粘附砂浆含量对再生骨料混凝土抗碳化性能的影响

王新杰，吴永康，朱平华

(常州大学土木工程系，常州 213164)

0 引 言

将废弃混凝土加工成再生骨料以制备结构用再生骨料混凝土是处理巨量建筑垃圾，减少环境负荷，实现可持续发展的有效手段，具有良好的经济、社会和环境效益[1]。此外，人们日益重视钢筋混凝土的耐久性，在提高工程寿命的同时，减少建筑垃圾的产生，实现环境保护和资源、能源的节约。

钢筋锈蚀是决定钢筋混凝土结构耐久性的主要因素，而碳化是导致混凝土内部钢筋锈蚀的主要原因之一[2]。碳化后的混凝土碱性下降，引起钢筋钝化膜破坏，外部保护层易发生开裂脱落，从而导致内部钢筋发生锈蚀，进而影响钢筋混凝土的耐久性。对于再生骨料混凝土，骨料质量是影响其抗碳化性能的关键因素之一[3]。相较天然骨料而言，再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate，RCA)在加工过程中会产生微裂缝，更利于流体的渗透、扩散和吸收[4]；同时再生粗骨料表面粘附的旧砂浆具有密度低、吸水率高等特点[5]，被广泛认为是导致再生骨料混凝土抗碳化性能较差的重要原因，这在一定程度上限制了再生骨料混凝土的实际应用。粘附砂浆含量作为再生粗骨料的重要参数之一，直接影响骨料的品质特征，以粘附砂浆含量为变量研究再生骨料混凝土的抗碳化性能，获得其相应的碳化性能规律，对推动再生骨料混凝土工程应用具有重要意义。

目前关于再生粗骨料粘附砂浆含量对再生骨料混凝土抗碳化性能的影响已经取得一些进展，崔正龙等[6]配制不同强度等级的再生骨料混凝土，发现因粘附砂浆的存在，其碳化深度均大于天然骨料混凝土；胡欣等[7]则对粘附砂浆含量小于35%(质量分数，下同)的再生粗骨料进行研究，发现再生骨料混凝土的碳化深度会随着粘附砂浆含量的增加显著增长，但是当粘附砂浆含量低于5%时，其对再生骨料混凝土各项性能影响较小。由上述研究成果可知，目前针对粘附砂浆含量研究的范围较小，且未考虑不同含量下再生骨料混凝土的碳化深度能否满足钢筋混凝土结构的耐久性指标。本文选取粘附砂浆含量为35%～45%的再生粗骨料，配制相同目标强度等级的再生骨料混凝土进行碳化试验，研究再生粗骨料粘附砂浆含量对再生骨料混凝土抗碳化性能的影响规律，评价该粘附砂浆含量下再生骨料混凝土能否满足结构用混凝土的抗碳化性能要求。

1 实 验

1.1 试验设计

再生粗骨料由商用混凝土经机械破碎后加工而成。选用5种不同粘附砂浆含量的再生粗骨料，分别用RCA1～RCA5表示，筛分粒径范围为4.75～20 mm，其性能如表1所示。天然粗骨料(NCA)采用常州4.75～20 mm的石灰石碎石，天然细骨料为常州河砂(中砂)，水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥，矿物掺合料为硅灰，减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

表1 骨料物理性能Table 1 Physical properties of aggregate

本试验混凝土设计目标强度为C40，配合比设计方法(见表2)选用高性能混凝土(HPC)配合比设计新法——全计算法[8]。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土碳化试验

混凝土快速碳化试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082—2019进行。试件为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体，标准养护后在60 ℃烘箱内干燥48 h，随后放入如图1所示的碳化箱内进行快速碳化试验，其中CO2浓度(20±3)%(体积分数，下同)，相对湿度(70±5)%，温度(20±2) ℃。在碳化龄期达到3 d、7 d、14 d、21 d、28 d时，用酒精酚酞溶液测量其碳化深度，如图2所示，未碳化区域呈紫色，已碳化区域不变色。

图1 碳化试验箱参数设定Fig.1 Parameters of carbonation test chamber

图2 碳化深度测量Fig.2 Carbonation depth measurement

1.2.2 粘附砂浆含量测量试验

选用热处理方法[9]测量再生粗骨料的粘附砂浆含量，该方法适用范围广，且更容易实现，测定结果的误差也较小，具体步骤如下：

(1)选取再生粗骨料样品，预先除去砖、沥青、塑料、木材等杂质。将样品浸入水中2 h，使附着的砂浆几乎完全饱和。

(2)将样品装在耐高温的坩埚中，然后放入高温烘箱中在600 ℃的温度下干燥2 h，随后将样品取出并及时浸入冷水中。这种加热过程使饱和砂浆中产生水蒸气，并且突然冷却会导致砂浆中产生应力和裂缝，因此容易除去粘附砂浆。

