再生骨料摻量對(duì)混凝土碳化性能的影響

肖前慧,郭欣怡,邱繼生,武 哲,師姍姍

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,再生混凝土作為一種新型綠色建材具有良好的發(fā)展前景[1],再生粗骨料由廢棄混凝土破碎分解生成,大部分再生骨料表面附著舊砂漿,使得再生骨料吸水率、壓碎值和孔隙率變大,從而使得強(qiáng)度降低[2]。耐久性問題是再生混凝土研究的重要方向,抗碳化性是耐久性研究的重點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在進(jìn)行相關(guān)研究,期待將再生混凝土運(yùn)用到實(shí)際工程之中?；羝G華等經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)摻入的再生骨料取代率為30%時(shí),再生骨料混凝土的碳化性能不會(huì)發(fā)生大的變化[3];SAGOE-CRENTSIL等經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)再生混凝土全部被取代時(shí),碳化速率會(huì)比普通混凝土快10%[4]。BUYLE-BODIN等為研究再生骨料特性,選用再生粗細(xì)骨料全部取代天然骨料,發(fā)現(xiàn)在配合比相同時(shí),碳化速率是普通混凝土的3倍[5];雷斌等研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土碳化速率不但與再生骨料摻量有關(guān),還與再生骨料本身的強(qiáng)度有關(guān),在碳化后期混凝土的碳化速率還會(huì)隨碳化時(shí)間延長(zhǎng)而降低[6];李秋義等為研究再生混凝土碳化作用下的界面過渡區(qū)變化情況,建立了多重界面的模型,使得再生混凝土界面研究更有針對(duì)性[7];王忠星等研究了不同強(qiáng)度等級(jí)再生骨料構(gòu)成的多重界面在碳化作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化[8];朱從香等研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)浸泡法能夠修復(fù)再生混凝土的微裂縫,改善骨料的界面結(jié)構(gòu),強(qiáng)化再生粗骨料,增強(qiáng)了抗碳化能力[9]。

現(xiàn)有關(guān)于再生混凝土抗碳化性能的研究主要集中在宏觀性能或微觀結(jié)構(gòu)變化上,而微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀性能變化相結(jié)合的分析領(lǐng)域幾乎是空白。對(duì)不同取代率的再生混凝土進(jìn)行了碳化試驗(yàn),從宏觀性能方面分析了再生混凝土碳化深度隨碳化時(shí)間的變化規(guī)律,以及再生骨料取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響;在微觀結(jié)構(gòu)方面采用顯微硬度儀研究了不同碳化時(shí)間、相同碳化深度下再生混凝土界面過渡區(qū)顯微硬度值的變化。分析碳化時(shí)間、再生骨料摻量等因素對(duì)界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的影響,從顯微硬度值變化和界面過渡區(qū)寬度的變化揭示混凝土碳化機(jī)理,進(jìn)一步分析宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用上海海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O42.5R水泥(表1)。天然細(xì)骨料采用灞河中砂,細(xì)度模數(shù)為2.5。天然粗骨料是產(chǎn)自耿鎮(zhèn)的碎石,根據(jù)規(guī)范GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》其粒徑分布范圍5～25 mm(表2)。再生粗骨料是采用廢棄混凝土經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單破碎制成,根據(jù)規(guī)范GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》,粒徑分布范圍在5～31.5 mm,級(jí)配良好(表3)。外加劑為減水劑,減水劑使用Q8011HPWR高性能減水劑。拌合水為為飲用自來水。

表1 水泥的基本性能指標(biāo)

表2 天然粗骨料物理性質(zhì)

表3 再生粗骨料物理性質(zhì)

1.2 試樣制備與養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)參照規(guī)范JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和規(guī)范GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》確定再生混凝土的配合比(表4)。

表4 再生混凝土配合比

根據(jù)規(guī)范GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,將按比例稱量好的粗骨料、細(xì)骨料、膠凝材料、等比例的外加劑和水依次放入混凝土攪拌機(jī)中攪拌,制成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,標(biāo)準(zhǔn)鋼膜成型,振搗臺(tái)振搗密實(shí),帶模養(yǎng)護(hù)24 h后拆模,隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 碳化深度試驗(yàn)方法

對(duì)每組試樣在碳化3,7,14和28 d時(shí)測(cè)量其碳化深度。由于本試驗(yàn)使用的是立方試塊,因此取下3組具有相應(yīng)碳化時(shí)間的試塊,并在碳化表面的中部進(jìn)行劈裂。在劈裂面上噴灑1%濃度的酚酞酒精溶液,等待約30 s后,在碳化面上每隔10 mm測(cè)量混凝土的碳化深度作為測(cè)量點(diǎn)。碳化深度值是每組3個(gè)試塊的平均碳化深度。

