轴向应力作用下再生混凝土碳化性能研究

刘燕,刘舒畅,刘杏娟,康希佞

轴向应力作用下再生混凝土碳化性能研究

刘燕,刘舒畅*,刘杏娟,康希佞

河北农业大学城乡建设学院, 河北 保定 071001

本文通过对再生混凝土试块进行不同轴向应力作用下的快速碳化试验，探讨轴向应力水平及再生粗骨料质量取代率对再生混凝土碳化性能的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）研究再生混凝土在轴向应力-碳化作用下微观结构的变化规律。研究结果表明：再生粗骨料取代率的增大会加剧混凝土的碳化损伤，随着碳化龄期的增加，这种影响逐渐减弱；再生混凝土的碳化速率随着碳化龄期的增加而降低；轴压应力抑制了再生混凝土的碳化损伤，轴拉应力加剧了再生混凝土的碳化损伤；观察扫描电镜图像发现，相比于单一碳化作用，在轴压应力-碳化作用下，再生混凝土内部结构较为致密，在轴拉应力-碳化作用下，再生混凝土内部形成贯通裂缝。为了量化轴向荷载作用对再生混凝土碳化的影响，定义了轴向应力影响系数。

再生混凝土; 碳化性能; 应力反应

随着社会快速发展以及建筑结构老化，天然骨料短缺问题日益严重，拆迁改建产生的建筑废弃物也日渐增多[1]。建筑垃圾的传统处理不仅会造成环境污染，还会形成巨大的资源浪费[2,3]。采用再生混凝土骨料可以消除传统建筑垃圾处理的弊端，还可以缓解天然砂石的短缺问题，对混凝土建筑的可持续发展有着积极的影响[4]。现今大气中二氧化碳浓度不断升高，混凝土建筑结构的碳化损伤也日趋严重。再生粗骨料表面附着旧水泥砂浆，且存在破碎时形成的微裂缝，导致再生混凝土内部存在薄弱区域，吸水率与孔隙率比天然骨料大、表观密度比天然骨料低，这些特性导致再生混凝土抗碳化性能比天然骨料混凝土更复杂[5,6]。当前大多数对再生混凝土碳化性能的研究局限于单一碳化作用，对于轴向应力作用下再生混凝土的碳化性能缺乏研究[7-14]。本试验以轴向应力作用下的再生混凝土试块为研究对象，分析再生混凝土碳化深度随轴向应力类型、轴向应力水平和再生粗骨料质量取代率的变化规律，利用扫描电镜试验（SEM）观察单一碳化作用、轴压应力—碳化作用和轴拉应力—碳化作用下混凝土微观结构的差异，以期为再生混凝土的研究与应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验采用P•O 42.5级普通硅酸盐水泥，济宁恒志新型建材股份有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰。细骨料采用级配良好的河砂。粗骨料均为连续级配，100 mm×100 mm×400 mm尺寸的混凝土试块采用的粗骨料粒径为5～20 mm，40 mm×40 mm×160 mm尺寸的混凝土试块采用的粗骨料粒径为5～10 mm，再生粗骨料为河北省保定市小区路面废弃混凝土破碎组配制成，天然粗骨料采用碎石。外加剂采用聚羧酸高性能减水剂。

1.2 试验配合比

本试验采用10%的固定粉煤灰掺量，38%固定砂率，因为再生粗骨料的吸水率显著大于天然骨料，因此需要根据再生粗骨料的吸水率加入一定的附加水，附加水用量根据再生粗骨料的吸水率和用量计算所得。共设计RCA0，RCA30，RCA50，RCA70四组混凝土，混凝土配合比如表1所示。

表 1 混凝土配合比

备注：RCA代表再生粗骨料质量取代率（%）。

Note: RCA is the replacement rate of recycled coarse aggregates (%).

1.3 试件设计

本试验分为单一碳化作用、轴压应力—碳化作用和轴拉应力—碳化作用三部分，每部分根据再生粗骨料取代率的不同分为RCA0、RCA30、RCA50、RCA70四组。由于碳化箱尺寸限制，所用试块为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试块，共3×7×3×4+3×4+3×4=276块。其中3×7×3×4=252块用于测定碳化深度，每组均选取3个平行试块，分别测试施加0%，20%，40%，60%极限轴拉或轴压荷载状态下1，2，3 d碳化龄期后四组试块的碳化深度；3×4=12块用于测定劈裂抗拉强度，每组均选取3个平行试块，分别测试四组试块的劈裂抗拉强度；3×4=12块用于测定轴心极限抗压强度，每组均选取3个平行试块，分别测试四组试块的轴心极限抗压强度。为了研究尺寸效应对混凝土碳化深度的影响，另有100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试块3块。

