再生混凝土抗碳化性能試驗研究及理論分析

再生混凝土抗碳化性能試驗研究及理論分析

肖文廣，郭樟根，吳政鵬，屠新亞，彭陽

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210009)

摘要：通過快速碳化試驗，以再生骨料摻量、水灰比、水泥用量、原始混凝土強度和礦物摻合料為影響因素，對再生混凝土的碳化性能進(jìn)行研究。試驗結(jié)果表明：再生混凝土的碳化深度隨水灰比、再生骨料摻量的增加而減小，隨原始混凝土強度的增大和水泥用量的增加而增大，適量添加礦物摻和料能降低再生混凝土的碳化深度，提升其抗碳化性能。在已有的普通混凝土碳化模型研究基礎(chǔ)上，結(jié)合本試驗和中國其他學(xué)者的試驗數(shù)據(jù)，建立了再生混凝土碳化深度預(yù)測模型，模型預(yù)測結(jié)果與試驗值吻合較好。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；碳化；水灰比；預(yù)測模型

Received:2015-07-11

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No.50708045)

隨著中國城市化規(guī)模的發(fā)展，每年新建和拆除的混凝土結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量巨大，既產(chǎn)生了龐大的建筑垃圾，又消耗了大量的砂、石，造成了自然資源的過度消耗和環(huán)境破壞。2014年，建筑垃圾已突破20億噸，而且該增長趨勢將隨著中國的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展更加明顯?；炷吝@種粗放式生產(chǎn)方式帶來的環(huán)境污染和資源消耗是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中迫切需要解決的問題。將廢棄混凝土回收利用，制作再生混凝土(RAC)并用于新建建筑物，這種技術(shù)有效解決了建筑垃圾的處理，同時,也有利于自然資源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)[1]。

已有研究表明再生混凝土的耐久性與天然混凝土相比仍有較大差別，而耐久性是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中，碳化性能又是影響耐久性的重要因素。因此，學(xué)者們針對再生混凝土的碳化性能開展了研究。肖建莊等[2]的研究表明：同水平條件下的抗碳化性能，再生混凝土低于普通混凝土。Kou等[3]的研究得出了同樣的結(jié)論，且碳化深度隨再生骨料摻量的增加而增大。Evangelista等[4]的研究結(jié)果表明：當(dāng)細(xì)骨料30%取代時，再生混凝土碳化深度比普通混凝土小27%；當(dāng)細(xì)骨料全部取代時，則要大35%。Sagoe-Crentsil等[5]的試驗表明：粗骨料全部取代時，再生混凝土碳化速率加快10%。Otsuki等[6]認(rèn)為，當(dāng)水灰比增大時，再生混凝土碳化深度增加。Geng等[7]的研究表明：減小再生細(xì)骨料的粒徑能增強再生混凝土的抗碳化性能。Jongsung等[8]的試驗研究結(jié)果表明：控制再生細(xì)骨料摻量在30%以內(nèi)時，摻粉煤灰將不再降低再生混凝土的抗碳化性能。

筆者通過加速碳化試驗，考察了再生骨料摻量、水灰比、水泥用量、原始混凝土強度及礦物摻合料對再生混凝土碳化性能的影響。同時，在現(xiàn)有普通混凝土碳化模型研究基礎(chǔ)上，結(jié)合中國其他學(xué)者的試驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行了分析，通過對試驗數(shù)據(jù)的非線性回歸分析，提出了再生混凝土碳化深度預(yù)測模型。

1試驗概況

1.1　材　料

水泥采用海螺牌32.5 MPa普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料為碎石；細(xì)骨料為河砂，經(jīng)測試為中砂，表觀密度為2 572 kg/m3；再生粗骨料采用南京工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗中心廢棄混凝土試塊經(jīng)人工破碎而成，粒徑為5～31.5 mm，連續(xù)級配；礦物摻合料選用粉煤灰和礦渣。

1.2　試驗方案

參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行了再生混凝土配合比設(shè)計，考察再生骨料摻量、水灰比、水泥用量、原始混凝土強度、礦物摻合料對再生混凝土抗碳化性能的影響，碳化試驗試件及分組見表1。

