再生混凝土碳化试验的研究现状

王振豪，金立兵，谢志恒，朱豆豆，王 旭

（河南工业大学 混凝土结构长期性能研究所，郑州 450001）

据统计，近几年我国建筑废料年产生量达到了（15.5~24）亿t，而利用率却不足10%[1]。目前我国建筑废料主要以填埋的方式进行处理，这不仅导致了建筑废料中可再生资源利用率低，而且导致了水土污染、占用土地资源等现象的发生[2]。利用建筑废料来制备再生骨料混凝土能很好地解决了这2 个问题。

碳化作为引起混凝土结构耐久性损伤最为普遍的因素，伴随结构服役的整个时期，是导致钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的重要原因。开展再生混凝土的碳化试验，能够更加清晰地认识再生混凝土碳化过程中微观结构和宏观性能的演变，从而更具针对性地预防，同时带来一定的环境和经济效益。目前，研究人员围绕再生混凝土碳化这一课题开展了大量试验研究[3-6]。此外，近些年也有许多学者研究了碳化对再生骨料性能的强化，以此实现减少空气中CO2含量的同时改善再生混凝土的性能，目前也取得了较为丰富的成果[7-10]。

1 再生混凝土的碳化机理

再生混凝土中的碳化过程与普通混凝土相似，都是空气中CO2通过扩散溶入混凝土内液相生成H2CO3，然后与混凝土中Ca(OH)2等水化产物发生化学反应生成CaCO3和其他物质，进而导致混凝土碱度降低、内部开裂、钢筋钝化膜消失等一系列耐久性能退化的现象[11]。此外，由于碳化过程的相似，普通混凝土有关碳化分区的描述，对再生混凝土同样适用[12-13]。但再生骨料存在较多缺陷，也使得再生混凝土的碳化过程与普通混凝土存在一定差异[14]。首先，再生骨料表面粘附的旧砂浆提供了更多的可碳化物质，这在一定程度上提高了再生混凝土的抗碳化性能。其次，再生骨料在先前使用及制备过程中产生了较多的微裂缝，这些裂缝为CO2气体的进入提供了更多的通道，导致碳化反应加速，加快了混凝土结构的破坏；同时，再生骨料较大的吸水率造成再生混凝土孔隙比普通混凝土要多，为碳化反应提供了更多的场所。

通过图1 的形式将碳化过程分为CO2气体的侵入、CaCO3的形成、CaCO3的沉淀和Ca(OH)2的溶解3 个部分[15]。

图1 碳化流程图

分析上述碳化流程图，可以知道碳化过程中固相Ca(OH)2持续分解将使得混凝土碱性降低，最终造成钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀。此外，CaCO3的沉淀将起到填充混凝土内部孔隙的作用，使内部结构更加密实、抗渗性增强，并阻碍CO2的侵入[16-17]。

2 碳化的试验研究

2.1 碳化影响因素

2.1.1 材料影响

（1）再生骨料对碳化性能的影响因素有：骨料的品质、取代率和原始强度

再生粗骨料品质的缺陷导致了其碳化性能劣于普通混凝土。王新杰等[18]对旧砂浆含量在35%~45%的再生粗骨料制备的再生混凝土进行碳化试验，结果表明随旧砂浆含量的增加，碳化深度呈增大趋势，且实验室碳化28 d 的最大碳化深度是普通混凝土的7 倍。但这些缺陷可通过物理化学方法改善[19]。李滢等[20]和朱从香等[21]研究发现，通过化学浸泡对再生粗骨料品质进行改善，减轻了碳化过程对再生混凝土造成的损伤。王忠星等[3]研究了再生粗骨料经历不同整形次数后制得的再生混凝土抗碳化性能，结果显示再生混凝土的抗碳化性能随骨料整形次数的增加而增强。

