自密实再生混凝土碳化性能及碳化深度预测模型

王瑜玲 潘云峰 王春福

（1 浙江广厦建设职业技术大学；2 河海大学）

混凝土作为年均使用量最大的建筑材料，其用量呈线性上升[1]。这意味着一方面砂石、水泥等资源的消耗量持续增加，可用量减少，出现供不应求的局面；另一方面，年处理量远低于产量的废弃混凝土数量也会持续攀升，大量的土地资源将被占用，同时也对大气、水体等生态环境产生二次污染，导致空气质量下降，土壤、水质劣化[2]。

自密实混凝土（Self-Compacting Concrete，简称SCC）依靠自重填充模板[3]，流动性高、抗离析性好、填充性佳。由其制备的构件性能优异，耗费的劳动力少，目前自密实混凝土的技术已经非常成熟。将废弃混凝土重新利用制备成大流动性的自密实再生混凝土，是混凝土绿色、健康可持续发展的一个重要方向。研究表明，环境中CO2浓度以及温度升高会导致混凝土在服役过程中发生碳化，引发钢筋锈蚀，继而引起结构破坏[4]。自密实再生混凝土作为混凝土的一种，其抗碳化能力同样影响到它的耐久性。因此，本研究以由废弃混凝土全组分配制而成的自密实再生混凝土作为研究对象，探索自密实再生混凝土随胶凝材料组分改变时的碳化性能规律，同时构建其碳化深度预测模型，为废弃混凝土粉末在自密实再生混凝土中的应用提供理论依据。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

将1 年龄期以上、原设计强度为C30 的废弃混凝土经破碎、筛分、磨细后，制成粗、细骨料及粉末作为自密实再生混凝土的原料，进行全组分利用。

⑴再生粗骨料 (Recycled coarse aggregate,RCA)：由5～10mm、10～16mm、16～20mm 三个粒径范围的骨料按3:3:4 的比例配制而成，堆积密度1230㎏/m3，表观密度2620㎏/m3。

再生细骨料(Recycled fine aggregate,RFA)：粒径范围0.16～5mm，表观密度2690㎏/m3，细度模数3.7。

⑵胶凝材料：水泥、粉煤灰和废弃混凝土粉末按一定比例构成。

水泥（Cement,C)：尖峰牌普通硅酸盐水泥(P·O42.5)，表观密度为3240㎏/m3，3d 抗压强度为24.5MPa，28d 抗压强度为48.5MPa。

粉煤灰(Fly ash,FA)：一级灰，45μm 方孔筛筛余3.63%，表观密度2110㎏/m3。

废弃混凝土粉末(Ground waste concrete powder,GCP)：废弃混凝土破碎筛分过程中，粒径＜16μm的粉状材料，表观密度2420㎏/m3。

⑶聚羧酸减水剂（Polycarboxylate Superplastic-izer,PC），固含量20%。

1.2 试验过程

1.2.1 试验配合比

为了考察胶凝材料对自密实再生混凝土碳化性能的影响规律，本次试验采用单一变量法，固定水胶比为0.4，固定再生粗、细骨料的用量，只改变胶凝材料的构成比例，具体配合比见表1。

表1 自密实再生混凝土配合比 （kg）

1.2.2 试验方法

⑴流动性及强度试验

依据《自密实混凝土设计与施工指南》测试坍落扩展度和J 环坍落扩展度，同时计算填充率，以此表征自密实再生混凝土的流动性；参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》，测试龄期为3d、7d、28d、42d 时试件的立方体抗压强度，采用尺寸为100mm×100mm×100mm 的试件，考虑尺寸效应，抗压强度乘以0.95 的折算系数。

⑵碳化试验

本文的碳化试验参照《水工混凝土试验规程》进行。采用尺寸为100mm×100mm×100mm 的立方体试件，每组制作12 块试件。碳化试验机采用上海劳瑞仪器设备有限公司研制的CCB-70A 型碳化试验箱。碳化试验在温度（20±5）℃、湿度（70±5）%的条件下进行，并保持碳化箱中CO2浓度在（20±3）%。待自密实再生混凝土碳化至3d、7d、14d 及28d 龄期时，每次每组分别取3 块试件，从试件中部劈开，清理干净浮沉后，随即喷上1%浓度的酚酞试液，静待1～2min 后观察表观现象，用网格法测试计算，以3 块试件的平均值作为碳化深度值。

2 性能分析及模型构建

2.1 自密实再生混凝土的工作及力学性能

根据试验数据得到自密实再生混凝土的流动性对比图（图1）。从图1 可见，五个试样配合比下，自密实再生混凝土坍落扩展度≥600mm，J 环坍落扩展度≥570mm，填充率≥75%，达到自密实混凝土Ⅱ级指标要求，证明五个试样所制备的自密实再生混凝土初始性能满足要求。