抗壓強度試驗按照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行，采用標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d；碳化試驗按照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行，采用15組100 mm×100 mm×300 mm棱柱試件，每組3個，測試碳化時間分別為3、7、14、28 d時再生混凝土的碳化深度。對達(dá)到碳化時間的試件按文獻(xiàn)[10]進(jìn)行劈裂試驗，將斷面噴濃度為1%的酚酞酒精溶液來標(biāo)識各碳化時間下試塊的碳化深度，酚酞與未碳化的混凝土堿性孔溶液反應(yīng)變成紅色，測量靠近邊緣不變色部分的深度即為碳化深度。測量時取8~9個測點進(jìn)行測量，取各測點碳化深度的平均值作為試件的碳化深度測定值。當(dāng)測定點的碳化分界線上剛好嵌有粗骨料顆粒，可取該顆粒兩側(cè)處碳化深度的算術(shù)平均值作為該點的深度值。

表1　碳化試件一覽表

2試驗結(jié)果及分析

2.1　試驗主要結(jié)果

圖1為各棱柱體試件在不同碳化時間下的實測圖。表2為各碳化時間的碳化深度測試值及28 d抗壓強度實測值。從圖1可以看出：碳化時間越長，再生混凝土碳化深度越大，且由于混凝土內(nèi)部密實度的差異，致使各部位碳化深度不同。

圖1　各碳化時間下再生混凝土的碳化深度Fig.1　The carbonation depth of different time of recycled

試件編號碳化深度/mm3d7d14d28d28d強度/MPaRCA18.309.9014.1016.5025.50RCA29.6013.7021.0025.0022.80RCA310.0010.5020.9024.2018.80RCB18.1012.4019.2024.0019.90RCB25.706.9010.0013.3026.70RCC18.108.7014.1020.9023.30RCC29.309.9016.7021.9024.60RCC39.0010.6016.2023.2020.70RCC48.108.3012.9016.8023.20RCD110.9011.7016.5023.5021.70RCD210.1012.2016.6024.0024.20RCD37.408.4013.8017.4021.30RCD410.4012.9016.4024.7025.10RCE17.8011.1014.0017.9024.70RCE28.709.5012.8017.6026.60

2.2　試驗結(jié)果分析

2.2.1再生骨料摻量的影響圖2所示為再生骨料摻量對于碳化深度的影響規(guī)律。從圖2中可以看出：當(dāng)再生骨料摻量較小時(<50%)，再生混凝凝土碳化深度增加不大，當(dāng)再生骨料摻量為50%時碳化深度甚至降低，這是因為當(dāng)再生骨料摻量較小時，再生骨料表面包裹的老舊砂漿增加了再生混凝土的水泥含量，增加了內(nèi)部密實程度，有利于再生混凝土抗碳化；而當(dāng)再生骨料摻量繼續(xù)增大至100%，由于再生骨料本身孔隙率較大，且骨料破碎會產(chǎn)生微裂縫，CO2在再生混凝土中擴(kuò)散的通道增多、速度加快，這種不利效應(yīng)比再生骨料表面老舊砂漿增加的水泥含量所帶來的有益效應(yīng)更顯著，使得再生混凝土碳化深度增加，抗碳化能力降低。

圖2　再生骨料摻量對碳化深度的影響Fig.2　Effects of recycled aggregate replacementratios on carbonation

2.2.2水灰比的影響圖3所示為水灰比對碳化深度的影響規(guī)律。從圖3中可以看出：當(dāng)碳化時間不超過7 d時，水灰比的影響不大；但隨后至28 d時，隨水灰比的增大，碳化深度明顯增加，且水灰比大于0.5時，碳化深度的增加趨于平緩，總體上水灰比增大使得碳化深度增加。這是因為水灰比越大，單位體積內(nèi)水泥用量越少，再生混凝土內(nèi)部水泥石的密實度越小，空隙率將變大，CO2將更容易擴(kuò)散到內(nèi)部。

