吳林鍵，管 理，楊 曦，李婷婷，胡紅玲，袁 希

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610017)

混凝土作為應(yīng)用最廣泛的建筑材料，其在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放大量的CO2，降低混凝土原材料的使用對(duì)減少全球CO2的排放至關(guān)重要。但隨著城市化進(jìn)程的加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)混凝土原材料需求量巨大，與此同時(shí)伴隨著產(chǎn)生的廢棄混凝土數(shù)量與日俱增，預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)大陸上廢棄混凝土的總量將到達(dá)約28億t[1]。針對(duì)廢棄混凝土的處理我國(guó)現(xiàn)仍以堆放、埋填為主，嚴(yán)重影響到周邊生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)廢棄混凝土的資源化利用已迫在眉睫。再生骨料混凝土(RAC)技術(shù)[2]被認(rèn)為是能夠解決廢棄混凝土問(wèn)題的最有效措施，但利用廢棄混凝土破碎、篩分生產(chǎn)的再生骨料(RCA)不可避免附著老砂漿和老舊界面過(guò)渡區(qū)(OITZ)[3]，使得RCA及其RAC的力學(xué)強(qiáng)度、耐久性能等較天然骨料(NCA)及其混凝土(NAC)更差，加之如海洋環(huán)境等惡劣服役環(huán)境下由于氯離子侵蝕所引發(fā)的沿海港口碼頭鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能劣化等問(wèn)題[4]，嚴(yán)重制約了RCA及其RAC在沿海港口建設(shè)發(fā)展中的應(yīng)用。針對(duì)RCA及其RAC的改性提升是推廣其在港口海岸工程領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵。

目前，利用CO2碳化改性RCA的技術(shù)因其具有良好的改善效果和環(huán)境效益已成為RCA改性研究的熱點(diǎn)[5]。RCA老砂漿及OITZ含有水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(CH)、水化硅酸鈣(C-S-H)及未水化的水泥顆粒等物質(zhì)，在有水存在情況下上述成分會(huì)與通過(guò)孔隙滲透進(jìn)來(lái)的CO2氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成密實(shí)性產(chǎn)物碳酸鈣(CaCO3)、硅膠(SiO2·nH2O)等[6]，其固相體積相比于原有組分可增加11%～12%[7]，進(jìn)而提高RCA及其RAC的性能。已有研究著重致力于RCA最優(yōu)碳化環(huán)境的探索，F(xiàn)ang等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)利用CO2碳化RCA的最優(yōu)CO2濃度值為40%～60%。Richardson[9]指出相對(duì)濕度也會(huì)對(duì)RCA碳化改性效果造成影響，相對(duì)濕度最優(yōu)值在40%～70%的區(qū)間范圍。然而，RCA自身屬性因素(包括顆粒粒徑、含水率等)對(duì)碳化再生骨料(CRCA)及其再生混凝土(CRAC)性能的影響往往被忽略。

為了探究在固定加速碳化環(huán)境下，骨料含水率、粒徑對(duì)RCA碳化改性效果的影響，通過(guò)制備確定強(qiáng)度等級(jí)的母混凝土試件并經(jīng)破碎篩分和預(yù)處理后，得到設(shè)定工況下的RCA樣品。通過(guò)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)碳化條件下RCA的加速碳化試驗(yàn)，測(cè)試不同碳化時(shí)間下CRCA質(zhì)量的變化以及碳化完全的CRCA表觀密度、吸水率，探究碳化過(guò)程中CRCA的質(zhì)量增益時(shí)變規(guī)律，分析RCA自身屬性因素(包括骨料含水率、粒徑)對(duì)其碳化改性效果的影響。隨后，根據(jù)水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范制備得到包括NCA、RCA、CRCA三種不同骨料來(lái)源的混凝土試件，通過(guò)測(cè)試其抗壓強(qiáng)度、RCM氯離子擴(kuò)散系數(shù)，分析CRCA對(duì)港口再生混凝土力學(xué)強(qiáng)度及耐久性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料及預(yù)處理

再生骨料自身屬性(含水率、粒徑等)是影響其碳化效果的關(guān)鍵因素，為了能在已知RCA自身屬性指標(biāo)前提下開(kāi)展加速碳化試驗(yàn)，需預(yù)先制備確定強(qiáng)度等級(jí)的母混凝土試件。試驗(yàn)采用PO 42.5標(biāo)號(hào)的普通硅酸鹽水泥、細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂作為細(xì)骨料、公稱粒徑為5～25 mm連續(xù)級(jí)配的天然碎石作為粗骨料(表觀密度為2.7×103kg/m3)，具體配合比見(jiàn)表1。