1.4 加载方案

本试验采用的加载装置设计图如图1所示。

图 1 加载装置

轴压荷载加载装置的加载原理为利用压力机给上顶板施加预设荷载，拧紧螺母后，压力通过碟簧传递到上压板，再通过上压板给试块施加轴向压力。轴拉荷载加载装置的加载原理为通过压力机给上顶板施加预设荷载，拧紧所有螺母后，弹簧压缩产生弹力，再松开四周螺母，保留中间螺母，利用弹簧的弹力给试块施加拉力。为保持试块的持载状态，试验过程中每8 h拧紧一次螺母。

1.4 加载方案

本试验采用的极限轴压应力为混凝土试块的轴心抗压强度，采用的极限轴拉应力为混凝土试块的劈裂抗拉强度换算得到的轴心抗拉强度，换算系数取0.9。RCA0、RCA30、RCA50、RCA70四组混凝土试块标准养护28 d后的轴心抗压强度分别为36.81 kN，33.40 kN，31.93 kN，28.50 kN，轴心抗拉强度分别为7.16 kN，6.22 kN，5.76 kN，5.04 kN。

利用压力试验机对不同再生粗骨料取代率的混凝土试块分别施加0%，20%，40%，60%极限轴拉或轴压荷载，把加载状态下的混凝土试块放入碳化箱，进行快速碳化试验。到达1，2，3 d碳化龄期后结束试验，测定混凝土试块的碳化深度，观察其微观结构。

2 结果与分析

2.1 尺寸效应对混凝土碳化的影响

参考刘燕[15]的研究，分别对RCA0组的两种尺寸的混凝土试块进行快速碳化试验，得到的碳化深度如表2所示。

表 2 不同尺寸混凝土试块碳化深度

通过对比可以发现，标准试块与同比例小试块在对应龄期下的碳化深度基本一致，故本试验采用40 mm×40 mm×160 mm的同比例小试块代替100 mm×100 mm×400 mm的标准试块进行持载状态下的快速碳化试验。故本试验采用40 mm×40 mm×160 mm尺寸的混凝土试块碳化1 d、2 d和3 d的碳化深度等效代替100 mm×100 mm×400 mm尺寸的混凝土试块碳化7 d、14 d和28 d的碳化深度。

2.2 再生粗骨料取代率对混凝土碳化性能的影响

无应力状态下不同再生粗骨料取代率的混凝土碳化深度如图2所示，碳化速率如图3所示。

图 2 混凝土碳化深度

图 3 混凝土碳化速率

由图2所示，再生粗骨料取代率的增大会加深混凝土的碳化深度。以碳化龄期为3 d为例，相对于普通混凝土试块，再生骨料取代率为30%、50%和70%的试块碳化深度分别增加了18.62%，26.12%，32.41%。产生这种影响的主要原因为再生粗骨料具有密实度低、孔隙率大的特性，这些特性提高了再生混凝土中CO2扩散速度，从而加快了碳化反应，降低了混凝土的抗碳化能力。

由图3所示，随着碳化龄期增长，混凝土的碳化速率降低。主要原因有两点：一是碳化反应所需的Ca(OH)2在反应初期最为充足，随着碳化反应的进行，混凝土中的可碳化物质减少，碳化反应减慢；二是碳化产物改善了混凝土内部结构，导致CO2扩散速度降低，以至于碳化反应速率降低。

此外，从图3中还可以发现，碳化龄期1 d时，碳化速率随再生粗骨料取代率的增加呈现明显的上升趋势，这表明碳化初期，粗骨料取代率对碳化速率有较大的影响；碳化龄期2 d时，速率曲线在基本持平的状态下略有下降，再生粗骨料取代率对碳化速率的影响减缓；而碳化龄期3 d时，随再生粗骨料取代率的增大，碳化速率呈现出一定的波动，但整体上保持下降的趋势。可见，随着时间的推移，再生粗骨料对混凝土内部的结构影响呈现差异：碳化反应刚开始时，再生混凝土的内部缺陷随着再生粗骨料取代率的增大而增多，导致碳化速率随再生粗骨料取代率的增大而增大；但随着碳化反应的进行，生成的碳化产物增多，再生混凝土的内部结构随之改善，不同再生粗骨料取代率的再生混凝土的密实度不再有较大差别，碳化速率趋近一致。可见，再生粗骨料对混凝土的碳化起到了加剧作用，但随着碳化龄期的增加，这种影响逐渐减弱。