圖3　水灰比對碳化深度的影響Fig.3　Effects of water cement ratios on carbonation

2.2.3水泥用量對碳化深度的影響圖4所示為水泥用量對碳化深度的影響規(guī)律。從圖4中可以看出：控制水泥用量400 kg/m3以內(nèi)時，再生混凝土的碳化深度的變化不明顯，但當(dāng)水泥用量繼續(xù)增大至500 kg/m3時，碳化深度下降較大，抗碳化能力顯著增強。其原因是在同水灰比條件下，單位體積內(nèi)水泥的用量增加，提高了混凝土內(nèi)部密實程度，使得CO2進(jìn)入的通道變少，減小了碳化深度，抗碳化能力增大。

圖4　水泥用量對碳化深度的影響Fig.4　Effects of cement content on carbonation

2.2.4原始混凝土強度的影響圖5所示為原始混凝土強度對碳化深度的影響規(guī)律。從圖5中可以看出：基本上隨著原始混凝土強度的增大，再生混凝土碳化深度減小，抗碳化能力增加。以原始強度C30作為分界線，強度小于C30時，碳化深度隨強度增大而增加，強度大于C30時，碳化深度隨強度增加而減小。特別是當(dāng)強度為C40時，碳化深度減小非常明顯。主要原因是由強度高的原始混凝土破碎的再生骨料表面老舊砂漿的強度較高，使得再生骨料與新砂漿間形成的界面更密實，這種影響在原始強度不超過C30時并不明顯，而當(dāng)強度超過C30后該影響顯著，再生混凝土的抗碳化性能得以提高。

圖5　原始混凝土強度對碳化深度的影響Fig.5　Effects of original strength on carbonation depth

2.2.5礦物摻合料的影響圖6所示為礦物摻和料對碳化深度的影響規(guī)律。從圖6中可以看出：摻和料的加入明顯降低了再生混凝土的碳化深度。這是由于礦物摻合料改善了再生骨料與新水泥漿體間的界面，此外也使得混凝土內(nèi)部更為密實。同時，摻入粉煤灰既能增強混凝土密實度，也會導(dǎo)致內(nèi)部堿性成分減少，但前者的效應(yīng)要大于后者。

圖6　礦物摻和料對碳化深度的影響Fig.6　Effects of mineral admixture on carbonation

3再生混凝土碳化深度預(yù)測模型

目前,普通混凝土碳化深度計算模型主要有3類：基于擴(kuò)散理論的理論模型、基于碳化試驗結(jié)果統(tǒng)計的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、基于擴(kuò)散理論與試驗結(jié)果的模型。其中，理論模型中各物理量含義明確，但難以確定，不便應(yīng)用于工程實際中；經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯嶋H應(yīng)用方便，但是,其適用條件有所限制，也缺乏足夠的理論基礎(chǔ)；基于擴(kuò)散理論與試驗結(jié)果模型，注重模型與試驗數(shù)據(jù)的比對，是比較理想的預(yù)測模型。本文在現(xiàn)有普通混凝土基于擴(kuò)散理論與試驗結(jié)果的模型基礎(chǔ)上，結(jié)合本試驗和同濟(jì)大學(xué)雷斌等[12]的數(shù)據(jù)共計33組，建立了再生混凝土碳化深度計算模型。

3.1　現(xiàn)有普通混凝土基于擴(kuò)散理論與試驗結(jié)果的計算模型

在擴(kuò)散理論和碳化機理基礎(chǔ)上，張譽等[13]提出了混凝土碳化深度的數(shù)學(xué)模型

(1)

3.2　再生混凝土碳化深度計算模型

3.2.1再生混凝土碳化預(yù)測數(shù)學(xué)模型在式(1)基礎(chǔ)上，引入原始混凝土強度與再生混凝土強度的比值為影響因子，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)回歸擬合得到再生混凝土碳化深度的預(yù)測數(shù)學(xué)模型

(2)

3.2.2再生混凝土碳化預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ驮诠こ虣z測中，水泥用量、水灰比等數(shù)據(jù)獲取困難，即使獲取也難以保證其準(zhǔn)確性，而混凝土強度檢測技術(shù)非常成熟。因此，參考《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS220:2007)[14]并引入再生混凝土強度為影響因子，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)回歸擬合得到再生混凝土碳化深度的預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

