再生骨料掺量对混凝土碳化性能的影响

肖前慧,郭欣怡,邱继生,武 哲,师姗姗

(西安科技大学 建筑与土木工程学院,陕西 西安 710054)

0 引 言

随着中国社会经济的不断发展,再生混凝土作为一种新型绿色建材具有良好的发展前景[1],再生粗骨料由废弃混凝土破碎分解生成,大部分再生骨料表面附着旧砂浆,使得再生骨料吸水率、压碎值和孔隙率变大,从而使得强度降低[2]。耐久性问题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点之一。国内外学者正在进行相关研究,期待将再生混凝土运用到实际工程之中。霍艳华等经过试验研究发现,当掺入的再生骨料取代率为30%时,再生骨料混凝土的碳化性能不会发生大的变化[3];SAGOE-CRENTSIL等经过研究发现当再生混凝土全部被取代时,碳化速率会比普通混凝土快10%[4]。BUYLE-BODIN等为研究再生骨料特性,选用再生粗细骨料全部取代天然骨料,发现在配合比相同时,碳化速率是普通混凝土的3倍[5];雷斌等研究发现再生混凝土碳化速率不但与再生骨料掺量有关,还与再生骨料本身的强度有关,在碳化后期混凝土的碳化速率还会随碳化时间延长而降低[6];李秋义等为研究再生混凝土碳化作用下的界面过渡区变化情况,建立了多重界面的模型,使得再生混凝土界面研究更有针对性[7];王忠星等研究了不同强度等级再生骨料构成的多重界面在碳化作用下的微观结构变化[8];朱从香等研究发现化学浸泡法能够修复再生混凝土的微裂缝,改善骨料的界面结构,强化再生粗骨料,增强了抗碳化能力[9]。

现有关于再生混凝土抗碳化性能的研究主要集中在宏观性能或微观结构变化上,而微观结构变化与宏观性能变化相结合的分析领域几乎是空白。对不同取代率的再生混凝土进行了碳化试验,从宏观性能方面分析了再生混凝土碳化深度随碳化时间的变化规律,以及再生骨料取代率对混凝土抗压强度的影响;在微观结构方面采用显微硬度仪研究了不同碳化时间、相同碳化深度下再生混凝土界面过渡区显微硬度值的变化。分析碳化时间、再生骨料掺量等因素对界面过渡区微观结构的影响,从显微硬度值变化和界面过渡区宽度的变化揭示混凝土碳化机理,进一步分析宏观性能与微观结构的关系。

1 试验方案

1.1 试验原材料

试验采用上海海螺水泥有限责任公司生产的P.O42.5R水泥(表1)。天然细骨料采用灞河中砂,细度模数为2.5。天然粗骨料是产自耿镇的碎石,根据规范GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》其粒径分布范围5～25 mm(表2)。再生粗骨料是采用废弃混凝土经过实验室简单破碎制成,根据规范GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》,粒径分布范围在5～31.5 mm,级配良好(表3)。外加剂为减水剂,减水剂使用Q8011HPWR高性能减水剂。拌合水为为饮用自来水。

表1 水泥的基本性能指标

表2 天然粗骨料物理性质

表3 再生粗骨料物理性质

1.2 试样制备与养护

试验参照规范JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》和规范GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》确定再生混凝土的配合比(表4)。

表4 再生混凝土配合比

根据规范GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》,将按比例称量好的粗骨料、细骨料、胶凝材料、等比例的外加剂和水依次放入混凝土搅拌机中搅拌,制成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件,标准钢膜成型,振捣台振捣密实,带模养护24 h后拆模,随后放入标准养护室养护28 d。

1.3 碳化深度试验方法

对每组试样在碳化3,7,14和28 d时测量其碳化深度。由于本试验使用的是立方试块,因此取下3组具有相应碳化时间的试块,并在碳化表面的中部进行劈裂。在劈裂面上喷洒1%浓度的酚酞酒精溶液,等待约30 s后,在碳化面上每隔10 mm测量混凝土的碳化深度作为测量点。碳化深度值是每组3个试块的平均碳化深度。

