再生粗骨料碳化处理对混凝土力学性能影响研究

顾凯文 杨 柳 敖清文

(贵州宏信创达工程检测咨询有限公司 贵阳 550000)

随着我国城市化快速发展，废旧建筑物改建和拆除过程产生的大量建筑垃圾多以随意堆放、直接填埋等粗放手段处理，不仅对环境造成污染，且占用大量土地资源[1-4]。而再生混凝土技术可以解决上述问题，甚至可以解决当前天然砂石资源面临枯竭的难题，具有较大的经济潜力和社会效益。

再生骨料是指由建(构)筑物中的混凝土、砂浆、石、砖瓦等经粉碎、筛分、分级而成，按一定比例混合后，满足不同使用要求的骨料。与天然骨料相比，再生骨料存在孔隙率高、吸水率高、压碎指标高、密度低等特征，导致再生混凝土力学性能普遍低于天然混凝土[5-7]。故为提高再生混凝土质量，首要从提高再生骨料品质角度入手。为了提高再生混凝土的性能，须对简单破碎获得的低品质再生骨料进行强化处理，即通过改善骨料粒形和除去再生骨料表面所附着的硬化水泥石，提高骨料的性能。主要预处理方式有：再生骨料裹浆处理、聚合物浸渍再生骨料、机械法去除再生骨料附着旧砂浆等手段[8]。以上方法均在一定程度上可改善再生骨料品质，然而也存在一定副作用或局限性。另外，有学者[9]采用CO2强化再生骨料，取得较好效果。当前碳化处理尚未作为再生骨料强化的主流手段，与其他强化技术相比，CO2强化技术成本较低，对再生骨料改善效果明显，且属于环境友好型技术，具有较高的现实意义。

再生骨料碳化处理指将再生骨料置于碳化室，通过调节碳化压力和碳化持续时间控制再生骨料碳化质量。本文通过调节碳化持续时间(0，30和60 min)、碳化压力(0，0.75和1.5 bar),以及碳化再生骨料替代率(0%，50%和100%)，研究再生粗骨料碳化处理对混凝土力学性能影响，并通过压汞法分析混凝土孔隙结构，从而揭示碳化处理对混凝土力学性能作用机理。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1) 水泥。采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，其主要技术性能指标见表1。

表1 水泥主要技术性能

2) 骨料。细骨料采用细度模数为2.5的天然河砂，表观密度为2.638 g/cm3。粗骨料采用5～25 mm的连续级配天然碎石和再生骨料，其主要技术指标见表2。

表2 粗骨料主要技术性能

3) 减水剂。采用聚羧酸减水剂，减水率高达25%，掺量为水泥质量1.0%。

4) 水。采用自来水作为拌和用水。

1.2 试验配合比设计

依据JGJ 55-2011 《普通混凝土配合比设计规程》进行试验配合比设计，混凝土设计强度为C20。混凝土水泥用量为630 kg/m3、水灰比为0.4、砂率为30%。混凝土配合比及再生骨料碳化处理过程见表3和表4。为保证配合比一致性，天然、再生粗骨料均烘干后进行拌和、试验。

表3 混凝土配合比 kg/m3

表4 再生骨料碳化处理过程

1.3 试验方法

依据GB 50080-2002 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》规定，采用坍落度法测试混凝土工作性。用于抗压强度测试试样尺寸为150 mm×150 mm×150 mm；用于测试抗折强度试样尺寸为150 mm×150 mm×550 mm；用于测试弹性模量测试试样尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。

从测完力学性能后破碎试样的中间区域，挑选出水泥石与集料黏结部分，烘干后浸入无水乙醇3～5 d，选取距离粗集料表面5 mm内水泥石用于压汞法测试。

2 试验结果与分析

2.1 工作性

图1为基准混凝土(NAC)、再生骨料混凝土(RAC)及碳化再生骨料混凝土(RACCO2)坍落度测试结果。

图1 混凝土坍落度

由图1可见，RAC(50-0-0、100-0-0)坍落度分别为150 mm和140 mm，与NAC(0-0-0)相比，RAC坍落度明显降低，且再生骨料替代率越高，混凝土坍落度越低。当RACCO2替代率为50% 时，碳化处理对混凝土坍落度影响不明显，当RACCO2替代率为100%时，RACCO2(100-30-0.75，100-30-1.5，100-60-0.75和100-60-1.5)坍落度均在190 mm以上波动。这是因为：①碳化处理降低再生骨料吸水率，导致拌合物游离水增加，进而坍落度提高；②碳化处理阻止水分以标准体积进入混凝土，多余水分滞留在水泥和砂之间，增大局部水灰比，导致混凝土坍落度较大。结果表明，碳化压力和碳化时间对再生骨料混凝土坍落度无明显影响。

2.2 力学性能

图2～4分别为NAC、RAC及RACCO2在标准养护室内养护28 d抗压强度、抗折强度，以及弹性模量测试结果。

图2 混凝土抗压强度

图3 混凝土抗折强度

图4 混凝土弹性模量

2.2.1抗压强度

由图2可见，再生骨料经较低碳化压力(0.75 bar)处理后，RACO2在50%替代率时，RACCO2表现出较大抗压强度，抗压强度分别为35.12 MPa(50-30-0.75)和34.95 MPa(50-60-0.75)。结果表明，碳化持续时间越长，再生混凝土抗压强度提升效果越明显。这是因为碳化持续时间越长，再生骨料吸收CO2量越多，参与与水泥水化产物CH反应的CO2量越多，填充混凝土孔隙效果越明显，再生混凝土在宏观上表现出较高的抗压强度。与再生骨料经0.75 bar碳化压力处理混凝土相比(50-30-0.75和50-60-0.75)，再生骨料经1.5 bar高碳化压力处理的混凝土(50-30-1.5和50-60-1.5)抗压强度降低。这是因为碳化压力越高，CO2以更快的速度进入再生骨料内部，部分质量较差的再生骨料被高碳化压力压碎，因此宏观上呈现出抗压强度降低。结果表明，低碳化压力有利于改善再生骨料混凝土强度。

