预浸石灰水碳化再生粗骨料混凝土的力学性能

张春生，李雅婧，丁亚红，武军，宁威; ZHANG Chunsheng; LI Yajing; DING Yahong; WU Jun; NING Wei

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张春生
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李雅婧
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丁亚红
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武军
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宁威

河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003

中图分类号： TU528.01

最近更新：2022-11-30

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2022.11.006

摘要

采用预浸石灰水碳化法对再生粗骨料进行强化处理，对强化前后再生粗骨料物理性能进行检测，研究了碳化再生粗骨料对混凝土力学性能的影响.同时结合微观测试手段，分析碳化对再生粗骨料的增强机理. 通过立方体抗压、劈裂抗拉及抗折强度试验，研究强化后混凝土各龄期强度变化. 结果表明：预浸石灰水碳化法能够显著改善再生粗骨料的物理性能，其吸水率降低15.2%~22.9%，压碎值降低15.2%~17.7%；碳化后粗骨料的界面过渡区更加密实，有利于再生粗骨料品质的提升；7、28 d的混凝土强度随粗骨料取代率的增大而降低；当粗骨料取代率为50%时，预浸石灰水碳化再生混凝土强度与普通混凝土相当.

关键词

再生粗骨料; 碳化强化; 石灰水预浸泡; 微观结构; 力学性能

当前，天然资源的开发与建筑固废大量排放存在矛盾关系，而再生混凝土（RAC）有利于缓和两者关系.与天然骨料（NA）相比，再生骨料随机性和差异性较大，强化再生骨料和拓宽RAC的应用已成为近年来的热点^［

1‑4］.现有强化方式主要是对再生骨料表面的旧砂浆进行去除和强化^{［参考文献 5

百度学术}5］，其中碳化处理再生骨料被认为是一种有效的强化方式^{［参考文献 6

百度学术}6］.

Zhan等^［

5］采用循环碳化法，将再生骨料进行石灰水预浸泡，发现再生骨料的吸水率降低55%，RAC的抗压强度和抗折强度分别提高22.8%和42.4%.Xuan等^{［参考文献 7

百度学术}7］研究发现，在0.1、0.5 MPa条件下碳化处理后的再生粗骨料（RCA）吸水率降低1.6%~5.5%.应敬伟等^{［参考文献 8

百度学术}8］采用直接碳化法处理RCA，发现碳化RCA的表观密度和堆积密度均增大1.2%，吸水率减小27.3%，压碎值降低10.5%. Wang等^{［参考文献 9

百度学术}9］采用复合碳化法将RCA进行Ca（OH）₂预浸泡，研究发现RCA的压碎值和吸水率分别降低14.7%和20.7%，氯离子迁移系数降低9.4%~26.0%.

综上，采用直接碳化法和复合碳化法均能有效改善RCA品质.然而，对于复合碳化法处理RCA的宏微观性能研究还有待进一步完善.鉴于此，本试验采用超饱和石灰水预浸泡复合碳化处理RCA，对RCA的物理性能、微观性能和再生粗骨料混凝土的基本力学性能进行探究.

1 试验

1.1 原材料

试验采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥、细度模数为3的河砂、聚羧酸减水剂、自来水、再生粗骨料（RCA）、饱和石灰水及CO₂等原材料. 其中RCA为实验室废弃混凝土梁经破碎并筛选得到的5~10、10~20 mm骨料.另外，为了对比，试验选取相同粒径范围内的天然骨料（NA）.NA和RCA的物理性能如表1所示.