2.3 轴向应力作用对再生混凝土碳化深度的影响

2.3.1 轴压应力作用对再生混凝土碳化深度的影响不同轴压应力作用下的再生混凝土碳化深度的变化曲线如图4所示。

图 4 轴压应力对再生混凝土碳化深度的影响

分析图4可以发现，在0～60%极限轴压荷载水平范围内，对于同一再生粗骨料取代率的混凝土，轴压应力水平增大会降低碳化深度。这是因为混凝土内部的微裂缝在压应力的作用下缩小，导致CO2进入混凝土的速率减小，混凝土的碳化反应速度随之降低，碳化深度减小。对比普通混凝土和再生混凝土在轴压荷载作用下碳化深度的变化规律发现，普通混凝土碳化龄期为3 d时，相对于0%轴压应力水平下的混凝土试块，20%、40%和60%轴压应力水平下的试块碳化深度分别减少了3.51%，11.12%，15.60%；RCA70组再生混凝土碳化龄期为3 d时，相对于0%轴压应力水平下的再生混凝土试块，20%、40%和60%轴压应力水平下的试块碳化深度分别减少了10.23%，17.44%，26.03%。由此可见，轴压应力对再生混凝土碳化的影响更大。

此外，由图4还可以发现，轴压应力水平为20%～40%时，曲线斜率较大，应力水平为60%时，曲线斜率较小。即60%极限轴压荷载对再生混凝土碳化的抑制作用减弱。主要原因是轴压应力作用下再生混凝土内部原有裂隙大部分闭合，再加上碳化产物的生成，抑制了再生混凝土的碳化反应；但过大的轴压应力会导致再生混凝土产生新裂缝，加剧了再生混凝土的碳化反应。两种影响叠加使得轴压应力对再生混凝土碳化反应的抑制作用减弱。

为了量化轴压荷载作用对再生混凝土碳化的影响，定义轴向压应力影响系数K，K的定义式如下：

其中：K：轴压应力影响系数；X：轴压应力作用下混凝土的碳化深度；0：无应力状态下混凝土的碳化深度。

不同取代率的再生混凝土的轴压应力影响系数K与应力水平和碳化龄期的拟合关系(表3)。

表 3 拟合方程

2.3.2 轴拉应力作用对再生混凝土碳化深度的影响不同轴拉应力作用下的再生混凝土碳化深度的变化曲线如图5所示。

图 5 轴拉应力对再生混凝土碳化深度的影响

由图5所示，在0～60%极限轴拉荷载水平内，对于同一再生粗骨料取代率的混凝土试块，轴拉应力水平增大会加深碳化深度。以再生粗骨料取代率为70%为例，碳化龄期为1 d时，相对于0%轴拉应力水平下的再生混凝土试块，20%、40%和60%轴拉应力水平下的试块碳化深度分别增加了7.65%，22.40%，35.11%。这是因为对再生混凝土试块施加轴拉应力会导致试块内部形成裂缝，并且随着轴拉应力的增大，对混凝土造成的损伤增大，裂缝会不断扩展甚至连通，这些裂缝的存在加快了CO2的扩散，加剧了碳化损伤。由此可见，轴拉应力对再生混凝土的碳化起到了加剧作用。

通过分析图5可以发现，轴拉应力水平为20%时曲线斜率较小，应力水平为40%～60%时曲线斜率较大。这意味着，40%～60%极限轴拉荷载对再生混凝土碳化的加剧作用增大。这是因为当轴拉应力水平较低时，应力对再生混凝土造成的损伤较小，碳化反应生成的碳化产物有效填充再生混凝土内部部分缺陷，故此时轴拉应力对再生混凝土碳化的影响较小；随着轴拉应力的增加，应力对再生混凝土造成的损伤加大，试块内部形成更多裂缝，原有裂隙会不断增大，而碳化产物能填充裂隙的程度有限，故轴拉应力对再生混凝土碳化的影响增大。

为了量化轴拉荷载作用对再生混凝土碳化的影响，定义轴向拉应力影响系数K，K的定义式如下：

其中：K：轴拉应力影响系数；X：轴拉应力作用下混凝土的碳化深度；0：无应力状态下混凝土的碳化深度。

不同取代率的再生混凝土的轴向应力影响系数K与应力水平和碳化龄期的拟合关系(表4)。

表 4 拟合方程

2.4 轴向应力—碳化作用下再生混凝土微观分析

经扫描电子显微镜（SEM）观察可得轴向应力—碳化作用下再生混凝土的微观结构。再生粗骨料取代率为30%时，在无应力、40%极限轴压荷载以及40%极限轴拉荷载作用下，经3 d碳化后的微观结构如图6所示。