RACO2在50%替代率时，RACCO2混凝土抗压强度从高到低依次为35.12 MPa(50-60-0.75)，35.01 MPa(50-30-0.75)，32.5 MPa(50-60-1.5)和31.8 MPa(50-30-1.5)，结果表明，RACCO2在50%骨料取代率时，碳化压力对改善再生混凝土强度更明显，碳化压力越高，再生混凝土抗压强度反而越低；另外，由图2可知，碳化持续时间越长，混凝土强度越高。与50% 替代率RACCO2不同，100%替代率 RACCO2抗压强度主要受碳化持续时间影响，混凝土抗压强度从高到低依次为100-60-1.5，100-60-0.75，100-30-0.75和100-30-1.5。

2.2.2抗折强度

由图3可见，当RACO2替代率为50%时，RAC(50-0-0)具有较大抗折强度，甚至超过基准混凝土；其中，50-30-0.75和50-60-0.75混凝土抗折强度分别为4.25 MPa和4.20 MPa。而再生粗骨料替代率为100%的RAC(100-0-0)抗折强度仅为2.51 MPa，表现出最差的抗折强度。表明再生骨料碳化压力越低和碳化持续时间越长，混凝土抗折强度越好，表明低碳化压力和长碳化持续时间有助于提高混凝土黏结性能。

RACO2为50%替代率时，RACCO2混凝土抗折强度从高到低依次为4.42 MPa(50-30-0.75)，4.40 MPa(50-60-0.75)，4.18 MPa(50-60-1.5)和3.96 MPa(50-30-1.5)，结果表明，再生骨料取代率为50%时，碳化压力对再生混凝土抗折强度提升更明显，碳化压力越高，再生混凝土抗折强度越低。与RACO2为50% 替代率时不同，当RACO2为100%替代率时，混凝土抗折强度主要受碳化持续时间影响，混凝土抗折强度最高为3.98 MPa(100-60-1.5)，抗折强度最低为3.01 MPa(100-30-1.5)。

2.2.3弹性模量

由图4可见，与RAC相比，再生混凝土弹性模量呈现急剧下降趋势，且再生骨料替代率越高，混凝土弹性模量越低，100%再生骨料替代率混凝土(100-0-0)弹性模量为22.1 GPa，较基准混凝土降低了41.1%，表明再生骨料碳化处理可一定程度上改善混凝土弹性模量。

与混凝土其他力学性能类似，当RACCO2替代率为50%时，混凝土弹性模量最高为34.95 GPa(50-30-0.75)表明，低碳化压力可改善再生骨料品质及再生混凝土弹性模量。具有100%替代率的RACCO2弹性模量由碳化持续时间和碳化压力共同决定。其中，100-60-0.75混凝土弹性模量为21.86 GPa，表现出最佳的弹性模量，随之是弹性模量为21.83 GPa的100-60-1.5系列混凝土。结果表明，CO2处理可改善再生混凝土弹性模量，但改善效果低于抗压、抗折强度等力学性能，这是因为混凝土弹性模量很大程度上取决于再生骨料孔隙率和密度，CO2处理改善再生骨料效果有限。

2.3 孔结构分析

有文献[10-11]将混凝土中的孔划为：无害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(>50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。由于再生混凝土力学性能很大程度上取决于混凝土孔隙率和密实度，故本研究对混凝土进行MIP测试，从而通过观察混凝土孔隙结构，揭示宏观力学性能特征。图5～7为混凝土孔结构测试结果。

图5 总孔隙率

图6 平均孔径

由图5和图6可见，RAC总孔隙率和平均孔径明显高于NAC，碳化处理可明显降低混凝土总孔隙率，且RACCO2平均孔径分别为0.293 nm(50-30-0.75)，0.298 nm(50-30-1.5)，0.291 nm(50-60-0.75)和0.296 nm(50-60-1.5)，基本接近普通混凝土平均孔径，表明再生骨料碳化处理可减少混凝土孔隙率，细化混凝土孔径。

由图7可见，50%替代率RACCO2碳化压力越低，混凝土无害孔和少害孔比例越高，相应地有害孔和多害孔比例越低；100%替代率RACCO2碳化持续时间越长，混凝土无害孔和少害孔比例越高，相应地有害孔和多害孔比例越低。表明再生骨料碳化处理可优化混凝土孔隙结构，且低取代率(RA50%)时，碳化压力为主要因素，高取代率(RA100%)时，碳化持续时间为主要因素。

图7 混凝土各档孔隙孔径分布率

3 结论

1) 当RACO2替代率为50%时，混凝土坍落度在140 mm左右波动，当RACO2替代率为100%，混凝土坍落度略大于190 mm，表明混凝土坍落度随碳化再生骨料取代率提高而提高。

2) 碳化压力越低，碳化持续时间越长，再生混凝土力学性能越高，表明较低碳化压力和较长碳化时间有利于改善混凝土力学性能。此外，再生骨料替代率为50%时，碳化压力为主导因素，而再生骨料替代率为100%时，碳化持续时间为主导因素。

3) 经MIP测试结果可知，碳化处理再生骨料可优化混凝土孔隙结构和水化产物，细化孔径，减小孔隙率，优化孔隙结构。

4) 试验表明，碳化处理对再生骨料混凝土的坍落度及力学性能有一定改善，在再生粗骨料的实际应用及水泥混合料的设计中，应综合考虑再生料掺量、碳化处理方式，根据设计目标及经济性综合考虑碳化处理方案。