表1 NA和RCA的物理性能

Table 1 Physical properties of NA and RCA

Physical property	RCA		NA
Physical property	5-10 mm	10-20 mm	5-10 mm	10-20 mm
Water absorption(by mass)/%	4.8	4.6	0.6	0.6
Apparent density/ (kg·m^-3)	2 583	2 549	2 703	2 703
Crushing value(by mass)/%	18.6	15.8	10.4	8.1

1.2 试验过程

1.2.1 再生粗骨料预浸处理

将RCA置于容器中，倒入石灰水并稳定搅拌；浸润24 h后将骨料沥出，移至（22±2） ℃、相对湿度为60%~70%的恒温恒湿箱中，确保骨料达到最佳含水率.研究表明，当RCA的含水率（质量分数，文中涉及的取代率、比值等除特别说明外均为质量分数或质量比）为60%~70%时有利于碳化反应的进行^［

8］.为保证清水浸泡与石灰水浸泡后的RCA含水率一致，将对照组RCA洗涤后在清水中浸泡24 h，取出后放入相同条件的恒温恒湿箱中.

1.2.2 再生粗骨料的碳化强化

图1为碳化设备示意图.图中碳化反应釜体积为50 L，最大可承载50 kg骨料.将处理后的骨料置于反应釜内进行碳化，CO₂体积分数为99.9%、碳化压力为0.3 MPa、碳化时间24 h.碳化完成后，向骨料上喷涂1%的酚酞指示剂，看其是否变红，不变红表明已完全碳化.

图1 碳化设备示意图

Fig.1 Schematic diagram of carbonization equipment

1.2.3 试件设计及制备

本试验研究碳化方式及RCA取代率（0%、50%和100%）对再生混凝土性能的影响.为避免RCA较高吸水率对混凝土性能产生影响，浇注前进行预湿处理. 试件制备完成后，先置于（20±1） ℃养护室中，同时覆盖塑料薄膜，24 h后拆模；再将试件放入恒温水箱内继续养护.需要说明的是，进行7、28 d强度测试的试件须于试验前取出，晾至饱和面干后再进行测试.

1.3 试验方法

1.3.1 物理性能

根据GB/T14685—2011《建筑用卵石、碎石》，分别对碳化处理前后RCA的吸水率、表观密度和压碎值进行测试.

1.3.2 微观测试

（1）转靶X射线衍射仪（XRD）

碳化后的RCA在烘箱（65 ℃）中干燥24 h.先通过锤击、研磨和筛分获得粒径小于80 μm的黏附砂浆样品，再用XRD进行扫描，扫描范围为5°~70°，速率为10（°）/min.

（2）扫描电子显微镜（SEM）

对小于10 mm的骨料样品进行打磨和修整，并在65 ℃的烘箱中干燥至恒重，然后通过SEM观察样品的微观形貌.

1.3.3 力学性能

根据GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，采用万能压力机测试混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度.每组设置3个试件，试验值取其平均值.

2 结果与分析

2.1 碳化前后再生粗骨料性能

2.1.1 物理性能

（1）碳化对RCA吸水率的影响

碳化前后RCA的吸水率如图2所示. 由图2可见：与未处理的再生粗骨料（U‑RCA）相比，粒径为5~10、10~20 mm直接碳化再生粗骨料（C‑RCA）的吸水率分别降低14.6%和8.7%，粒径为5~10、10~20 mm预浸石灰水碳化再生粗骨料（LC‑RCA）的吸水率分别降低22.9%和15.2%.由图2还可见，骨料粒径越小，其吸水率降低幅度越显著.这是因为粒径越小，砂浆含量越高，比表面积越大，可用于碳化的水泥水化产物就更多^［

10］，进而能够与CO₂充分接触，提高反应速率. 这与Zhan等^{［参考文献 11

百度学术}11］得到的结论一致.此外，研究表明，未水化水泥熟料矿物（硅酸三钙（C₃S）、硅酸二钙（C₂S））可与CO₂发生反应，生成稳定的CaCO₃和硅胶^{［参考文献 12

百度学术}12］，能够有效填充再生骨料，粘结旧砂浆中的孔隙和裂缝，使骨料更加密实，从而降低吸水率.

图2 碳化前后RCA的吸水率

Fig.2 Water absorption of RCA before and after carbonation

（2）碳化对RCA压碎值的影响

碳化前后RCA的压碎值如图3所示.由图3可见：与U‑RCA相比，粒径为5~10、10~20 mm的C‑RCA压碎值分别降低了13.4%和10.1%，粒径为5~10、10~20 mm的LC‑RCA压碎值分别降低17.7%和15.2%；相同粒径下，LC‑RCA的压碎值降低幅度更加显著.