表1 母混凝土配合比

母混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中初凝養(yǎng)護(hù)1 d后，再經(jīng)28 d浸飽和Ca(OH)2溶液養(yǎng)護(hù)后，實(shí)測(cè)得其立方體試件的抗壓強(qiáng)度為54.15 MPa，符合C50混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。母混凝土試件經(jīng)鄂式碎石破碎機(jī)和震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)破碎、篩分后得到粒徑分別為5～10 mm、10～20 mm、20～25 mm的RCA。為探究含水率對(duì)RCA加速碳化效果的影響，需要對(duì)各個(gè)粒徑下的RCA進(jìn)行預(yù)處理，本次試驗(yàn)考慮了兩個(gè)不同狀態(tài)下RCA的含水率，即自然狀態(tài)(試樣的原始狀態(tài))、完全干燥狀態(tài)。采用鼓風(fēng)干燥箱在105℃環(huán)境下烘干至恒重，制備得到完全干燥狀態(tài)的RCA試樣。在碳化前需要對(duì)RCA初始物理性能進(jìn)行測(cè)定，包括表觀密度、吸水率以及不同粒徑下不同狀態(tài)的含水率，具體物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 骨料初始物理性能

1.2 再生骨料加速碳化試驗(yàn)

在對(duì)不同粒徑的RCA進(jìn)行預(yù)處理并測(cè)定其含水率值后，開(kāi)始進(jìn)行對(duì)RCA的加速碳化試驗(yàn)。試驗(yàn)采用混凝土碳化箱在預(yù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)碳化環(huán)境下進(jìn)行，其中CO2氣體濃度為20%±5%，環(huán)境溫度為20℃±5℃，相對(duì)濕度為70%±5%，保持自然環(huán)境壓力條件。RCA在加速碳化過(guò)程中需對(duì)其不同碳化時(shí)間下的質(zhì)量變化進(jìn)行監(jiān)控，測(cè)試流程如下：

(1)制備兩個(gè)含水率狀態(tài)下三種不同粒徑的RCA試樣，每組工況分3個(gè)平行樣，共計(jì)6組18份試樣；

(2)每份試樣初始質(zhì)量稱取500 g，同時(shí)放置于混凝土碳化箱中；

(3)RCA開(kāi)始碳化后，間隔一定時(shí)間后對(duì)每份試樣的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試并記錄，碳化初期測(cè)試需要更頻繁，碳化直到試樣質(zhì)量基本保持不變時(shí)再結(jié)束；

(4)將CRCA試樣用干燥箱在105℃環(huán)境下烘干至恒重并記錄相應(yīng)的質(zhì)量。

采用碳化率ε量化RCA的碳化程度

(1)

式中：△Me和△Mt分別表示RCA的實(shí)際質(zhì)量增益和理論質(zhì)量增益，△Me通過(guò)稱量CO2碳化前后的RCA樣品來(lái)測(cè)得，△Mt為粘附于再生骨料表層的水泥砂漿對(duì)CO2最大理論吸收量，計(jì)算公式為[10]

(2)

式中：Mc、Ms、Ma分別為水泥、砂、粗骨料在母混凝土中所占比重(質(zhì)量百分比，見(jiàn)表1)；Q為RCA碳化前含水率；CO2%max為普通硅酸鹽水泥捕獲CO2最大理論量，可根據(jù)水泥的氧化物含量計(jì)算[11]

CO2%max=0.785(CaO-0.7SO3)+1.091MgO+1.420Na2O+0.935K2O

(3)

文獻(xiàn)資料表明[8]，普通硅酸鹽水泥的CO2%max為46.03%～57.77%，本試驗(yàn)近似取CO2%max=50%。同樣，在RCA碳化結(jié)束后，測(cè)試CRCA試樣的表觀密度、吸水率。從圖1可以看出，通過(guò)對(duì)碳化前的RCA試樣和碳化后的CRCA試樣滴定酚酞試劑，顯色反應(yīng)由碳化前的紫紅色變?yōu)樘蓟蟮臒o(wú)色，說(shuō)明碳化改變了RCA堿性特性。

1-a 碳化前的RCA試樣 1-b 碳化后的CRCA試樣

1.3 碳化再生骨料混凝土試件設(shè)計(jì)

