凝土的工作性及抗压强度较好，略微逊色于基准混凝土。

2)荷载对绿色再生混凝土碳化的影响主要取决于在不同应力水平下其内部微裂缝的发展，适当的应力可使其内部部分微小缝隙孔洞处于闭合状态，从而减小CO2的侵蚀机率；反之，施加高应力水平的荷载会加速微裂缝的扩展，裂缝形同树枝状，由某一点开始向脆弱的接合面(如新老砂浆接合面)发展。

[参考文献]

[1]彭冲.再生混凝土材料高温、碳化和受弯构件受弯性能试验研究[D].厦门：华侨大学,2011.

[2]万超.再生陶瓷粗骨料混凝土基本力学性能与碳化试验研究[D].厦门：华侨大学,2009:108.

[3]朱映波.再生混凝土的耐久性及其改善措施[J].混凝土，2004(7):31-33.

[4]丁浩然,王清远.再生混凝土的耐久性及其改进措施[J].四川建筑，2007(21):194-197.

[5]魏应乐.再生混凝土的耐久性及控制措施研究[J].混凝土，2010(1)：81-85.

[6]肖林峰.再生混凝土界面结构性质研究[J].山西建筑，2010(26)：152-153.

[7]阮雪琴,赵全振.再生混凝土耐久性及界面结构性质研究[J].绿色建筑,2013(1):55-60.

[8]毛添钿.再生粗骨料混凝土耐久性试验研究[D].南昌：南昌大学,2009.

[9]XIAO Jianzhuang,LEI Bin,ZHANG Chuanzeng.On carbonation behavior of recycled aggregate concrete [J].Science CHINA Technological Sciences,2012(9):2609-2616.

[10]陈小芳,李绛峰.再生混凝土基本性能研究及存在的问题[J].山西建筑,2013(7):118-119.

[11]贾淑明,赵永花,姚旭.再生混凝土技术的发展及应用[J].中国建材科技,2013(1):22-25.

[12]刘玉莲,曹明莉,张会霞.再生混凝土耐久性研究进展[J].混凝土,2013(4):94-97.

[13]封金财,高燕蓉,朱平华.不同拉应力作用下水平下循环再生细骨料混凝土碳化行为研究[J].混凝土,2015(11):56-60.

责任编辑：唐海燕

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.03.001

收稿日期：2016- 01-14

作者简介：黄小红(1974—)，女，高级工程师。

中图分类号：TU528

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)03- 0001- 05

Carbonization Behavior of Green Recycled Concrete and Its Micro Mechanism Under the Action of Load

HUANG Xiaohong1,2,GAO Yanrong3

(1.Engineering College of Jilin University,Changchun 130012;2.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002;3.Jiangsu Chenggong Construction Technology Co.,Ltd.,Changzhou 213011)

Abstract：Green recycled concrete in C30 strength grade was taken as the research target,and wasted high strength road concrete was used as aggregate source.To insure the representativeness of the recycled aggregate,bending load and rapid carbonization were applied to recycled concrete specimens.The recycled aggregates at level 2 were used to replace natural sand and gravel to cast high quality green recycled concrete.The carbonization behavior of green recycled concrete specimens under the action of bending load was studied,and its micro mechanism of green recycled concrete was also discussed through the scanning electron microscopy (SEM) analysis and a comparative study of internal microstructures.

Key words：recycled concrete;load;carbonization;micro mechanism