王建超，裘子銘，陸佳韋，周靜海

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，沈陽 110168)

0 引 言

混凝土碳化又稱中和化，是因酸性氣體侵入混凝土空隙內(nèi)部與混凝土中堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)堿度降低的現(xiàn)象[1]。雖然碳化現(xiàn)象會使混凝土強(qiáng)度有一定提高，但是碳化會使混凝土保護(hù)層厚度減小，鋼筋與混凝土的粘結(jié)性降低，進(jìn)而引發(fā)一系列耐久性問題[2]。再生混凝土是一種環(huán)保的新型混凝土，但是由于再生骨料內(nèi)部或多或少都存在一些缺陷，使其與普通混凝土相比，二氧化碳?xì)怏w的滲入量更大，使碳化進(jìn)程有所加快。

相關(guān)學(xué)者提出了一系列的混凝土碳化深度預(yù)測模型[3-6]，這些模型可以分為兩大類：一是基于阿列克謝耶夫的半經(jīng)驗(yàn)半概率模型[7]推演而來的，如Marques模型[8]和Teply模型[9]等；二是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的碳化深度回歸模型，如牛荻濤模型[10]和Kwon模型[11]等。但這些模型與廢棄纖維再生混凝土的實(shí)際碳化深度吻合度不高。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥選用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；砂采用二級中砂；粗骨料采用粒徑為5～25 mm，且各方向尺寸相近、級配良好的碎石；再生粗骨料是由原始強(qiáng)度為40 MPa的廢棄混凝土試件，經(jīng)人工破碎、清洗、篩分得到的，其粒徑為5～25 mm；廢棄纖維采用丙綸織品，經(jīng)過人工裁剪成12 mm、19 mm和30 mm；試驗(yàn)用水采用不含有腐蝕性介質(zhì)的自來水；摻合料選用沈陽路鵬建材廠生產(chǎn)的II級粉煤灰和高爐礦渣微粉。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計

本試驗(yàn)選取水灰比、再生骨料摻量、廢棄纖維摻量和廢棄纖維長度作為變量。由于配置再生混凝土的用水分為兩部分，一部分用于水化作用，稱為自由水；另一部分水被再生骨料所吸收，稱為吸附水。因此，本試驗(yàn)所涉及的水灰比為自由水灰比，吸附水用量需額外考慮[12]。此外，還設(shè)計了以粉煤灰替代率、礦渣微粉替代率和工作應(yīng)力為變量的附加試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案配合比和分組如表1和表2所示。

表1 基于自由水灰比的配合比設(shè)計Table 1 Mixture proportion based on free water to cement ratio

Note: Free water to cement ratio refers to the mass ratio of free water used for hydration to the cement.

表2 廢棄纖維再生混凝土碳化試驗(yàn)方案Table 2 Mixed design for carbonation tests of waste fiber recycled concrete

續(xù)表2

Note:ftkis standard axial tensile strength of concrete;fckis standard axial compressive strength of concrete.

1.3 加載設(shè)備及試驗(yàn)方案

1.3.1 燒重試驗(yàn)

采用箱式電阻爐進(jìn)行燒重試驗(yàn)。首先，將按表2配合比配置的試樣依照四分法放入到質(zhì)量一定的剛玉坩堝中；然后，在105～110 ℃對坩堝進(jìn)行短暫灼燒，以排除結(jié)晶水、廢棄纖維等干擾因素的影響。待冷卻至室溫后稱重，記為燒重前的質(zhì)量；再將試件重新放入電阻爐內(nèi)，660 ℃持續(xù)灼燒30 min，待試件冷卻至室溫后稱重，記為燒重后的質(zhì)量。

1.3.2 壓汞試驗(yàn)

壓汞測孔法[13]是一種研究水泥復(fù)合材料孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的常用方法，其原理是通過分析汞的壓入量和所需壓力來量化多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)采用9500型全自動壓汞儀，按表2中試驗(yàn)組分別進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，得到各組的孔隙體積分形維數(shù)。

1.3.3 碳化試驗(yàn)

本試驗(yàn)在CCB-70 A型碳化試驗(yàn)箱中進(jìn)行，按表2中試驗(yàn)分組制備試件，試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，每種分組3個試件。具體碳化流程按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行。用游標(biāo)卡尺分別測得試塊碳化齡期達(dá)到3 d、7 d、14 d和28 d時的碳化深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒重試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

