再生粉体对混凝土抗碳化性能的影响

方 禹

(福建建泰建筑科技有限责任公司 福建福州 350512)

0 引言

近年来，随着城镇化的发展，产生了大量的建筑废弃物，造成大量污染，影响国家的可持续发展。据统计，2020年我国建筑废弃物产量达到30亿t，其资源化利用率不到10%，与发达国家90%以上的利用率有很大的差距。再生粉体是处理再生骨料时，粒径小于150 μm的粉体颗粒，约占再生骨料质量的5%～20%[1]。将再生粉体粉磨15 min，通过煅烧，掺入熟石灰和激发剂后，可提高再生粉体的活性[2]。再生粉体取代矿粉后，对胶砂的早期强度影响较小，对后期强度影响较大。用0%～15%取代矿粉，7 d和28 d活性指数分别为75%和95%以上，与基准组相比，降低了1.3%和11.2%[3]。当再生粉体掺量为0%～25%时，随着再生粉体掺量的增大，浆体的28 d化学结合水含量和氢氧化钙含量随之降低，分别降低了25.8%和8.8%，此时建议再生粉体的掺量不超过20%[1]。当再生粉体掺量为0%～30%时，随着再生粉体掺量的增大，胶砂的用水量随之增大，强度和抗冻性随之降低[4-6]。当再生粉体掺量为15%和30%时，绿色混凝土可减少13.7%和27.3%的碳排放，此时再生粉体的建议掺量为30%[7]。用再生粉体取代水泥，制备的透水砖强度可达到40 MPa，当再生粉体掺量为20%时，对透水砖的强度影响不大[8]。

混凝土碳化是CO2与其内部的氢氧化钙反应，降低了混凝土的碱度，破坏了钢筋的钝化膜，引起钢筋锈蚀膨胀，导致钢筋混凝土结构发生破坏。混凝土碳化产生的钢筋锈蚀，美国约花费280亿美元/年[9]。一方面，粉煤灰和矿粉的掺入，消耗了氢氧化钙，降低了混凝土的pH值，不利于混凝土的抗碳化性能[10]。另一方面，矿物掺合料的掺入，改善了混凝土的孔结构，降低了孔隙率，优化了孔径，提高了混凝土的密实度，从而提高了混凝土的抗碳化性能[11]。然而，截至目前，关于再生粉体对混凝土抗碳化性能的研究较少。本文分别将再生混凝土粉和再生砖粉取代水泥，并与矿粉复掺，研究再生粉体对混凝土微观结构和抗碳化性能的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

原材料为P.I 42.5硅酸盐水泥，矿粉，标准砂，天然骨料，再生混凝土粉(Recycled concrete powder，简称RCP)和再生砖粉(Recycled brick powder，简称RBP)，其晶体类型如图1～图2所示。

图1 再生混凝土粉XRD图谱

图2 再生砖粉XRD图谱

1.2 试验方案及方法

按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T2419-2005)和《水泥胶砂强度检验方法ISO 法》(GB/T17671-1999)，测试不同再生粉体对胶砂流动度和强度的影响，再生粉体的取代率为0%～40%，水胶比为0.5。按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GBT50082-2009)，测试混凝土碳化深度，配合比见表1。

采用马弗炉高温煅烧测试浆体的化学结合水量量，化学结合水量和等效结合水量计算如下：

(1)

(2)

式中：W、We为化学结合水量和单位水泥质量的等效化学结合水量；LOI=(m105℃-m1000℃)/m105℃；LC=fPI×LPI+fRCP×LRCP+fRBP×LRBP，其中f、fPI、fRCP、fRBP分别为再生粉体、水泥、再生混凝土粉、再生砖粉占胶凝材料的质量比例(%)，LPI、LRCP、LRBP分别为水泥、再生混凝土粉、再生砖粉的烧失量(%)。

2 结果与分析

2.1 不同再生粉体掺量下的胶砂流动度

由图3可以看出，随着再生粉体掺量的增加，胶砂的流动度逐渐降低。主要是因为RCP和RBP的内部微裂缝多，吸水率大，比表面积大，再生粉体的掺入降低了胶砂的流动度。其中，由于再生砖粉的内部孔隙更多，导致掺RBP的胶砂流动度更低。

