废弃混凝土碳化再生砖的初步探索

冯琪

摘要：不同的碳化养护时间对碳化后的氢氧化钙试块的抗压强度有着显著影响。文章通过试验改变二氧化碳的养护时间来研究氢氧化钙试块的碳化性能。试验结果显示：随着养护时间的延长，碳化试块的抗压强度不断提高;但是当养护时间超过24h时，试块的抗压强度有下降趋势。经分析，抗压强度的提高一方面是由于碳化时间的延长，氢氧化钙不断地与二氧化碳反应生成碳酸盐胶凝材料（碳酸钙）及体积膨胀填充微小孔隙;另一方面是由于隨着碳化时间延长，碳化生成的碳酸钙逐渐由不稳定晶型向稳定晶型发生转变，这样也使得试块的抗压强度提高。而碳化时间过长，试块内部由于膨胀产生了原始微裂缝，这样导致了碳化试块的抗压强度呈降低趋势。

关键词：废弃混凝土;氢氧化钙;碳化;二氧化碳;碳酸钙

中图分类号：U416.03 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.012

文章编号：1673-4874（2019）10-0040-04

0引言

快速的城镇化进程，为城市带来了繁荣的经济面貌，而同时因功能不足、年限规定和老化等原因，拆除和扩建的市政道路也正以同样的速度为城市带来数以亿计的建筑垃圾。混凝土用量增加，而制备混凝土的砂、石和水泥等建筑材料正在逐年减少。为了缓解资源紧张的情况，各国大都采取“源头消减”和“产物循环再生”策略，即在建筑垃圾产生之前就采取相应的措施减少其排放量，对已产生的建筑垃圾则采用科学手段，制备成具有循环再利用功能的建筑材料，达到废弃处理、资源有效利用、减少污染和促进经济发展的效果。本文针对市政道路改扩建铣刨产生的废弃混凝土进行“低温分离”，将分离得到的再生细骨科和再生细粉进行碳化制备形成再生砖。

矿物固碳作为一种固碳方法已经得到了广泛认可，但是目前进行的大量研究主要集中在提高矿物碳化效率上，如Ah-Hyung Alissa Park等人通过化学处理的方式来提高蛇纹石的碳化效率;Andre van Zomeren等人对钢渣中矿物的滤取对碳化效率的影响进行了研究。然而这些单纯为了提高碳化效率而进行的研究未考虑碳化后产物的利用，必然会提高矿物固碳的成本。因此，为了充分利用碳化后的产物，本试验首先对氢氧化钙进行碳化，不仅仅考虑碳化效率这个指标，而且还对碳化后样品的抗压强度进行讨论，为碳化制品满足强度要求提供指导。

1试验

1.1 试验原料及方法步骤

试验原料有纯氢氧化钙和质量分数为99.9%的CO气体及蒸馏水。

试验所采用的试块均是在统一的用水量（粉末质量的12.5%）及同一种成型压力（5MPa）的条件下压制而成，每组成型8个试块。碳化过程中反应釜中气体压力保持恒定（0.25MPa），湿度保持在75%。以不同碳化时间作为变量，将成型好的试块碳化至设定时间，碳化时间分别为1min、2min、5min、10min、20min、30min、60min、90min、120min、180min、720min、1d、3d及28d。将碳化好的试块取3块进行烘干前强度测试，结果取测试平均值。为了避免碳化试块进一步碳化，将另外5块放入干燥皿中，进行低温烘干（50℃）48h。烘干之后取出试块对其中3块进行抗压强度试验，其余试块留作微观形貌测试使用。

1.2 表征方法

本试验主要有：碳化试块抗压强度采用WDW-50KN微机控制万能试验机进行测试，压力加载速率为2mm/min，同时还利用环境扫描电子显微镜（ESEM）对碳化后的试块进行微观形貌观察。

碳化程度用氢氧化钙碳化转变率来表示，计算方法如式（1）：

2 试验结果

图1所示为氢氧化钙碳化转变率随时间的变化曲线。从图中可以看出，氢氢化钙试块碳化主要集中在24h内，当碳化时间继续延长时，碳化进行得非常缓慢，碳化24h与28d的碳化转变率分别为85.14%与92.57%。

试块抗压强度试验结果如图2所示。随着碳化时间的延长，试块的碳化效率在逐渐提高，随之试块的抗压强度也不断增加。通过对不同碳化时间烘干前后试块抗压强度的对比可以发现，烘干后试块强度要明显高于烘干前，而且通过对比图2（b）中两条曲线的斜率可以发现，当碳化时间在60min内时，烘干前后试块抗压强度变化要比碳化超过100min的试块明显。