由于燒重后減少的質(zhì)量為廢棄纖維再生混凝土吸收二氧化碳的質(zhì)量，因此，引入單位混凝土體積吸收二氧化碳的摩爾質(zhì)量m0(mol/m3)來量化各試件吸收二氧化碳能力。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 廢棄纖維再生混凝土燒重試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of waste fiber recycled concrete loss on ignition tests

普通混凝土單位體積吸收二氧化碳的摩爾質(zhì)量只與水泥用量有關(guān)，但廢棄纖維再生混凝土除了在澆筑試件時使用的水泥外，再生混凝土本身也夾帶著部分硬化后的水泥漿體，這勢必會影響單位體積吸收二氧化碳的摩爾質(zhì)量的取值。因此，引入再生骨料摻入量進(jìn)行修正，通過表3中的數(shù)據(jù)擬合出公式(1)。

m0=(8.03+0.778 86R)C

(1)

式中，m0為單位體積吸收CO2的摩爾質(zhì)量，mol/m3；R為再生骨料摻量，%；C為單位體積的水泥用量，kg/m3。

2.2 壓汞試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

按表2中的試驗(yàn)分組分別進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，通過計算得到孔隙體積分形維數(shù)，如表4所示。引入水灰比(W/C)、再生骨料摻入量R、纖維長度L及纖維摻量F作為變量對孔隙體積分形維數(shù)D進(jìn)行量化描述,通過擬合表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到分形維數(shù)的擬合公式(2)。

(2)

表4 廢棄纖維再生混凝土的孔隙體積分形維數(shù)Table 4 Pore volume fractal dimension of waste fiber recycled concrete

2.3 碳化試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

通過操作上述碳化試驗(yàn)的步驟，分別對試塊進(jìn)行切割破碎并測得其對應(yīng)碳化深度值，每組試件的碳化深度平均值見表5。

表5 廢棄纖維再生混凝土的碳化深度試驗(yàn)值Table 5 Experimental results of carbonation depth of waste fiber recycled concrete

2.3.1 水灰比的影響

圖1為A1、A2和A3試驗(yàn)組水灰比對碳化深度的影響。從圖1中可以看出，試件的碳化深度隨著水灰比的增加而增加。其原因是水灰比的提高使試件中的孔隙率也隨之增加，從而加快了碳化反應(yīng)的進(jìn)程。另外，廢棄纖維再生混凝土早期的碳化速度較快，而后期的增長速率放緩。主要原因是隨著二氧化碳進(jìn)入孔隙并在碳化反應(yīng)的作用下不斷生成CaCO3等固態(tài)物質(zhì)，最終混凝土孔隙會被阻塞，減緩CO2進(jìn)入廢棄纖維再生混凝土內(nèi)部的速率，進(jìn)而減慢了碳化的進(jìn)程。

圖1 不同水灰比下廢棄纖維再生混凝土碳化深度曲線Fig.1 Carbonation depth of waste fiber recycled concrete with different water to cement ratio

圖2 不同再生骨料取代率下廢棄纖維再生混凝土碳化深度曲線Fig.2 Carbonation depth of waste fiber recycled concrete with different content of recycled aggregate

2.3.2 再生骨料摻量的影響

圖2為A2、B1和B2試驗(yàn)組再生骨料摻量對碳化深度的影響。從圖2中可以看出試件的碳化深度隨著再生骨料取代率的增加而增加。這是由于試驗(yàn)所用的再生骨料都是經(jīng)過受荷而破壞的，骨料的內(nèi)部存在若干微小的裂縫，隨著再生骨料替代率的增加試件的整體孔隙率也會隨之增加，從而加快碳化進(jìn)程。

2.3.3 廢棄纖維長度的影響

圖3為A2、C1和C2試驗(yàn)組廢棄纖維長度對碳化深度的影響。從圖3中可知試件的碳化深度隨著纖維長度的增加而減少。這是因?yàn)槔w維的存在可以改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減緩CO2在廢棄纖維再生混凝土中的擴(kuò)散能力，從而提高廢棄纖維再生混凝土的抗碳化性能。

圖3 不同纖維長度下廢棄纖維再生混凝土碳化深度曲線Fig.3 Carbonation depth of waste fiber recycled concrete with different fiber length

圖4 不同纖維摻量下廢棄纖維再生混凝土碳化深度曲線Fig.4 Carbonation depth of waste fiber recycled concrete with different content of fiber