图 6 轴向应力—碳化作用下再生混凝土微观结构

通过对比单一碳化作用、轴压应力—碳化作用下和轴拉应力—碳化作用下的再生混凝土的微观结构，发现不同的轴向应力会导致再生混凝土内部微裂缝不同的发展，进而对再生混凝土碳化造成完全不同的影响。扫描电镜图中的絮状物为水泥水化产物C-S-H凝胶，板状物为Ca(OH)2（CH）晶体，块状或粒状物为CaCO3（CC）晶体。观察图6（a）可以发现，单一碳化作用下再生混凝土内部存在微裂缝与孔隙，周围分布着碳化反应生成的CC晶体。对比图6（a）和（b）可以看出，与单一碳化作用下的再生混凝土相比，轴压应力—碳化作用下再生混凝土内部碳化反应产物CC晶体较多，裂缝与孔隙较少，结构更加密实。一是因为轴压应力作用使得再生混凝土内部的孔隙与裂缝缩小甚至闭合，二是因为再生混凝土的碳化产物填充了内部部分裂隙与气孔。再生混凝土内部孔隙减小抑制了混凝土的碳化反应，从而在宏观上表现出碳化深度降低的试验现象。对比图6（a）和（c）发现，轴拉应力—碳化作用下的再生混凝土内部存在贯通裂缝，且裂缝周围分布着大量CC晶体。主要原因是再生混凝土内部会在轴拉应力作用下产生新裂缝，原有的微裂缝也会迅速扩展形成贯通裂缝，而碳化产物不足以填补扩展后的裂缝，无法有效抑制CO2的扩散。再生混凝土内部裂缝增大加剧了混凝土的碳化反应，从而在宏观上表现为碳化深度增大。

3 结 论

（1）再生粗骨料加剧了混凝土的碳化损伤，并且随着碳化龄期的增长，再生粗骨料对混凝土碳化性能的影响减弱，再生混凝土的碳化速率降低；

（2）轴向应力对再生混凝土的碳化性能影响明显。轴压应力抑制了再生混凝土的碳化反应，但施加荷载达到60%极限轴压荷载时，轴压荷载对再生混凝土的碳化影响减弱；轴拉应力加剧了再生混凝土的碳化反应，40%～60%极限轴拉荷载对再生混凝土碳化的加剧作用增大；

（3）利用扫描电镜从微观角度证明了轴压应力作用下再生混凝土的抗碳化性能明显提高，轴拉应力作用下再生混凝土的抗碳化性能明显降低。相较于单一碳化作用下的再生混凝土，轴压应力—碳化作用下再生混凝土内部结构更加致密，孔隙率低，微裂缝少；轴拉应力—碳化作用下再生混凝土内部存在贯通裂缝。

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Study on the Carbonation Performance of Recycled Concrete under Axial Stress

LIU Yan, LIU Shu-chang*, LIU Xing-juan, KANG Xi-ning

071001,

The effects of axial stress level and mass replacement rate of recycled coarse aggregate on the carbonation performance of recycled concrete were discussed by rapid carbonation tests of recycled concrete samples under different axial stresses. The variation law of the microstructure of recycled concrete under the action of axial stress-carbonation was analyzed by scanning electron microscopy (SEM). Results show that the carbonation damage of concrete aggravated with the increase of the replacement rate of recycled coarse aggregates, and this effect gradually weakened with the increase of carbonation age. The carbonation rate of recycled concrete decreased with the increase of carbonation time. The carbonation damage of recycled concrete was inhibited under axial compressive stress, the carbonation damage of recycled concrete was aggravated under axial tensile stress. SEM images show that the compactness of recycled concrete increased under axial compressive stress, and the cracks in recycled concrete expand under axial tensile stress. In order to quantify the influence of axial load on carbonation of recycled concrete, the influence coefficient of axial stress was defined.

Recycled concrete; carbonation performance; stress response

TU528.041

A

1000-2324(2022)01-0138-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.021

2021-01-05

2021-05-04

刘燕(1975-),女,博士,教授,硕士生导师,研究方向:结构工程，混凝土结构耐久性. E-mail:634719549@qq.com

Author for correspondence. E-mail:2477844786@qq.com