再生粗骨料取代率对再生混凝土碳化性能的影响一直是该领域的一个热点，许多学者得出了碳化深度随着再生粗骨料取代率增加而增加的结论[4-5,22-23]；孙宇坤等[24]则通过研究发现，再生细骨料取代率不大于20%时，所配制的再生混凝土抗碳化性能较好，能够满足工程的一般要求。也有学者认为再生粗骨料对碳化性能的影响取决于2 个方面：一是再生粗骨料附着的砂浆提供更多可碳化物质使抗碳化性能增强；二是再生粗骨料内较多的孔隙为CO2的扩散提供了更多的路径，使抗碳化性能降低[25-26]。因此，一些结论指出随再生粗骨料取代率增大，碳化深度并非一直呈增加趋势[12,27-28]。

原始强度是指再生粗骨料母体混凝土的强度。XIAO 等[29]通过研究发现，母体混凝土强度越高，再生粗骨料混凝土的抗碳化性能越好。肖文广等[30]通过研究也给出了相似的结论，并认为强度高的原始混凝土制备的再生粗骨料表面附着的老砂浆具有更高的强度，使其与新砂浆间形成的界面更加密实，当原始混凝土强度超过C30 时抗碳化性能增加更加明显。

（2）胶凝材料对碳化性能的影响因素有：水灰比、辅助胶凝材料的种类和掺量

一般认为随着水灰比的增大，再生混凝土内的孔隙会增多，抗碳化能力就会变弱。孙亚丽[31]研究发现水灰比对再生混凝土内部结构影响显著，水灰比的增大会使再生混凝土结构内部存在较多的孔隙，为CO2的进入提供通道，加速碳化反应的进行。闫春岭等[32]通过无重复的双因素试验方法和方差分析，论证了水灰比对再生混凝土的抗碳化性影响的显著性，同时水灰比越高，碳化深度越深。李俊兰等[33]采用正交试验极差法和正交层次分析法对试验数据进行分析，得到了与文献[32]相似的结论，并定性分析了3 种因素对再生混凝土抗碳化性能的影响，其中影响最明显的是水灰比，然后是粉煤灰掺量和再生细骨料掺量。

应用较多的辅助胶凝材料粉煤灰、硅灰等对碳化的影响可分为2 点：一是通过细化混凝土内部孔隙分布、改善界面过渡区性能使抗碳化性能提高；二是水泥含量的减少导致混凝土内参与碳化反应的碱物质含量降低进而造成抗碳化性能的减弱[2]。已有研究发现随着粉煤灰掺量的增加，再生混凝土的碳化深度呈增加趋势[34-36]。杨益等[36]也表明当矿粉和粉煤灰两者掺入量大于30%时，碳化深度将明显增加。此外，黄辰玉等[37]研究发现，控制掺量在50%以下，将矿粉和粉煤灰等量掺入再生混凝土当中，能够得到抗压强度较高和抗碳化性能良好的再生混凝土。SINGH 等[38]研究发现，将偏高领土作为辅助胶凝材料掺入再生混凝土当中，能够弥补部分由再生粗骨料抗碳化性能上的缺陷。

2.1.2 环境影响

（1） 相对湿度

从碳化机理可以看出碳化反应需在孔溶液中进行。当相对湿度过大时，结构内供CO2扩散的孔隙将被水溶液充满，阻碍CO2的进入，从而减慢碳化反应的速度；当相对湿度过低时，结构内部干燥，此时CO2的扩散速率虽快，但结构中缺少反应所必需的水溶液，因此也将导致碳化速度减慢[39]。ELSALAMAWY 等[40]对相关数据的分析显示碳化速度与相对湿度间呈多项式关系，且许多研究[41]表明当相对湿度在50%~70%时，碳化速率最快。CHEN 等[42]通过试验对比了不同相对湿度下的碳化速率，得出当相对湿度为70%时碳化系数达到最大。

