碳化桃壳生物基混凝土力学性能及微观结构研究

2023-09-14李宣霖刘长武

现代矿业 2023年8期

李宣霖刘长武

（1.四川大学水利水电学院；2.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室）

混凝土具有强度高、耐久性好、造价低等优点，被广泛应用在土木工程领域，是当今世界最常用的建筑材料。据统计，2020年我国商品混凝土产量约28.99亿m3［1］。混凝土的制备需要用到大量的水泥和砂、石等集料，平均每吨混凝土中水泥和集料的质量分别达120 kg和800 kg［2］，即2020年，我国混凝土用水泥约8.35亿t，用集料55.66亿t。

天然集料的开采会对我国生态环境及地貌造成巨大的破坏［3］。在我国，砂石［4］通常在河流以及山区开采，开采方式较粗放，开采作业会造成大量的植被破坏、水土流失、地下水和地表水污染及生物栖息地破坏等问题；同时，由于大规模的机械化作业，开采也会产生大量的二氧化碳、一氧化碳等，加剧温室效应，破坏生态环境。

为减轻生态环境负担，降低碳排放，早日实现“碳达峰、碳中和”的目标，国内外学者研究了用其他材料代替砂石制备混凝土的可行性。王圣怡等［5］研究发现，PVA纤维轻骨料混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度随着PVA纤维长度和掺量的增加而降低。曹芙波等［6］认为，运用稻壳灰和偏高岭土强化液强化过的粗骨料，可明显改善再生混凝土的性能，增强其耐磨性。高萍等［7］发现，利用再生粗骨料制备的混凝土，在替代率低时会增大混凝土的抗折强度，替代率高时会显著降低混凝土的抗折强度。白国良等［8］研究了将煤矸石掺在混凝土中，煤矸石含碳量、取代率以及水灰比对混凝土抗压强度的影响，建立了混凝土抗压强度的计算公式。袁益欣等［9］研究表明，采用铁尾矿砂作细骨料制备混凝土，随着再生骨料替代率的增加，混凝土抗压强度降低，劈裂抗拉强度和抗折强度先增加后降低，在50%时性能最佳。黄开林等［10］研究发现，碳化后再生骨料的密度、吸水率以及压碎值都得到了明显提升，碳化再生骨料制备的混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能也得到明显优化，不仅优于再生混凝土，而且高于普通混凝土。

桃壳作为一种农业废弃物，每年产出超过数百万吨。桃壳代替粗骨料用在混凝土的制备中，不仅可有效降低天然砂石的用量，而且可消耗这一农业废弃物，从而间接保护生态环境，降低碳排放，对于可持续发展以及“碳达峰、碳中和”具有重要意义。

鉴于此，本研究基于室内单轴抗折、抗压、劈裂抗拉等试验，检测了不同粗骨料替代比下桃壳生物基混凝土试样的各项物理力学性能；对桃壳生物基混凝土进行了SEM测试，探究了桃壳对混凝土强度影响的内在机制，相关研究将对我国可再生混凝土的发展具有积极意义。

1 试验原料

（1）粗骨料。试验用粗骨料有普通石子和碳化桃壳2种，粒径均在4.75～7 mm。普通石子取自成都市郊；桃壳取自巩义市，经破碎、高温碳化处理。粗骨料的表面结构粗糙，相关物理力学性能指标见表1。

（2）其他原料。试验用水泥为P·I42.5硅酸盐水泥，相关性能见表2；试验用细骨料选用ISO标准砂，粒径为0.08～2 mm；试验用水为自来水。

2 混凝土配合比设计

试验采用一组普通混凝土为对照组，另外考虑4种不同的CPS（Carbonized Peach Shell）取代率（等体积替代，分别为25%、50%、75%、100%）。因此，试验共设计5组不同的混凝土试样，编号分别为CPS0、CPS25、CPS50、CPS75和CPS100。参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，各组混凝土的配合比见表3。

由于碳化桃壳（CPS）和天然骨料的吸水率存在较大差异，因此在试验前需要先将CPS泡水到饱和状态，之后晾晒至饱和面干，再进行混凝土的制备。

试验选用的粗骨料粒径范围较小，每组混凝土均制备9个40 mm×40 mm×160 mm的柱体试样和3个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试样，并在室温下放入水中养护至设定龄期，分别测试CPS生物基混凝土7 d和28 d的单轴抗折强度、单轴抗压强度以及28 d的劈裂抗拉强度。