(3)经上述步骤之后，大块砂浆可以轻松剥除，但仍有部分砂浆保持附着，必须通过橡胶锤锤击或刮擦表面将其除去。当除去所有砂浆后，用4 mm筛分样品，得到粗骨料。粘附砂浆含量按式(1)进行计算，精确至0.1%。

(1)

式中：η为粘附砂浆含量，%；M1为试样的质量，g；M2为试样剥除砂浆后的剩余质量，g。

2 结果与讨论

2.1 粘附砂浆含量对抗压强度的影响

天然骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete，NAC)和再生骨料混凝土的28 d标准养护抗压强度，在一定程度上决定其耐久性。再生骨料混凝土标准养护28 d的抗压强度与粘附砂浆含量之间的关系如图3所示，再生骨料混凝土的抗压强度明显低于天然骨料混凝土，强度下降幅度达到26%。当粘附砂浆含量在35%～45%时，再生骨料混凝土的抗压强度随着粘附砂浆含量的增加而降低，最大降幅达到了13.3%，且根据拟合曲线，随着粘附砂浆含量增加，再生骨料混凝土抗压强度下降的速率逐渐增大。这一方面是因为再生粗骨料在破碎制备过程中受到了损伤，其表面和内部产生了大量的微裂缝；另一方面是因为再生粗骨料含有旧砂浆，这会导致混凝土内部粘结力降低，且旧砂浆强度较低，随着再生粗骨料粘附砂浆含量的增加，再生骨料混凝土的整体强度受到影响而降低。

图3 再生骨料混凝土标准养护28 d的抗压强度与粘附砂浆含量之间的关系图Fig.3 Relationship between compressive strength of RAC after standard curing for 28 d and adsorbed mortar content

2.2 粘附砂浆含量对碳化深度的影响

图4(a)表示再生骨料混凝土及天然骨料混凝土快速碳化28 d的试验结果，各组混凝土试件的碳化深度均随碳化龄期的推移不断增大。五种再生骨料混凝土的碳化深度在全时段内均大于天然骨料混凝土，这是由于再生粗骨料表面附着水泥砂浆的物质渗透性较大[6]，且再生粗骨料内部具有较多的微裂缝，CO2更容易渗透到再生骨料混凝土中并进行扩散，加剧了再生骨料混凝土的碳化进程，导致混凝土抗碳化性能较差。

将五种再生骨料混凝土快速碳化28 d的碳化深度与骨料粘附砂浆含量拟合，结果如图4(b)所示。再生骨料混凝土28 d碳化深度最大为4.2 mm，达到天然骨料混凝土碳化深度的7倍，当粘附砂浆含量处于35%～45%时，碳化深度单调递增。这是因为再生粗骨料表面粘附砂浆较大的孔隙率为流体输送提供了通道，使其吸收了更多的CO2，加快了混凝土内部的碳化反应，从而导致碳化深度增大。再生粗骨料的粘附砂浆含量越大，制备的再生骨料混凝土具有的砂浆含量越大，导致可碳化物质增多，同时混凝土结构变得疏松，进一步增大再生骨料混凝土的碳化深度。

图4 (a)再生骨料混凝土碳化深度与碳化时间的关系图;(b)28 d碳化深度与粘附砂浆含量之间的关系图Fig.4 (a) Relationship between carbonation depth and carbonation time of RAC;(b) relationship between 28 d carbonation depth and adsorbed mortar content

2.3 粘附砂浆含量对碳化速率的影响

将试样的碳化深度与碳化时间平方根进行拟合，结果如图5所示。由拟合结果可知碳化深度与碳化时间的平方根成正比，相关系数均大于0.84，测得碳化深度符合Fick第一扩散定律。同时将扩散系数与粘附砂浆含量进行拟合，得到不同含量下的再生骨料混凝土，在进行碳化时的二氧化碳扩散系数：

图5 碳化深度与碳化时间平方根的关系图Fig.5 Relationship between carbonation depth and square root of carbonation time

Y=5.496 5×10-4X2-0.014 6X+0.106 3
R2=0.942 1

(2)

由图5可知，同时段内粘附砂浆含量越大，碳化速率也越大，这是因为较大砂浆含量的骨料在同时段内可以吸收更多的CO2与水，从而促进碳化反应。整体而言，碳化速率在碳化初期较大，随时间推移不断减小，这是由于随着碳化时间的增加，碳化产物不断填充混凝土内部的孔隙，从而减缓CO2的扩散速度，导致再生骨料混凝土的抗碳化性能略微增强，因此碳化速率随碳化龄期的增加而减小。

2.4 微观结构分析

再生骨料混凝土的碳化涉及复杂的化学反应，且由于旧砂浆的存在，再生骨料混凝土内部界面结构更加复杂，出现天然骨料与附着旧砂浆之间的界面、部分天然骨料与新砂浆之间的界面以及新旧砂浆之间的界面[10]。微观结构分析有利于更好地揭示再生骨料混凝土抗碳化耐久性变化规律。本文采用SEM分析再生骨料混凝土在28 d快速碳化试验中的微观结构变化情况，取NAC、RAC5碳化0 d(见图6(a)、(b))和RAC5碳化28 d时(见图6(c))的微观结构图。