1.4 顯微硬度儀試驗(yàn)方法

材料硬度可以很好地反映出材料彈塑性變形的特性,且根據(jù)材料的硬度可以近似估算出材料的強(qiáng)度,因此硬度是反應(yīng)材料性能的一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。本試驗(yàn)采用的HVS—1000Z顯微硬度計(jì)是通過維氏硬度來對(duì)混凝土界面顯微硬度進(jìn)行測(cè)試。處理得到的數(shù)據(jù)后得到顯微硬度標(biāo)準(zhǔn)值范圍,以標(biāo)準(zhǔn)值下限做界面過渡區(qū)的界限值。以所測(cè)顯微硬度值減去界限值,數(shù)據(jù)為負(fù)數(shù)則表明該區(qū)域的顯微硬度值低于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域的下限值,判定該區(qū)域?yàn)榻缑孢^渡區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生混凝土宏觀特征

2.1.1 再生混凝土碳化深度

碳化深度可以直觀的反映混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境的變化,便于預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命,它是評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性的重要指標(biāo)之一。碳化28 d的再生混凝土(圖1),采用酚酞酒精溶液作為指示劑測(cè)量碳化深度(未碳化的變成紅色,已碳化的不變色),可以看出隨著再生骨料摻量的增加,再生混凝土紅色區(qū)域越少,說明碳化的深度越深。

圖1 碳化28 d碳化深度Fig.1 Carbonization depth at 28 d

通過碳化深度隨時(shí)間變化規(guī)律可以看出,隨著碳化時(shí)間的增長(zhǎng)碳化深度在增加(圖2)。與RC0混凝土相比,碳化3,7,14和28 d后,RC30組和RC50組再生混凝土的碳化深度分別增加了36%,6.8%,12.2%,13.1%和53.4%,21.1%,35.8%,31.2%。說明再生骨料取代率越大抗碳化性能越差,這是因?yàn)樵偕炷林袚郊拥脑偕橇媳砻嬗兴嗌皾{以及生產(chǎn)中造成的微裂縫,二氧化碳?xì)怏w通過孔隙和裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部。所以隨著再生骨料取代率的增加,再生混凝土裂縫和孔隙越多二氧化碳擴(kuò)散越深。

圖2 再生混凝土碳化深度變化規(guī)律Fig.2 Variation pattern of the carbonization depth of recycled concrete

2.1.2 再生混凝土抗壓強(qiáng)度

從不同碳化時(shí)間后再生混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律看出,碳化28 d后與RC0混凝土對(duì)比,RC30和RC50再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別降低了15.5%和24.1%。RC0、RC30和RC50混凝土的抗壓強(qiáng)度分別比碳化前提高了2%,14%和15%,可以看出取代率超過30%后的混凝土抗壓強(qiáng)度的增加幅度減小。碳化后的再生混凝土內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生新的物質(zhì)來填充混凝土的孔隙,從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[10]。碳化初期再生骨料內(nèi)部存在許多微裂縫,碳化產(chǎn)物充分填充了混凝土的孔隙,因此取代率為30%混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)發(fā)生顯著變化。當(dāng)再生骨料取代率為50%時(shí),碳化生成物無法填充較大的孔隙,所以抗壓強(qiáng)度增幅有所下降(圖3)。

圖3 再生混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律Fig.3 Variation pattern of the compressive strength of recycled concrete

2.2 再生混凝土微觀特征

2.2.1 再生混凝土微觀形貌

分別從RC0組和RC50組混凝土碳化28 d后微觀界面特征看出(圖4,圖5),RC0組混凝土碳化28 d后,骨料與漿體結(jié)合的比較緊密,這是因?yàn)樘蓟蠼缑孢^渡區(qū)內(nèi)堆積大量的CaCO3顆粒(圖4(c)),填充了界面微小孔隙,界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)變得致密起來[11],RC50組混凝土碳化28 d后,骨料和漿體之間的裂縫增加,大量的CaCO3晶體存在于界面過渡區(qū)的裂縫當(dāng)中無法完全填充孔隙和裂縫的空間,使得連通孔隙增多(圖5(c)),界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)變得疏松[12]。

圖4 RC0組碳化28 d微觀界面特征Fig.4 Microscopic interface characteristics of RC0 Group carbonization 28 d

圖5 RC50組碳化28 d微觀界面特征Fig.5 Microscopic interface characteristics of RC50 Group carbonization 28 d

2.2.2 碳化時(shí)間對(duì)顯微硬度的影響

由3種界面不同碳化時(shí)間下顯微硬度可知(圖6),從碳化3～28 d,再生骨料摻量為30%的老骨料老漿體界面、骨料新漿體界面和老漿體新漿體界面過渡區(qū)最低顯微硬度值分別從33～59 N/mm2、28～48 N/mm2以及從33～51 N/mm2,界面過渡區(qū)寬度分別從46～30 μm,降低了34%、從63～47 μm,降低了25%以及從47～39 μm,降低了17%。

圖6 3種界面不同碳化時(shí)間下顯微硬度Fig.6 Microhardness at different carbonization times of three interfaces