2.3.4 廢棄纖維摻量的影響

圖4為A2、D1、D2和D3試驗(yàn)組廢棄纖維摻量對碳化深度的影響。由圖4可知當(dāng)廢棄纖維摻量小于0.12%時，試件的碳化深度隨著廢棄纖維摻量的增加而減少，當(dāng)廢棄纖維摻量達(dá)到0.16%時，試件的碳化深度比摻量為0.12%時的碳化深度略有增加。這是因?yàn)楫?dāng)摻入適量的廢棄纖維時，可以使混凝土內(nèi)部的材料分布更加均勻，進(jìn)而抑制碳化進(jìn)程；當(dāng)纖維用量過多或攪拌不充分時，纖維極易抱團(tuán)，進(jìn)而形成薄弱區(qū)，降低混凝土密實(shí)度和破壞內(nèi)部孔隙的合理分布，從而加劇混凝土的碳化進(jìn)程。因此，廢棄纖維最優(yōu)摻量為0.12%。

2.3.5 粉煤灰替代率的影響

圖5為A2、F1和F2試驗(yàn)組粉煤灰替代率對碳化深度的影響。從圖5中可知試件的的碳化深度隨著粉煤灰替代率的增加而減小。這主要是因?yàn)榉勖夯抑饕煞諷iO2和Al2O3的二次水化消耗混凝土中堿性物質(zhì)，從而使混凝土抗碳化能力下降。

圖5 不同粉煤灰替代率下廢棄纖維再生混凝土碳化深度曲線Fig.5 Carbonation depth of waste fiber recycled concrete with different fly ash replacement

圖6 不同礦渣微粉替代率下廢棄纖維再生混凝土碳化深度曲線Fig.6 Carbonation depth of waste fiber recycled concrete with different slag replacement

2.3.6 礦渣微粉摻量的影響

圖6為A2、K1～K4試驗(yàn)組礦渣微粉對碳化深度的影響。從圖6中可知，當(dāng)?shù)V渣微粉的替代率小于15%時，礦渣微粉的存在可以抑制碳化進(jìn)程；當(dāng)?shù)V渣微粉的替代率大于15%時，礦渣微粉的存在可以加快碳化進(jìn)程。這是由于當(dāng)?shù)V渣微粉的摻量低于15%時，礦渣微粉在水泥的水化反應(yīng)中硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，表現(xiàn)出較高的活性，從而優(yōu)化了混凝土中內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)；當(dāng)?shù)V渣微粉的摻量大于15%，由于試件的堿度不足以激發(fā)超量礦渣微粉的活性，導(dǎo)致水化硅酸鈣生成量不足使得整個混凝土結(jié)構(gòu)空隙率上升，進(jìn)而加快CO2的滲入速率，從而加快碳化進(jìn)程。因此，礦渣微粉最優(yōu)摻量為15%。

2.3.7 工作應(yīng)力的影響

圖7為單軸壓應(yīng)力對碳化深度的影響。從圖7中可以看出，壓應(yīng)力的存在可以有效抑制混凝土的碳化進(jìn)程，隨著壓應(yīng)力的增大，抑制效果越顯著。這是因?yàn)楫?dāng)單軸壓應(yīng)力作用水平較小時，廢棄纖維再生混凝土的微觀裂縫會閉合或縮小，進(jìn)而導(dǎo)致CO2擴(kuò)散速率的減小，降低廢棄纖維再生混凝土的碳化速率。

圖7 單軸壓應(yīng)力作用下廢棄纖維再生混凝土的碳化深度曲線Fig.7 Carbonation depth of waste fiber recycled concrete with uniaxial compressive stress

圖8 彎曲拉應(yīng)力作用下廢棄纖維再生混凝土的碳化深度曲線Fig.8 Carbonation depth of waste fiber recycled concrete with bending tensile stress

圖8為彎曲拉應(yīng)力以碳化深度的影響。從圖8中可以看出拉應(yīng)力的存在可以加劇廢棄纖維再生混凝土的碳化進(jìn)程，隨著拉應(yīng)力的增大，碳化的速度加快。這是因?yàn)閺U棄纖維再生混凝土試件內(nèi)部孔隙、微裂縫等缺陷會隨著拉應(yīng)力的增大而增大，進(jìn)而導(dǎo)致CO2擴(kuò)散速率的增大，從而加快試件的碳化進(jìn)程。

3 廢棄纖維再生混凝土碳化實(shí)用模型建立

(3)

(4)

KRH=(1-RH)2.2

(5)

式中,D為孔隙體積分形維數(shù)，由壓汞試驗(yàn)測得；KT為溫度影響系數(shù)；KRH為濕度影響系數(shù)；T為絕對溫度，℃；F(D)為關(guān)于分形維數(shù)D的函數(shù)；RH為相對濕度，%。