（2） 环境温度

在昼夜或不同季节温差较大的地区，温度对碳化的影响是不能忽略的。LIU 等[43]和张旭辉等[44]研究了温度对普通混凝土碳化的影响，结果均表明，温度对混凝土碳化影响显著，碳化深度随温度的升高而增加。而耿欧等[45]开展温度对再生混凝土碳化的研究发现，碳化深度随温度的升高先上升后下降再上升。造成这种结果的原因有2 点：一是温度升高使得CO2扩散加快而导致碳化反应加快；二是温度升高使得再生混凝土内水溶液蒸发而导致的碳化反应减慢。可见，温度对碳化反应的影响，在普通混凝土与再生混凝土之间存在一定的差异。

（3） CO2的浓度

作为碳化反应所必需的因素，CO2浓度的变化对碳化反应的影响是无法忽略的。LIU 等[46]研究发现，碳化深度随CO2浓度的升高而增加，两者之间呈幂函数关系。乔欣元[47]控制CO2浓度在10%~99%之间变化，研究了其对Ca(OH)2碳化的影响。结果表明：气体压力一定下，Ca(OH)2的初始碳化速度随CO2浓度的提高而提高；而Ca(OH)2后期碳化速度在低浓度下比高浓度下更快。

2.1.3 荷载影响

荷载产生的效应中拉应力和压应力对碳化的影响考虑较多。不难理解，拉应力的施加有助于混凝土内裂缝的开展，这将导致更多的CO2进入结果内部使碳化反应加速；低水平的压应力能够抑制裂缝的发展使结构更加致密，从而阻碍CO2的进入，使碳化反应减慢[48]。ZOU 等[49]通过改变压应力的大小，探究再生混凝土的抗碳化性能。结果表明：随着压应力的增大，再生混凝土的碳化深度先减小后增大。可以看出，对于压应力来说，当施加应力水平过大时，由其造成的结构损伤的负面作用会大于其带来的正面作用，从而造成再生混凝土抗碳化性能的降低。

2.2 细微观试验

混凝土结构的破坏大都是内部微观结构损伤持续演变的结果。因此，开展再生混凝土碳化的细微观试验将有助于我们理解碳化反应过程中再生混凝土内部物质成分、微观形态的变化，从而更好地掌握宏观损伤的发展规律，并做出相应的预防。

刘杏娟[50]采用扫描电镜对再生混凝土碳化前后微观结构观察后指出：一方面，再生混凝土内部存在比普通混凝土更多的薄弱界面，随着再生粗骨料掺量的增加，微观结构中缺陷和孔隙也就会越多，使得再生混凝土的抗碳化性能减弱；另一方面，碳化反应过程中CaCO3的填充效应能够使混凝土微观结构更加密实，从而减缓碳化反应的进行。FARAH 等[51]的微观试验也表明：碳酸钙的形成最终将导致微观结构中孔隙度和渗透率的降低。李阳阳[52]通过对比再生混凝土碳化前后宏观和微观性能的变化发现微观显微硬度的变化情况与宏观强度的变换情况相一致，因此得出结论：再生混凝土在碳化作用下宏观性能的变化可由其微观结构充分反映。WU 等[53]也在结论中指出，不同碳化参数下再生混凝土的微观和宏观性能变化保持一致。

3 碳化模型

碳化模型主要指对结构碳化深度进行计算和预测的数学表达式，可分为以下3 类：

碳化的理论模型大多基于质量守恒方程和Fick 定律建立，也有部分基于化学反应动力学[54]，且大都以普通混凝土为研究对象。其中应用较为广泛的有阿列克谢耶夫以及Papadakis 建立的混凝土碳化理论模型[55-56]。

碳化的经验模型大多建立在碳化深度与碳化时间的平方根成正比的基础之上，并结合试验数据回归得到。这类模型的建立较为方便，其缺陷在于考虑单个因素时无法反映混凝土整体的性能；而考虑因素过多时，在工程中的运用又会变得相当复杂。

对于半理论半经验模型来说，其注重理论与实际相结合，各项参数均具有其对应的物理意义，同时模型也能够在前人的基础上不断修改完善，因此这类模型更具有推广价值。

碳化模型的整合主要有3 类模型：理论模型、经验模型和半理论半经验模型。阿列克谢耶夫基于Fick 第一扩散定律与CO2在多孔介质中扩散和吸收的特点推导出碳化的理论模型[55]：