图1 流动性对比图

根据立方体抗压强度试验数据绘制抗压强度-龄期图（图2）。从图2 及各试样在28d 龄期时的SEM 图可见（图3～图7），由于SCRC4、SCRC5 中水泥用量少，粉煤灰及废弃混凝土粉末用量高，水化反应缓慢，强度未达到设计强度35MPa。直至42d 龄期时，5 个试样的强度均达到设计强度。因此，碳化试验选择于标准养护42d 后进行。

图2 抗压强度- 龄期图

图3 SCRC1 在28d 龄期时的SEM 图

图4 SCRC2 在28d 龄期时的SEM 图

图5 SCRC3 在28d 龄期时的SEM 图

图6 SCRC4 在28d 龄期时的SEM 图

图7 SCRC5 在28d 龄期时的SEM 图

2.2 自密实再生混凝土碳化性能分析

根据试验测得各试样的碳化深度-龄期曲线，如图8 所示。从试验可知，5 组试样的碳化深度值均随碳化时间的延长而增大。初始的碳化速度快，后期的碳化速度趋于平稳。胶凝材料中水泥占比越高，则碳化深度值越小，抗碳化性能越好。SCRC1、SCRC2 和SCRC3 的碳化性能普遍优于SCRC4 和SCRC5。

图8 自密实再生混凝土碳化深度

废弃混凝土粉末主要由硬化水泥石以及砂、石料的碎屑构成，其主要活性成分为硬化水泥石中未水化的水泥颗粒，而已水化的水泥产物也具有一定的化学活性[5]。当未水化水泥颗粒与水充分接触后，可再次水化生成主要成分为C-S-H 的水化产物，具备胶凝性[6]，水灰比越低，未水化水泥颗粒越多，胶凝性越强[7]。本试验选用的废弃混凝土原始强度为C30，原始水胶比为0.42，检测发现，其硬化水泥石中未水化颗粒量偏少。通过观察各试样养护至28d 时的SEM 图发现，废弃混凝土粉末在胶凝材料中占比50%时，试样中存在许多团簇状微粒，尤以图4 最为明显，观测到许多直径介于20～30μm 的微粒，填充或覆盖了水泥水化产物，但并未参与水化或发生二次水化反应，表现了水化惰性。因此，当胶凝材料中水泥占比相同时，掺加废弃混凝土粉末的碳化性能比掺加粉煤灰的差。

此外，废弃混凝土粉末经过多层破碎和粉磨，其颗粒的微观形貌多为棱角状和碎屑状[8]，与粉煤灰的滚珠填充效应不同，棱角状颗粒的增多会破坏颗粒的密实堆积，增加自密实再生混凝土内部的孔隙。与此同时，废弃混凝土粉末的硬化水泥石中的C-S-H 凝胶内部也存在尺寸细小、数量多的孔隙[9]，提高废弃混凝土粉末的比例会使自密实再生混凝土内部孔隙增多，增大了碳化破坏通道，导致其碳化性能劣于掺加粉煤灰的。

观察SCRC3 与SCRC1 两个试样的碳化深度-龄期曲线可以发现，两者的碳化深度曲线较为接近，尤其是14d 时碳化深度值仅相差0.6mm。说明当胶凝材料中水泥、粉煤灰与废弃混凝土粉末的比例为2:1:1 时，自密实再生混凝土的碳化性能与不使用废弃混凝土粉末时相近。这也表明通过调整胶凝材料的比例构成，达到削弱废弃混凝土粉末的不利影响是可能的。

2.3 自密实再生混凝土碳化深度预测模型

混凝土是一个多孔结构人造物质，内部存在着大量大小不一的孔隙、气泡以及缺陷等。当周围环境中的CO2通过孔隙及缺陷渗透到混凝土结构内部时，会溶解于混凝土孔隙中的液相，并与水泥水化产物CH 及C-S-H 等相互作用，形成碳酸钙。自密实再生混凝土由于其所选用原材料本身带有更多的性能缺陷，环境中的CO2更容易由表及里向自密实再生混凝土内部逐渐扩散，发生十分复杂的连续物理化学反应，增加了碳化破坏的可能性。因此，本研究将以混凝土的碳化深度模型为基础，探索建立符合自密实再生混凝土的碳化模型。