3 试验结果及分析

3.1 坍落度

图1和图2分别是CPS生物基混凝土的坍落度测试现场图和坍落度变化图。

从图2可以看出，随着CPS替代率的增加，生物基混凝土的坍落度先逐渐降低，至CPS替代率达到75%以后，混凝土的坍落度趋于稳定。这是因为CPS相对于普通石子表面更加粗糙、质量更轻，导致骨料和砂浆之间的摩擦力增大而流动受阻，进而影响了混凝土的坍落度。

3.2 密度及吸水率

将养护28 d的CPS生物基混凝土从水中取出，并把表面水分擦干，测量其饱和面干质量并计算密度，之后将试样放入烘箱，在105℃下连续烘24 h，测量其烘干后的质量并计算密度。根据两者的质量可计算CPS生物基混凝土的吸水率。测试及计算结果见表4。

从表4可以看出，当CPS替代率达到50%及以上时，其干密度符合轻骨料混凝土的要求；随着替代率的升高，混凝土的密度明显降低，吸水率明显提高；当替代率达到100%时，混凝土的饱和密度和烘干密度分别下降了24.3%和30.0%，而吸水率提高约3倍。这是因为碳化桃壳内部孔隙较多，其吸水性能明显强于普通混凝土骨料，因此，碳化桃壳混凝土的吸水性能也得到一定提升。

3.3 抗折强度

图3和图4是CPS生物基混凝土试样的下边缘折断位置及断裂形态，图5是CPS生物基混凝土随着CPS替代率上升时抗折强度的变化规律。

从图3～图5可以看出，当CPS替代率不同时，在养护7 d和养护28 d情况下，试样下边缘的折断位置和断裂形态均无明显变化；随着替代率的提高，混凝土试样的抗折强度逐渐降低，且具有较为明显的规律；当替代率达到100%时，养护7 d和养护28 d条件下试样的抗折强度为5.3 MPa和6.1 MPa，相较对照组分别下降了37.7%和30.7%。此外，随着养护龄期的增加，除CPS 50外，各组试样抗折强度均有增强，其中CPS100变化最明显，28 d抗折强度比7 d时提高了0.8 MPa。

3.4 抗压强度

图6～图8是CPS生物基混凝土的抗压破坏形态及断面容貌，图9是CPS生物基混凝土试样抗压强度与CPS替代率之间的关系。

从图6～图8可以看出，混凝土试样的裂缝均主要出现在试样与模具接触面两侧，且裂缝贯通，试样中部存在少量细小裂缝；观察断面可以发现，CPS生物基混凝土以CPS骨料破坏为主，而普通混凝土则以骨料和砂浆的粘接面破坏为主，这也是2种混凝土破坏的主要区别。

从图9可以看出，与对照组相比，在CPS替代率不断增加的情况下，混凝土试样的抗压强度不断下降；随着养护龄期增加，各组混凝土试样强度均显著提高。分析原因，这是由于CPS骨料本身强度较低导致，而且由于CPS本身为木制材料，这会降低水泥水化反应程度，进而导致试样强度下降。尽管如此，CPS100混凝土试样在养护28 d后，其单轴抗压强度为对照组的62.9%，仍具有35 MPa以上的强度，因而CPS100的强度符合大量的工程要求。

3.5 劈裂抗拉强度

将CPS生物基混凝土养护28 d后，其劈裂抗拉强度变化见图10，破坏形态见图11。

从图10可以看出，混凝土试样的劈裂抗拉强度随着CPS掺量的增加逐渐降低，从对照组的3.0 MPa降至CPS100组的2.1 MPa。虽然降幅明显，但CPS100组的劈裂抗拉强度仍能满足ASTMC330标准规范对结构轻混凝土的抗拉强度的要求。

3.6 SEM微观形貌

CPS混凝土破坏后CPS骨料和普通骨料与水泥砂浆交界面以及CPS骨料本身的扫描电镜图片见图12。

从图12可以看出，水泥砂浆与CPS骨料之间未出现明显的缝隙，说明两者具有比较良好的粘结性，这也解释了CPS混凝土破坏时，以强度较低的CPS骨料本身破坏为主而非交界面。普通骨料同水泥砂浆之间同样具有很好的粘结性，由于骨料本身强度较高，因此破坏以水泥砂浆和骨料之间的粘结破坏为主。观察CPS骨料本身的微观形貌可以发现，CPS骨料本身存在大量的孔洞，这也验证了CPS生物基混凝土具有密度小、吸水率高等特点。