1.4 显微硬度仪试验方法

材料硬度可以很好地反映出材料弹塑性变形的特性,且根据材料的硬度可以近似估算出材料的强度,因此硬度是反应材料性能的一项重要的力学性能指标。本试验采用的HVS—1000Z显微硬度计是通过维氏硬度来对混凝土界面显微硬度进行测试。处理得到的数据后得到显微硬度标准值范围,以标准值下限做界面过渡区的界限值。以所测显微硬度值减去界限值,数据为负数则表明该区域的显微硬度值低于标准区域的下限值,判定该区域为界面过渡区。

2 结果与分析

2.1 再生混凝土宏观特征

2.1.1 再生混凝土碳化深度

碳化深度可以直观的反映混凝土内部碱性环境的变化,便于预测混凝土结构的使用寿命,它是评估混凝土结构物耐久性的重要指标之一。碳化28 d的再生混凝土(图1),采用酚酞酒精溶液作为指示剂测量碳化深度(未碳化的变成红色,已碳化的不变色),可以看出随着再生骨料掺量的增加,再生混凝土红色区域越少,说明碳化的深度越深。

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

通过碳化深度随时间变化规律可以看出,随着碳化时间的增长碳化深度在增加(图2)。与RC0混凝土相比,碳化3,7,14和28 d后,RC30组和RC50组再生混凝土的碳化深度分别增加了36%,6.8%,12.2%,13.1%和53.4%,21.1%,35.8%,31.2%。说明再生骨料取代率越大抗碳化性能越差,这是因为再生混凝土中掺加的再生骨料表面有水泥砂浆以及生产中造成的微裂缝,二氧化碳气体通过孔隙和裂缝进入混凝土内部。所以随着再生骨料取代率的增加,再生混凝土裂缝和孔隙越多二氧化碳扩散越深。

图2 再生混凝土碳化深度变化规律Fig.2 Variation pattern of the carbonization depth of recycled concrete

2.1.2 再生混凝土抗压强度

从不同碳化时间后再生混凝土抗压强度的变化规律看出,碳化28 d后与RC0混凝土对比,RC30和RC50再生混凝土的抗压强度分别降低了15.5%和24.1%。RC0、RC30和RC50混凝土的抗压强度分别比碳化前提高了2%,14%和15%,可以看出取代率超过30%后的混凝土抗压强度的增加幅度减小。碳化后的再生混凝土内部会发生一系列物理化学反应,产生新的物质来填充混凝土的孔隙,从而提高混凝土的抗压强度[10]。碳化初期再生骨料内部存在许多微裂缝,碳化产物充分填充了混凝土的孔隙,因此取代率为30%混凝土的抗压强度会发生显著变化。当再生骨料取代率为50%时,碳化生成物无法填充较大的孔隙,所以抗压强度增幅有所下降(图3)。

图3 再生混凝土抗压强度的变化规律Fig.3 Variation pattern of the compressive strength of recycled concrete

2.2 再生混凝土微观特征

2.2.1 再生混凝土微观形貌

分别从RC0组和RC50组混凝土碳化28 d后微观界面特征看出(图4,图5),RC0组混凝土碳化28 d后,骨料与浆体结合的比较紧密,这是因为碳化后界面过渡区内堆积大量的CaCO3颗粒(图4(c)),填充了界面微小孔隙,界面过渡区结构变得致密起来[11],RC50组混凝土碳化28 d后,骨料和浆体之间的裂缝增加,大量的CaCO3晶体存在于界面过渡区的裂缝当中无法完全填充孔隙和裂缝的空间,使得连通孔隙增多(图5(c)),界面过渡区结构变得疏松[12]。

图4 RC0组碳化28 d微观界面特征Fig.4 Microscopic interface characteristics of RC0 Group carbonization 28 d

图5 RC50组碳化28 d微观界面特征Fig.5 Microscopic interface characteristics of RC50 Group carbonization 28 d

2.2.2 碳化时间对显微硬度的影响

由3种界面不同碳化时间下显微硬度可知(图6),从碳化3～28 d,再生骨料掺量为30%的老骨料老浆体界面、骨料新浆体界面和老浆体新浆体界面过渡区最低显微硬度值分别从33～59 N/mm2、28～48 N/mm2以及从33～51 N/mm2,界面过渡区宽度分别从46～30 μm,降低了34%、从63～47 μm,降低了25%以及从47～39 μm,降低了17%。

图6 3种界面不同碳化时间下显微硬度Fig.6 Microhardness at different carbonization times of three interfaces