2.3.1 理论模型与经验模型

目前针对混凝土碳化深度的预测主要有两大类，一是根据扩散理论进行理论推导得出理论公式，二是根据实验分析得出经验公式。

理论推导研究混凝土的碳化规律一般基于三个假设[3]：

⑴混凝土结构内部的CO2浓度呈线性下降；

⑵混凝土表面的CO2浓度为C0，而未碳化区的浓度为0；

⑶单位体积混凝土吸收CO2发生化学反应的量为定值。

在上述假设下，混凝土的碳化过程遵循Fick 第一扩散定律[10]，理论计算混凝土碳化深度的公式如式⑴：

其中：

X——碳化深度；

DCO2——CO2在混凝土中的有效扩散系数；

C0——混凝土表面CO2的浓度；

M0——单位体积吸收CO2的量；

t——碳化时间。

令k=（2DCO2·C0/M0）1/2，则式⑴可简写为：

其中：

a——碳化速度系数，表征碳化反应速度快慢的综合因素。

各个学者在研究碳化过程中考察的侧重点以及考虑的影响因素不同，因此有众多的经验公式，主要体现在碳化深度预测公式X=a·tβ中碳化系数a 的不同上。对于a、β 的取值，有代表性的是中国建筑科学研究院提出的，a=η1·η2·η3·η4·η5·η6，β=0.5，其碳化深度模型见式⑶：

其中：

X——碳化深度；

η1——水泥用量的影响系数；

η2——水胶比影响系数；

η3——粉煤灰取代量影响系数；

η4——水泥品种影响系数；

η5——集料品种的影响系数；

η6——养护方法影响系数；

t——碳化时间。

以上两种方法中，碳化深度X 与碳化时间t 的平方根均成正比[11]。但不论是理论推导或者经验公式，最终均体现在碳化系数的不同。

2.3.2 自密实再生混凝土碳化深度的预测模型

本研究结合混凝土碳化深度理论推导和实验分析两种方法，建立经验公式数学模型，以满足自密实再生混凝土碳化深度预测的需要。

根据试验数据，作出碳化深度随时间变化的曲线图。借助Origin8.0 软件，选用Belehradek 模型进行碳化深度随时间变化曲线的拟合，见图9～图13。五组试样的拟合曲线公式汇总见表2。

图9 SCRC1 碳化深度拟合图

图10 SCRC2 碳化深度拟合图

图11 SCRC3 碳化深度拟合图

图12 SCRC4 碳化深度拟合图

表2 碳化深度拟合曲线公式及碳化深度速率

图13 SCRC5 碳化深度拟合图

根据经验公式，结合本试验的自密实再生混凝土的特征，选择碳化深度速率的影响因子。本试验的自密实再生混凝土的碳化深度速率主要受到胶凝材料中各材料比重的影响，因此又将其进一步细化为受水泥、粉煤灰以及废弃混凝土粉末三因素影响的线性方程。列出适合本试验的普遍公式如式⑷：

式中：

K1——水泥、粉煤灰和再生粉料的含量系数；

K2——用水量系数，取值为单方混凝土用水量；

K3——胶材总量系数，取值为单方混凝土胶材总量；

K4——其他相同因素（如用水量、胶凝材料总量、水胶比、再生粗细骨料以及养护方法等）系数，缺省时设置为1；

A、B、C——分别为水泥、粉煤灰和废弃混凝土粉末影响因子。

将五个试样的A、B、C 及碳化深度速率代入可得以下方程组⑸：

通过Matlab 软件，计算超定方程组⑸的最小二乘解，可得经验公式如式⑹：

根据五个试样碳化深度的计算公式，计算出相应龄期的碳化深度值，并与试验碳化深度值进行对比，绘制对比图，见图14。

图14 碳化深度计算值与试验值的对比图

从图14 可以看出，五个试样的碳化深度计算值与试验值绝对误差小，说明碳化深度计算值与试验值贴合度较高，经验式⑹较好地反映了胶凝材料配比变动时自密实再生混凝土的早期碳化性能，能够用于预测自密实再生混凝土的碳化深度变化趋势。

3 结论与展望

⑴采用单一变量法，考察由水泥、粉煤灰及废弃混凝土粉末构成的胶凝材料对自密实再生混凝土碳化性能的影响。试验结果表明：胶凝材料中水泥占比越高，自密实再生混凝土的抗碳化能力越强；当胶凝材料中水泥占比一致时，掺加废弃混凝土粉末的碳化性能比掺加粉煤灰的差；胶凝材料中水泥、粉煤灰与废弃混凝土粉末的比例为2:1:1 时，自密实再生混凝土的碳化性能与不使用废弃混凝土粉末时相近。

⑵结合理论与经验模型构建了自密实再生混凝土碳化深度的预测模型，通过碳化深度计算值与试验值的对比发现，预测模型较好地反映了胶凝材料配比变动时自密实再生混凝土的早期碳化性能，能够用于预测自密实再生混凝土的碳化深度变化趋势。

⑶本试验此次以胶凝材料比例为变量来考察其对自密实再生混凝土碳化性能的影响，但是再生粗、细骨料等因素也对其碳化性能有影响，后期的研究将以此次研究结论为基础，继续考察其他众多因素对自密实再生混凝土碳化性能的影响机理。