為探究碳化再生骨料對(duì)港口再生混凝土力學(xué)強(qiáng)度及耐久性能的影響，制備同一水灰比下以NCA、RCA、CRCA三種不同骨料為原料的混凝土試件，即：NAC、RAC、CRAC，選取完全干燥狀態(tài)的RCA來(lái)制備CRCA，其配合比詳見(jiàn)表3，其中使用的水泥和細(xì)骨料與制備母材混凝土的原材料一致，NAC、RAC和CRAC的粗骨料分別采用公稱粒徑為5～25 mm連續(xù)級(jí)配的NCA、RCA、CRCA?？紤]到RCA的高吸水特性[12]，為減少其對(duì)新拌RAC和CRAC的和易性、力學(xué)性、耐久性的影響，需要對(duì)RCA和CRCA進(jìn)行預(yù)飽水處理，令其有效配合比一致[13]。RCA、CRCA的預(yù)飽水時(shí)間為1 d，拌和前對(duì)其進(jìn)行瀝干處理。各類混凝土試驗(yàn)試件的制備及養(yǎng)護(hù)流程與母混凝土試件一致。在三種混凝土試件養(yǎng)護(hù)完成后，每組試樣制備3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試件進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試；每組試樣制備3個(gè)直徑100 mm、高50 mm的圓柱體混凝土試件進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試。

表3 新拌混凝土配合比

2 母材對(duì)碳化再生骨料物理性能的影響

2.1 顆粒粒徑

同一含水率下不同粒徑RCA質(zhì)量隨碳化時(shí)間的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，無(wú)論是干燥態(tài)碳化還是自然態(tài)碳化，各粒徑下的RCA整體質(zhì)量隨碳化時(shí)間均呈現(xiàn)為先快速增長(zhǎng)后平緩增長(zhǎng)至幾乎不變的趨勢(shì)；當(dāng)碳化時(shí)間約104 h時(shí)，CRCA的質(zhì)量基本保持不變。粒徑對(duì)RCA碳化速度的影響明顯：在碳化前期，最小粒徑級(jí)配5～10 mm的RCA質(zhì)量增長(zhǎng)速度最快，最大粒徑級(jí)配20～25 mm的RCA質(zhì)量增長(zhǎng)速度最慢，由于粒徑越小的RCA其比表面積越大，與碳化介質(zhì)CO2和水分的接觸面積更大，與此同時(shí)生成的碳化產(chǎn)物對(duì)后續(xù)碳化反應(yīng)的阻礙作用也更小，故粒徑越小的RCA其整體碳化速度優(yōu)于粒徑大的RCA顆粒。

2-a 干燥態(tài)碳化 2-b 自然態(tài)碳化

同樣，粒徑對(duì)RCA碳化程度影響明顯，無(wú)論是干燥態(tài)碳化還是自然態(tài)碳化，在0～104 h的碳化齡期中，粒徑為5～10 mm的RCA質(zhì)量差異最大，這是由于RCA是由母混凝土破碎而成，粒徑越小的顆粒大都是多孔砂漿顆粒，而粒徑越大的顆粒大都為表層覆裹著砂漿層的原生NCA，其可碳化物質(zhì)少于粒徑小的顆粒，且由于原生NCA的存在，整體密實(shí)程度更高，CO2和水分通過(guò)RCA毛細(xì)孔隙滲透到內(nèi)部更難，導(dǎo)致其碳化難度加大。

不同粒徑RCA經(jīng)碳化后的質(zhì)量增益百分比結(jié)果見(jiàn)表4，進(jìn)一步按式(2)計(jì)算得到的RCA碳化率如圖3所示。由圖3可知，20～25 mm粒徑級(jí)配下干燥態(tài)和自然態(tài)的RCA碳化率分別為12.40%、7.14%，小于其他粒徑級(jí)配下的RCA碳化率，同樣表明RCA粒徑越大，可碳化物質(zhì)的減少和整體密實(shí)程度的增大導(dǎo)致了碳化反應(yīng)越難以發(fā)生。