將表達(dá)式(3)兩側(cè)同除以KT及KRH，并取根號，再將每組項(xiàng)的結(jié)果和對應(yīng)分形維數(shù)D進(jìn)行比較擬合，求得恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)式。取各組28 d的F(D)值作為擬合的函數(shù)參考值，對表6中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將分形維數(shù)D作為函數(shù)的自變量，F(xiàn)(D)作為函數(shù)的因變量，擬合出如下函數(shù)：

F(D)=501.8×D2-2 744×D+3 754

(6)

表6 不同試驗(yàn)分組對應(yīng)F(D)值的理論值、擬合值及誤差分析Table 6 Test value, fitting values and error analysis of F(D)

基于Fick第一定律，推導(dǎo)出如下廢棄纖維再生混凝土碳化深度預(yù)測模型[10]:

(7)

考慮到附加因素(如粉煤灰替代率、礦渣微粉替代率和應(yīng)力作用)對廢棄纖維再生混凝土碳化深度的影響，現(xiàn)對基本碳化公式進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的修正，將表7中A2、F、W和K組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到下列修正系數(shù)：

K粉=5.445×FA+0.304 4

(8)

K礦=2.725×SP+0.352 2

(9)

Kc=-0.009 49×σc+1.004

(10)

Kt=0.682 8×σt+1.184

(11)

式中,FA為粉煤灰替代率，%；SP為礦渣微粉替代率，%；σc為壓應(yīng)力，kN/m2;σt為拉應(yīng)力，kN/m2。

依據(jù)公式(7)中的實(shí)用模型，計算出廢棄纖維再生混凝土28 d碳化深度計算值和誤差，具體結(jié)果如表7所示。

表7 廢棄纖維再生混凝土碳化深度預(yù)測誤差分析Table 7 Error analysis of carbonation depth prediction model of waste fiber recycled concrete

通過對比表7中碳化深度的試驗(yàn)值與計算值，發(fā)現(xiàn)除A1、B1和D1組試驗(yàn)值與計算值大于15%外，其余各試驗(yàn)組與公式(7)擬合度均較好。造成上述較大誤差的原因有以下兩點(diǎn)[16-19]：

(1)除A1為廢棄纖維再生混凝土的基準(zhǔn)、雙摻量組項(xiàng)外(同時摻入再生粗骨料和廢棄纖維)，B1及D1均是單摻量組項(xiàng)(只摻入廢棄纖維或再生粗骨料)，得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在某種程度上會影響碳化預(yù)測模型擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)廢棄纖維和再生混凝土的摻入量對混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)影響較大，也對二氧化碳?xì)怏w的滲入量造成很大影響，進(jìn)而導(dǎo)致廢棄纖維再生混凝土中的碳化進(jìn)程也不盡相同。細(xì)觀A1、B1和D1三組碳化深度數(shù)據(jù)會發(fā)現(xiàn)其絕對誤差均不大，但由于試驗(yàn)值均較小，即使細(xì)微的試驗(yàn)偏差也會導(dǎo)致較大的相對誤差。

4 結(jié) 論

(1)廢棄纖維再生混凝土碳化深度隨著水灰比和再生骨料取代率的增大而減??；纖維長度與廢棄纖維再生混凝土碳化深度成負(fù)相關(guān)；廢棄纖維摻量過多或過少都會加速碳化的進(jìn)程，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知廢棄纖維摻量為0.12%時為最優(yōu)摻量。

(2)粉煤灰的摻入會加速廢棄纖維再生混凝土的碳化進(jìn)程，且摻入量越大，碳化深度越深；礦渣微粉取代率對廢棄纖維再生混凝土的碳化進(jìn)程的影響是非單調(diào)的，隨著礦渣微粉取代率的增加，混凝土的碳化深度先減小后增加，最終得出礦渣微粉最優(yōu)摻量為15%。

(3)拉應(yīng)力的存在會加速混凝土的碳化進(jìn)程，且隨著拉應(yīng)力水平的提升試件的碳化深度越大；壓應(yīng)力的存在會抑制混凝土的碳化進(jìn)程，且隨著壓應(yīng)力水平的提升試件的碳化深度越小。

(4)在Fick第一定律的基礎(chǔ)上引入氣體擴(kuò)散理論和分形理論，建立了適用于廢棄纖維再生混凝土的碳化深度預(yù)測模型，且模型的計算值與試驗(yàn)值吻合良好。