2.2.3 再生骨料摻量對(duì)顯微硬度的影響

通過碳化28 d后3種界面顯微硬度看出。老骨料老漿體界面和老漿體新漿體界面中RC30組和RC50組界面過渡區(qū)寬度分別約為30,31 μm和39,41 μm,界面過渡區(qū)最低顯微硬度值分別為59,56 N/mm2和51,50 N/mm2。骨料新漿體界面RC0組、RC30組和RC50組界面過渡區(qū)最低顯微硬度值分別為46,48 N/mm2和44 N/mm2,界面過渡區(qū)寬度約為42,47 μm和50 μm。碳化28 d后3種界面不同摻量的再生混凝土中同類界面顯微硬度值相差不大,但是RC30組整體微觀界面結(jié)構(gòu)較RC50組好(圖7)。這是因?yàn)椴煌慕M的再生混凝土取材一樣,只改變?cè)偕橇系娜〈?所以同類界面顯微硬度變化趨勢(shì)大致相同。又由于再生骨料具有孔隙率大、低密度和裂縫多的缺點(diǎn)[18-19],所以隨著再生骨料摻量的增加,使得再生混凝土中碳化生成的產(chǎn)物對(duì)界面的優(yōu)化作用小于孔隙和裂縫對(duì)界面結(jié)構(gòu)的劣化作用。所以在碳化28 d后RC30組的顯微硬度值高于RC50組。

圖7 碳化28 d 3種界面顯微硬度Fig.7 Microhardness of the three interfaces by carbonization 28 d

2.3 宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

2.3.1 碳化深度與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

將RC30組碳化深度隨時(shí)間的變化規(guī)律(圖2)和RC30組微觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(圖8)。在碳化14 d后界面過渡區(qū)寬度和碳化深度變化速率均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,且變化速率都減小。再生混凝土碳化深度的變化與界面過渡區(qū)寬度的變化相反。碳化初期界面過渡區(qū)寬度減小較快是因?yàn)榇藭r(shí)混凝土內(nèi)部孔隙和微裂縫較多,二氧化碳的擴(kuò)散速率快[20],生成的碳化產(chǎn)物快速將孔隙填充。碳化14 d后寬度保持穩(wěn)定的原因是填充效果達(dá)到最大[21-22]。同時(shí)碳化后期老骨料老漿體界面過渡區(qū)寬度略有減小,表明微觀結(jié)構(gòu)中仍有空間填充碳化產(chǎn)物。從宏觀角度來看,這也是對(duì)碳化14 d后碳化深度仍有增長(zhǎng)但是增長(zhǎng)速率有所減緩進(jìn)行說明。

圖8 RC30組碳化深度與界面過渡區(qū)寬度的關(guān)系Fig.8 Relationship between the RC 30 group carbonization depth and the width of the interface transition zone

2.3.2 抗壓強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

通過比較RC30組微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與RC30組抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律(圖3), 可以看出抗壓強(qiáng)度與再生混凝土界面過渡區(qū)顯微硬度以及界面過渡區(qū)寬度的關(guān)系(圖9)。碳化后再生混凝土抗壓強(qiáng)度與界面顯微硬度的變化趨勢(shì)相同而與界面過渡區(qū)寬度的變化趨勢(shì)相反。界面過渡區(qū)為混凝土性能的薄弱點(diǎn)。從抗壓強(qiáng)度與再生混凝土界面過渡區(qū)顯微硬度看出(圖9(a)),碳化后,界面過渡區(qū)總體密實(shí)度提升,改善了該薄弱點(diǎn),增強(qiáng)了總體力學(xué)性能。當(dāng)界面過渡區(qū)顯微硬度增幅減小后,再生混凝土力學(xué)性能增幅也隨之下降,其變化幅度接近。從抗壓強(qiáng)度與再生混凝土界面過渡區(qū)寬度可以看出(9(b)),碳化14 d后界面過渡區(qū)寬度的減小速度減慢,表明碳化對(duì)再生混凝土界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的改善作用減弱[23-25]。但其相反的變化趨勢(shì)更容易看出再生混凝土抗壓強(qiáng)度變化的原因。所以界面過渡區(qū)的寬度變化可以更好地表征宏觀性能的變化。

3 結(jié) 論

1)RC0、RC30 和 RC50 組混凝土抗壓強(qiáng)度相比碳化前都有所提高,說明碳化可以增強(qiáng)再生混凝土強(qiáng)度。

2)再生混凝土的不同界面經(jīng)碳化作用后界面過渡區(qū)變化幅度不同。老骨料老漿體界面抗碳化性遠(yuǎn)強(qiáng)于骨料新漿體界面、老漿體新漿體界面。

3)再生骨料取代率越大混凝土的界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化性能越低,所以再生骨料摻量為30%時(shí)微觀界面結(jié)構(gòu)整體較摻量為50%好。

4)再生混凝土界面過渡區(qū)的顯微硬度和過渡區(qū)寬度隨碳化深度和抗壓強(qiáng)度的變化而變化。微觀結(jié)構(gòu)的變化可以有效地解釋宏觀性能的變化,使用界面過渡區(qū)寬度的變化來表征宏觀性能的規(guī)律更準(zhǔn)確。