3 试验分析

本试验选用扩散控制碳化模型，碳化过程如图3所示。固体矿物碳化开始后，矿物颗粒表面首先与CO接触，反应生成碳酸钙层将未碳化颗粒包裹，使得碳化进程受阻，因此碳化转变为扩散控制。本试验虽然在样品制备的过程中将氢氧化钙与水进行拌合，但是用水量很小，适用于固体碳化扩散控制模型。

根据上述碳化模型及氢氧化钙碳化转变率随时间变化结果可知，当碳化时间超过24h后，碳化颗粒表面形成的碳酸钙产物层阻碍了二氧化碳的扩散，这是使得碳化速率下降的主要原因。另一个导致碳化速率变缓的原因是在整个碳化过程中反应釜内的湿度保持在75%左右，随着碳酸钙产物层厚度逐渐增加，未碳化部分与水的接触越来越困难，而在本试验条件下，氢氧化钙与CO发生反应必须有水存在，因此碳化速率降低。

为了进一步解释试块抗压强度随着碳化时间延长呈先提高再降低的趋势的原因，利用SEM对碳化试块的微观形貌进行了观察。图4分别为碳化：10min、180min与28d的SEM对比图，从图中可以发现当碳化时间为10min时，生成了不规则形貌的碳酸钙，且强度不高，然而对比烘干前后强度可以很明显地发现，烘干后试块强度提高了137.5%;而当碳化时间为28d时，烘干后强度仅仅提高了66.3%。其主要原因是碳化时间短，生成了不稳定的碳酸钙，在烘干之前强度低，而烘干之后，虽然产物已经转变为稳定的方解石型碳酸钙，但是特殊形貌的碳酸钙仍有利于抗压强度的提高，符合文献中指出的特殊形貌对试块抗压强度有着重要影响。

对比图4（b）与图4（C）可以发现，由于碳化时间长，图4（C）中生成的碳酸钙表面出现了裂缝，这是由于在氢氧化钙向碳酸钙转变的过程中体积膨胀了17%。雖然图4（b）中未发现裂缝，是因为在碳化初期，生成的碳酸钙产物主要起到填充试块空隙的作用，而当碳化时间达到28d时，根据前文提出的碳化控制扩散模型，碳化由外及至地逐渐进行，碳化产物层包裹的氢氧化钙继续碳化将会导致产物层的胀裂，产生原始微裂纹导致强度降低。所以，当碳化时间过长时，虽然氢氧化钙的碳化转变率有略微的提高，但是试块的抗压强度却产生了比较明显的降低。

4 拓展试验

将“低温分离”得到的再生细集料和再生细粉按照质量比3：1进行混合，加入12.5%的水，在恒定压力（5MPa）的条件下压制成型，每组10个试件。碳化过程中反应釜中气体压力保持恒定（0.25MPa），湿度保持在75%，碳化时间为60min。碳化后试样在（20±2）℃和（50±5）%的相对湿度下保持24h。按GB/T4111-2013中附录A（HB<0.6）的要求进行强度试验，所得试验结果见表1。

从表1结果可得出抗压强度平均值为7.8MPa，变异系数为9.5%，抗压强度最小值为6.7MPa，满足GB 13545-2003中MU7.5的强度等级要求。由废弃混凝土低温分离工艺得到的再生细集料和再生细粉，主要成分是砂、石屑、C-S-H和AFt等，在砂和石屑外层包裹的界面层有少量AFm和CH，通入CO后界面层更好地将砂和石屑进行包裹和粘结，使得再生砖的整体性能更好。

5结语

通过以上结果及分析可以得出以下结论：

（1）当成型压力为5MPa时，氢氧化钙试块碳化主要集中于前24h，碳化24h与28d的碳化转变率分别为85.14%与92.57%。

（2）氢氧化钙碳化由外及至在氢氧化钙颗粒表面形成碳酸钙产物层，随着碳化时间的不断延长，由于生成的碳酸钙摩尔体积大于氢氧化钙，产生膨胀，对碳酸钙产物层造成不利影响，导致28d碳化龄期的试块抗压强度要低于比其碳化转变率更低的碳化24h的试块，它们抗压强度分别为32.1MPa与40.6MPa。

（3）由废弃混凝土分离得到的再生细集料和再生细粉能够制备形成强度等级合格的碳化再生砖。