表4 RCA質(zhì)量增益百分比

圖3 不同粒徑下RCA的碳化率

2.2 含水率

同一粒徑下不同含水率RCA質(zhì)量隨碳化時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，無(wú)論粒徑大小，各碳化時(shí)間下干燥狀態(tài)的RCA質(zhì)量增長(zhǎng)程度明顯優(yōu)于自然狀態(tài)，說(shuō)明了干燥狀態(tài)下的RCA在碳化過(guò)程中對(duì)CO2和水分的吸收更為充分，這是因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)從外部碳化環(huán)境向RCA內(nèi)部傳遞方向的濕度梯度，干燥態(tài)下的濕度梯度比自然態(tài)下的濕度梯度更大，水分?jǐn)y帶著CO2進(jìn)入內(nèi)部孔隙更容易。從圖3的碳化率結(jié)果可知，每個(gè)粒徑下干燥態(tài)碳化率高于自然態(tài)，兩個(gè)含水率狀態(tài)下碳化率最大差值為最小粒徑級(jí)配5～10 mm的13.34%，最小差值為中間粒徑級(jí)配10～20 mm的1.37%，這意味著含水率越小對(duì)小顆粒粒徑的RCA碳化改性更加有益。

4-a 粒徑5～10 mm 4-b 粒徑10～20 mm 4-c 粒徑20～25 mm

從圖2兩個(gè)含水率狀態(tài)下RCA整體質(zhì)量變化趨勢(shì)也可以發(fā)現(xiàn)，干燥態(tài)RCA質(zhì)量變化趨勢(shì)相較于自然態(tài)更加明確，碳化過(guò)程中自然態(tài)RCA質(zhì)量波動(dòng)起伏程度較大，呈不穩(wěn)定的變化規(guī)律，分析原因認(rèn)為是濕度梯度引起的水分交換和碳化反應(yīng)耦合造成的。干燥態(tài)的RCA內(nèi)外濕度梯度方向明確，由于碳化開(kāi)始時(shí)本身的含水率為0，水分被吸收的同時(shí)由于碳化反應(yīng)的發(fā)生也在被消耗，碳化反應(yīng)后生成的產(chǎn)物密實(shí)了孔隙，可碳化空間隨碳化時(shí)間的推移在被進(jìn)一步的縮小，直到碳化完全；而含水率高的自然態(tài)RCA(含水率為3%～5%，見(jiàn)表2)由于碳化前自身含有一定量的孔隙溶液，在碳化過(guò)程同時(shí)伴隨著外部水分的滲透，并且碳化反應(yīng)還伴隨著有水的生成，內(nèi)外濕度梯度方向會(huì)存在著交替改變，由此引起的水分交換物理反應(yīng)和一直進(jìn)行的碳化化學(xué)反應(yīng)相互影響，造成了RCA質(zhì)量的不穩(wěn)定變化。

經(jīng)實(shí)測(cè)，不同類型骨料的表觀密度和吸水率如圖5所示。由圖5可知，相較于未碳化的RCA，在碳化104 h后CRCA的表觀密度和吸水率均有一定程度的改善，碳化后的CRAC表觀密度得以提升，吸水率降低，這是因?yàn)樘蓟a(chǎn)物密實(shí)了RCA孔隙，改善了內(nèi)部疏松多孔的形貌，但CRCA整體物理性能仍不及NCA。除此之外，自然態(tài)碳化在表觀密度和吸水率物理性能指標(biāo)上整體呈現(xiàn)出更優(yōu)的現(xiàn)象，與前文關(guān)于質(zhì)量和碳化率指標(biāo)的評(píng)價(jià)不一致(干燥態(tài)碳化更優(yōu))，經(jīng)分析認(rèn)為原因主要在于：多次的烘干處理(干燥態(tài)RCA在碳化前、后均有烘干處理)對(duì)再生骨料自身物質(zhì)結(jié)構(gòu)造成了一定程度的熱損傷。

圖5 不同骨料的表觀密度和吸水率

3 碳化再生骨料對(duì)再生混凝土性能的影響

3.1 塌落度

NAC、RAC和CRAC的塌落度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，NAC的塌落度最小，為10 mm，RAC和CRAC的塌落度均高于NAC，這是因?yàn)樵诎韬椭皩?duì)RCA和CRCA進(jìn)行了預(yù)飽水處理，拌和過(guò)程中有更多的自由水留在了砂漿中。而CRAC的塌落度比RAC高出了20%，這是由于碳化改性RCA降低了其吸水率，多出的自由水也留在了砂漿中，增大了其塌落度。