图3 再生粉体掺量对胶砂流动度的影响

2.2 不同再生粉体掺量下的胶砂强度

从图4中可以看出，随着再生粉体掺量的增加，胶砂强度随之减小。在早期时，不同再生粉体的胶砂强度相差不大，在28d龄期时，掺RBP的胶砂强度大于掺RCP的胶砂强度。这是由于RBP的微裂缝多，其吸水率大于RCP，RBP作为内养护材料，提高了水泥的后期水化程度，提高了混凝土的后期强度[12]。相关文献表明，当再生粉体掺量小于30%时，随着再生粉体掺量的增大，胶砂的强度随之降低[4-6]。

表1 不同再生粉体下的混凝土配合比 kg/m3

2.3 不同再生粉体掺量下胶砂的化学结合水量

从图5和图6可见，随着再生粉体掺量的增大，掺RCP胶砂的28 d化学结合水量降低5.40～21.09%，掺RBP胶砂的28 d化学结合水量降低4.9%～19.90%。由于再生粉体的活性相对较低，其稀释效应减少了水化产物含量，从而降低了水化产物含量。相关研究表明，当再生粉体掺量为0%～25%时，随着再生粉体掺量的增大，浆体的28 d化学结合水含量降低了25.8%[1]。

图5 RCP-水泥复合胶凝材料净浆化学结合水量

图6 RBP-水泥复合胶凝材料净浆化学结合水量

2.4 再生粉体对凝土抗碳化性能的影响

从图7和图8可见，随着再生粉体掺量的增加，混凝土的抗碳化性能逐渐降低。当再生粉体掺量为10%、15%、20%和30%时，掺RCP和RBP混凝土56 d碳化深度为3.43 mm、5.25 mm、8.75 mm、12.61 mm和3.44 mm、4.86 mm、7.14 mm、10.04 mm分别是普通混凝土的1.13倍、1.59倍、2.89倍、4.15倍和1.13倍、1.59倍、2.35倍、3.3倍，说明再生粉体的掺入降低了混凝土的抗碳化性能。相关研究表明，再生粉体内部孔隙较多，CO2更易渗透到混凝土内部，降低了混凝土的抗碳化性能[13]。

图7 再生混凝土粉对混凝土抗碳化性能的影响

图8 再生砖粉对混凝土抗碳化性能的影响

从图9见，在碳化早期，不同粉体对混凝土抗碳化性能影响较小。在碳化后期，当再生混凝土粉和再生砖粉以5∶5比例复掺时，混凝土的抗碳化性能最差，7∶3较好，3∶7最好。

图9 两种再生粉体复掺对混凝土碳化深度的影响

从图10和图11可见，随着再生粉体掺量的增大，混凝土的碳化深度随之增大，混凝土的抗碳化性能随之降低。在相同取代率下，再生粉体和矿粉复掺下，混凝土的碳化深度随之降低，说明矿粉的掺入提高了混凝土的抗碳化性能。相关研究表明，矿粉的掺入可与水泥中的氢氧化钙反应，生成更多的C-S-H凝胶，优化孔径，降低孔隙率，提高混凝土的抗碳化性能[14]。

图10 矿粉和再生混凝土粉复掺对混凝土抗碳化性能的影响

图11 矿粉和再生砖粉复掺对混凝土抗碳化性能的影响

3 结论

(1)再生粉体的掺入，降低了胶砂的流动性。随着再生粉体掺量的增大，胶砂强度和化学结合水量随之降低。

(2)随着再生粉体掺量的增大，混凝土的抗碳化性能随之降低。掺入10%、15%、20%、30%再生混凝土粉和再生砖粉混凝土56d的碳化深度分别是普通混凝土的1.13倍、1.59倍、2.89倍、4.15倍和1.13倍、1.59倍、2.35倍、3.3倍。

(3)在碳化早期，不同粉体对混凝土抗碳化性能影响较小。在碳化后期，当再生混凝土粉和再生砖粉以5∶5比例复掺时，混凝土的抗碳化性能最差，以3∶7比例复掺的混凝土抗碳化性能最好，矿粉的掺入提高了混凝土的抗碳化性能。