X 为时间t 时的碳化深度；Dco2为二氧化碳在混凝土内的有效扩散系数，m2/s；Cco2为混凝土表面二氧化碳浓度，kg/m3；Mco2单位体积混凝土的二氧化碳吸收量，kg/m3；t 为碳化时间，s。

Papadakis 模型[56]：有效扩散系数；CH、CSH分别为混凝土中氢氧

式中：De,CO2为CO2在完全碳化混凝土中的化钙与水化硅酸钙的含量，mol/m3；εc为碳化后混凝土的总孔隙率；RH 为环境相对湿度，%。

张誉等[57]在普通混凝土碳化模型的基础之上，引入再生混凝土抗压强度作为影响因素，结合试验数据回归分析得到再生混凝土碳化预测模型：

式中：，C0是CO2浓度，%；Kks是工作应力影响系数，受拉时取1.1，受压时取1.0；T 为环境温度，℃；为再生混凝土抗压强度MPa；t为碳化时间，d。

耿欧等[45]考虑再生粗骨料取代率等因素的影响，对试验数据进行回归分析得到了再生混凝土碳化模型：

式中：KW/C,KR, KT,KC分别为水灰比影响系数、再生粗骨料取代率影响系数、温度影响系数、CO2浓度影响系数。

董伟等[34]在考虑粉煤灰替代普通硅酸盐水泥基础上，建立了再生混凝土碳化模型：

式中：CFA为粉煤灰掺量；t 为碳化时间，d。

肖建庄等[58]提出的模型基础上，考虑再生粗骨料的影响并结合国内外研究的28 组数据回归得到再生混凝土碳化深度预测模型为：

式中：gRC为再生粗骨料影响系数；RH 为相对湿度，%。RH>55%时适用；w/c 为水灰比；C 为单方混凝土水泥用量，kg/m3；γHD为水化程度修正系数，90 d 养护取1.0，28 d 养护取0. 85；γc为水泥品种修正系数，硅酸盐水泥为1.0，其他种类取γc=1-掺合料质量分数；t 为碳化时间，d。

肖文广等[30]提出的模型基础上，考虑原始混凝土强度和再生混凝土强度比，结合实验数据回归得到再生混凝土碳化深度预测模型为：

4 展望

有关再生混凝土碳化的试验研究已经取得了丰富的成果，但在一些结论的定性分析上仍存在分歧，同时缺少以再生混凝土结构为对象的研究，难以得到能够在实际工程当中运用的碳化模型与评估方法。结合文章中的问题，对未来研究方向做出以下几点展望：

（1）碳化机理研究。深入分析再生粗、细骨料的宏、微观结构特性，探究其对再生混凝土碳化机理的影响，从内部结构和物质成分的改变来解释再生骨料对碳化性能的影响机理。

（2）碳化模型修正。在已有的碳化模型基础上，基于理论、实验和模拟对模型进行修正，使其更加接近再生混凝土结构的服役情况，该思路更具研究和推广价值。

（3）碳化性能改善。通过物理、化学或生物方法研究出再生混凝土防碳化技术，减少和延缓碳化的出现及发展从而提高再生混凝土的耐久性。

（4）碳化性能评估方法研究。针对再生混凝土碳化性能评估方法泛化不足的现状，整理碳化数据库，依靠机器学习建立一套全面可靠的再生混凝土碳化性能的评估方法。

5 结语

开展再生混凝土碳化的试验研究，对预防碳化造成的结构损伤起着重要作用。再生混凝土与普通混凝土的碳化过程类似，试验时应着重研究再生骨料自身缺陷造成的再生混凝土与普通混凝土碳化性能间的差异，从而更具针对性地对再生混凝土碳化性能进行改善，使其能够满足实际工程的需求。最后值得一提的是，碳化并非毫无益处，合理利用碳化填充再生混凝土微裂缝的正面效应，将为建筑业的低碳发展提供重要帮助。