由图6(a)、(b)可以看出，天然骨料混凝土中砂浆整体结构更加致密、均匀，而再生骨料混凝土砂浆整体结构较为疏松，孔洞较多，表面凹凸不平。骨料方面两者表面都无裂缝且较为平整。界面过渡区天然粗骨料与砂浆结合较为紧密，而再生粗骨料由于破碎制备过程中产生较多微裂缝，骨料与新砂浆结合处孔隙较多，再生骨料混凝土中旧砂浆与骨料之间的界面过渡区(Interfacial Transition Zone，ITZ)也较多[11]。

通过对RAC5碳化0 d、28 d的微观图进行分析，砂浆内部孔隙随着碳化进程不断缩小且分层得到改善。再生骨料混凝土碳化前骨料界面疏松，界面周围可见大量Ca(OH)2晶体[12]，碳化后骨料界面过渡区的微观结构变得致密，同时其周围分布较多碳化后产生的CaCO3和SiO2晶体。

由于再生粗骨料中存在旧ITZ和粘附砂浆，使得再生骨料混凝土本就比天然骨料混凝土更具渗透性[13]，而新ITZ的引入导致再生骨料混凝土中孔隙通道数量进一步增加[14]，从而加剧碳化反应。碳化过程中，CO2通过连通孔隙迅速进入混凝土内部，在孔隙周围发生碳化反应生成CaCO3晶体，并在孔壁上不断富集，阻塞孔隙，导致孔径及总孔隙率减小，混凝土结构更加密实，在一定程度上减缓了碳化进程，所以碳化速率随碳化龄期的增加而降低。

2.5 碳化模型算例分析

以碳化达到钢筋表面为准则，即碳化深度达到混凝土保护层厚度时钢筋受到锈蚀，以此来评价再生骨料混凝土抗碳化性能能否满足结构耐久性要求。但实验室快速碳化环境与自然环境具有差异性，须考虑室内加速碳化与自然环境下碳化的关系[15]：

(3)

(4)

式中:Cnatural、Caccelerated分别表示自然环境下与实验室内加速试验的碳化深度；T、R、σ、KCO2分别代表碳化深度的影响因素，即：温度、相对湿度、荷载应力水平、CO2浓度影响系数；t表示碳化时间；上标n与a分别代表自然环境与加速碳化环境。

肖建庄等[16]基于各国学者的28组试验数据回归得到了RAC碳化深度数学模型，提出了符合程度较好的再生骨料混凝土经验碳化模型，如式(5)所示。

(5)

根据式(3)～式(5)，假定再生骨料混凝土在室内加速环境与自然环境下劣化程度相同，即碳化深度相等，如式(6)所示。

(6)

混凝土构件在大气环境下工作时，除了受到碳化腐蚀，还会承受相应荷载。假设工作应力影响系数KKS与混凝土碳化时间、水灰比等因素无关，只与混凝土应力比大小有关，即KKS只是混凝土应力比δ的函数[17]，王健等[18]将应力影响系数KKS与应力比δ拟合为：

KKS=1.00+0.51δT(0≤δT≤1.0)

(7)

(8)

根据《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T 50476—2008取一般环境下设计使用年限100 a、50 a、30 a的最小保护层厚度分别为40 mm、30 mm、25 mm。由图5拟合公式可求得试件在加速碳化环境下碳化30 d、50 d、100 d的碳化深度，并根据前文所得的相同碳化龄期下自然环境与加速碳化环境碳化深度之间的关系，得到自然环境下的碳化深度，结果如表3所示。

表3 不同碳化龄期的碳化深度Table 3 Carbonation depth of different carbonation ages

由表3可知，自然环境不同应力状态下30 a、50 a和100 a的碳化深度值均小于所取保护层厚度。本试验五种再生粗骨料粘附砂浆含量范围为35%～45%，故在本试验条件下，由最大粘附砂浆含量的再生粗骨料所制备的再生骨料混凝土，也能够满足不同设计年限自然环境下的抗碳化性能要求。

3 结 论

(1)当再生粗骨料粘附砂浆含量处于35%～45%时，再生骨料混凝土碳化深度随粘附砂浆含量增加而增大，其快速碳化28 d的最大碳化深度可达天然骨料混凝土的7倍。

(2)再生骨料混凝土碳化速率随碳化龄期推移而减小；碳化龄期相同的条件下，粘附砂浆含量越大，碳化速率也越大。

(3)选用粘附砂浆含量在35%～45%的再生粗骨料制备再生骨料混凝土，其碳化深度均能够满足一般环境下混凝土结构设计使用年限30 a、50 a和100 a的抗碳化性能要求。