(3)

4模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

按照式(2)和(3)計算得到的再生混凝土28 d的碳化深度及與試驗值的對比如表3所示。表3中E/T與E/M的均值分別是0.91和0.94，均方差分別是0.35和0.19，變異系數(shù)分別是0.38和0.20，說明總體上模型預(yù)測結(jié)果與試驗值比較接近。

表3　模型預(yù)測結(jié)果與試驗值對比

續(xù)表3

按式(2)和式(3)分別繪制了再生混凝土預(yù)測數(shù)學(xué)模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臄M合曲線及與試驗數(shù)據(jù)對比如圖7和8所示。圖7中f1/f2表示原始混凝土強度與再生混凝土強度的比值。從圖7和圖8可以看出：大部分試驗值均勻分布在擬合曲線周圍，說明本文模型具有較好的可靠性。

圖7　數(shù)學(xué)模型與試驗結(jié)果對比Fig.7　Comparison between mathematical modeland test

圖8　經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c試驗結(jié)果對比Fig.8 Comparison between empirical modeland test

5結(jié)論

1)再生骨料摻量對碳化深度有一定的影響，總體上再生混凝土的碳化深度隨著再生骨料摻量的增大而稍有增大。

2)與普通混凝土相比，再生混凝土碳化性能略有降低，碳化深度稍有增加。本試驗中，再生混凝土在28 d(相當(dāng)于室外大氣環(huán)境50 a)的碳化深度均不超過25 mm。

3)隨著水灰比的增大，再生混凝土的碳化深度逐漸增大；同水灰比下，當(dāng)水泥用量低于400 kg/m3時，再生混凝土的碳化深度隨水泥用量增加略有增大，但當(dāng)水泥用量高于400 kg/m3時，再生混凝土的碳化深度隨水泥用量增加而顯著減少。

4)原始混凝土強度對再生混凝土碳化性的影響與普通混凝土相類似，其碳化深度基本上隨著原始混凝土強度增大而減小。

5)礦物摻合料(粉煤灰、礦渣)對于再生混凝土碳化深度有影響，試驗得出的結(jié)論是：礦物摻合料的加入使得再生混凝土的碳化性能得到提升。

6)參考普通混凝土碳化深度的預(yù)測模型，通過試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，得出了關(guān)于再生混凝土碳化深度的預(yù)測數(shù)學(xué)模型與預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

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(編輯王秀玲)

Author brief：Xiao Wenguang(1991-), main research interest: research and application of structural engineering,(E-mail)xwg2013@njtech.edu.cn.

Guo Zhanggen(corresponding author), associate professor,(E-mail)zhgguo@163.com.

Experimental research and theoretical analysis on carbonation resistance behavior of recycled aggregate concrete

Xiao Wenguang, Guo Zhanggen, Wu Zhengpeng, Tu Xinya, Peng Yang

(College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing, 210009, P.R.China)

Abstract:An accelerated carbonation experimental analysis on carbonation resistance behavior of recycled concrete was carried out. The influence of recycled coarse aggregate replacement ratios, water cement ratios, cement content, the strength of natural concrete and the kinds of mineral admixture on the carbonation resistance of recycled concrete was studied. The results show that the carbonation depth decreases with the increase of water cement ratios and recycled coarse aggregate replacement ratios, while it increases with the growth of strength of natural concrete and cement content.Moreover, the addition of mineral admixture replacing cement partially can also decrease the carbonation depth of recycled concrete. Based on the current prediction models of natural concrete carbonation depth, the prediction model of recycled concrete carbonation depth wasestablished through regression analysis of experimental data from this paper and the results of the model agreed well with the experimental results from other researchers in China.

Key words:recycled concrete; carbonation; water cement ratio; prediction model

通信作者郭樟根()，男，副教授，(E-mail)zhgguo@163.com。

作者簡介：肖文廣(1991-)，男，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究，(E-mail)xwg2013@njtech.edu.cn。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(50708045)

收稿日期：2015-07-11

中圖分類號：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764(2015)06-0047-07

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.007