2.2.3 再生骨料掺量对显微硬度的影响

通过碳化28 d后3种界面显微硬度看出。老骨料老浆体界面和老浆体新浆体界面中RC30组和RC50组界面过渡区宽度分别约为30,31 μm和39,41 μm,界面过渡区最低显微硬度值分别为59,56 N/mm2和51,50 N/mm2。骨料新浆体界面RC0组、RC30组和RC50组界面过渡区最低显微硬度值分别为46,48 N/mm2和44 N/mm2,界面过渡区宽度约为42,47 μm和50 μm。碳化28 d后3种界面不同掺量的再生混凝土中同类界面显微硬度值相差不大,但是RC30组整体微观界面结构较RC50组好(图7)。这是因为不同的组的再生混凝土取材一样,只改变再生骨料的取代率,所以同类界面显微硬度变化趋势大致相同。又由于再生骨料具有孔隙率大、低密度和裂缝多的缺点[18-19],所以随着再生骨料掺量的增加,使得再生混凝土中碳化生成的产物对界面的优化作用小于孔隙和裂缝对界面结构的劣化作用。所以在碳化28 d后RC30组的显微硬度值高于RC50组。

图7 碳化28 d 3种界面显微硬度Fig.7 Microhardness of the three interfaces by carbonization 28 d

2.3 宏观性能与微观结构的关系

2.3.1 碳化深度与微观结构的关系

将RC30组碳化深度随时间的变化规律(图2)和RC30组微观试验数据进行对比分析(图8)。在碳化14 d后界面过渡区宽度和碳化深度变化速率均出现转折,且变化速率都减小。再生混凝土碳化深度的变化与界面过渡区宽度的变化相反。碳化初期界面过渡区宽度减小较快是因为此时混凝土内部孔隙和微裂缝较多,二氧化碳的扩散速率快[20],生成的碳化产物快速将孔隙填充。碳化14 d后宽度保持稳定的原因是填充效果达到最大[21-22]。同时碳化后期老骨料老浆体界面过渡区宽度略有减小,表明微观结构中仍有空间填充碳化产物。从宏观角度来看,这也是对碳化14 d后碳化深度仍有增长但是增长速率有所减缓进行说明。

图8 RC30组碳化深度与界面过渡区宽度的关系Fig.8 Relationship between the RC 30 group carbonization depth and the width of the interface transition zone

2.3.2 抗压强度与微观结构的关系

通过比较RC30组微观结构数据与RC30组抗压强度的变化规律(图3), 可以看出抗压强度与再生混凝土界面过渡区显微硬度以及界面过渡区宽度的关系(图9)。碳化后再生混凝土抗压强度与界面显微硬度的变化趋势相同而与界面过渡区宽度的变化趋势相反。界面过渡区为混凝土性能的薄弱点。从抗压强度与再生混凝土界面过渡区显微硬度看出(图9(a)),碳化后,界面过渡区总体密实度提升,改善了该薄弱点,增强了总体力学性能。当界面过渡区显微硬度增幅减小后,再生混凝土力学性能增幅也随之下降,其变化幅度接近。从抗压强度与再生混凝土界面过渡区宽度可以看出(9(b)),碳化14 d后界面过渡区宽度的减小速度减慢,表明碳化对再生混凝土界面过渡区微观结构的改善作用减弱[23-25]。但其相反的变化趋势更容易看出再生混凝土抗压强度变化的原因。所以界面过渡区的宽度变化可以更好地表征宏观性能的变化。

3 结 论

1)RC0、RC30 和 RC50 组混凝土抗压强度相比碳化前都有所提高,说明碳化可以增强再生混凝土强度。

2)再生混凝土的不同界面经碳化作用后界面过渡区变化幅度不同。老骨料老浆体界面抗碳化性远强于骨料新浆体界面、老浆体新浆体界面。

3)再生骨料取代率越大混凝土的界面结构优化性能越低,所以再生骨料掺量为30%时微观界面结构整体较掺量为50%好。

4)再生混凝土界面过渡区的显微硬度和过渡区宽度随碳化深度和抗压强度的变化而变化。微观结构的变化可以有效地解释宏观性能的变化,使用界面过渡区宽度的变化来表征宏观性能的规律更准确。