圖6 NAC、RAC和CRAC塌落度

3.2 抗壓強(qiáng)度

NAC、RAC和CRAC的28 d立方體抗壓強(qiáng)度如圖7所示。由圖7可知，同一水灰比下RAC和CRAC的立方體抗壓強(qiáng)度均小于NAC，其中RAC與NAC的立方體抗壓強(qiáng)度相對(duì)差值最大，達(dá)到了11.18%，這說(shuō)明了RCA在制取過(guò)程中由于破碎等工藝會(huì)對(duì)自身的力學(xué)性能造成損傷，導(dǎo)致了RAC的力學(xué)強(qiáng)度不及天然骨料制備的NAC。CRAC的28 d立方體抗壓強(qiáng)度雖然不及NAC，但相較于RAC其抗壓強(qiáng)度增大了4.58%，表明碳化改性的CRCA對(duì)其CRAC的力學(xué)性能有一定程度提高，這是因?yàn)樘蓟a(chǎn)物密實(shí)了RCA孔隙，進(jìn)而提高由低品質(zhì)RCA制備的混凝土力學(xué)強(qiáng)度。

3.3 RCM氯離子擴(kuò)散系數(shù)

NAC、RAC和CRAC的RCM氯離子擴(kuò)散系數(shù)(DRCM)實(shí)測(cè)值如圖8所示。由圖8可知，同一水灰比下NAC的DRCM最低，相較于DRCM最高的RAC，二者之間的差異性達(dá)到了47.30%，這依舊可歸結(jié)于RCA的高吸水率和高孔隙率[14]。表2指出了RCA的吸水率大約是NCA的10倍，疏松多孔的RCA提供了更多的氯離子滲透通道，導(dǎo)致RAC的耐久性較NAC更低。CRAC的DRCM雖高于NAC，但相較于RAC低了22.02%，表明碳化改性的CRCA對(duì)CRAC的耐久性能有一定程度改善，這是因?yàn)樘蓟a(chǎn)物密實(shí)了RCA孔隙，降低了其孔隙率，與此同時(shí)碳化反應(yīng)還對(duì)RAC的新老界面過(guò)渡區(qū)均有改善。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同粒徑下干燥態(tài)和自然態(tài)兩種含水率的再生骨料進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)，測(cè)試不同碳化時(shí)間CRCA質(zhì)量以及碳化完全的CRCA表觀密度和吸水率，獲得碳化再生骨料質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)比分析不同粒徑、不同含水率的再生骨料完全碳化后其物理性能的改善程度。最后進(jìn)行碳化再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能試驗(yàn)，將之與天然骨料混凝土、普通再生骨料混凝土進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

(1)在標(biāo)準(zhǔn)碳化環(huán)境下，各粒徑的再生骨料在100 h左右能碳化完全，其中最小粒徑級(jí)配5～10 mm的再生骨料顆粒其碳化速度和碳化程度最優(yōu)，表明碳化對(duì)小粒徑再生骨料的改性效果最好。

(2)含水率對(duì)再生骨料碳化速度和碳化程度存在較大影響，從再生骨料質(zhì)量時(shí)變趨勢(shì)及碳化率指標(biāo)分析可發(fā)現(xiàn)：各粒徑下的干燥態(tài)碳化均優(yōu)于自然態(tài)碳化，5～10 mm粒徑級(jí)配下兩個(gè)含水率狀態(tài)的碳化率相差最大為13.34%。干燥態(tài)碳化的再生骨料整體質(zhì)量變化更趨于穩(wěn)定，說(shuō)明再生骨料含水率越小，在碳化改性時(shí)對(duì)CO2和水分的吸收越有利。

(3)由于碳化產(chǎn)物密實(shí)了再生骨料孔隙，降低了吸水率，從而提高了碳化再生骨料混凝土的和易性、力學(xué)強(qiáng)度和抗氯離子滲透性。相較于普通再生骨料混凝土，碳化再生骨料混凝土的塌落度、抗壓強(qiáng)度分別提高了20%、4.58%，而RCM氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了22.02%。

經(jīng)研究表明，影響再生骨料碳化改性的因素眾多，材料自身屬性因素和碳化環(huán)境因素均會(huì)影響再生骨料的碳化反應(yīng)進(jìn)程并最終影響其碳化改性效果，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，值得進(jìn)一步研究，這對(duì)于再生骨料的改性研究工作具有重要意義。此外，碳化再生骨料混凝土在海洋服役環(huán)境下受氯離子長(zhǎng)期侵蝕的耐久性問(wèn)題是影響該材料在沿海港口工程建設(shè)中實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵，后續(xù)值得更深入研究。