图3 碳化前后RCA的压碎值

Fig.3 Crushing value of RCA before and after carbonation

上述数据表明，经碳化处理后RCA的压碎值明显降低，说明碳化后RCA的品质得到有效改善，这与Lu等^［

10］研究结果一致.Xuan等^{［参考文献 7

百度学术}7］研究表明，碳化后老砂浆的显微硬度高于碳化前.这是因为旧界面过渡区（ITZ）和RCA表面的老砂浆被碳化产物填充或附着，ITZ中较大的裂纹及疏松多孔的老砂浆碳化后变得更加密实，从而提高了RCA的微观硬度，使得压碎值降低.

（3）碳化对RCA表观密度的影响

碳化前后RCA的表观密度如图4所示. 由图4可见：与U‑RCA相比，C‑RCA和LC‑RCA的表观密度略有提升，粒径为5~10、10~20 mm的C‑RCA表观密度分别提高2.3%和1.7%，粒径为5~10、10~20 mm的LC‑RCA表观密度分别提高4.1%和3.5%.

图4 碳化前后RCA的表观密度变化

Fig.4 Apparent density of RCA before and after carbonation

图4数据表明，碳化后，RCA的表观密度提高幅度较小.这是由于碳化效率随着渗透深度的增加而逐渐降低.碳化反应产生的CaCO₃和硅胶等碳化产物细化了RCA的裂隙，一定程度上阻碍了水分和CO₂向骨料内部渗透^［

13］.因此，骨料表层的CaCO₃含量明显增加，而内层的CaCO₃含量基本不变.

2.1.2 微观性能

（1）微观组分

图5为碳化前后RCA的微观组分变化.由图5（a）可知：碳化前RCA中确定的结晶相有典型的水泥水化产物Ca（OH）₂，但Ca（OH）₂衍射峰较低，说明用于碳化的反应物较少，这与破碎后在露天场地长时间放置有关，进一步说明了外加钙源的必要性；碳化后，当2θ为29.6°时，C‑RCA和LC‑RCA的CaCO₃衍射峰强度增加，其中，LC‑RCA的CaCO₃衍射峰强度高于C‑RCA.由图5（b）可知，LC‑RCA的CaCO₃质量损失率高于C‑RCA.根据式（1）、（2）对碳化后RCA的CO₂吸收率（ $β$ ）和CaCO₃质量损失率（m $_{C a C O_{3}}$ ）进行定量分析，结果如表2所示.由表2可知，LC‑RCA的 $β$ 和m $_{C a C O_{3}}$ 均高于C‑RCA，与XRD结果一致. 这说明预浸石灰水碳化能够提高RCA的碳化程度，碳化生成物相互堆嵌至骨料的微裂纹和孔隙中，从而使RCA更加密实.

图5 碳化前后RCA的微观组分变化

Fig.5 Change in micro‑component of RCA before and after carbonation

β = \frac{w_{550} - w_{800}}{w_{150} - (w_{550} - w_{800})} \times 100 %

（1）

式中： $w_{150}$ 、 $w_{550}$ 和 $w_{800}$ 分别为样品在150、550、800 ℃时的质量分数.

m_{C a C O_{3}} = \frac{w (C O_{2})}{M (C O_{2})} M (C a C O_{3})

（2）

式中： $w (C O_{2})$ 为样品在500~800 ℃下的脱碳质量分数； $M (C O_{2})$ 和 $M (C a C O_{3})$ 分别为CO₂和CaCO₃的相对分子质量.

表2 碳化后RCA的CO₂吸收率和CaCO₃质量损失率

Table 2 CO₂ absorption rate and CaCO₃ mass loss rate of RCA after carbonation

Type of RCA	$β$ /%	m $_{C a C O_{3}}$ /%
C‑RCA	26.37	47.10
LC‑RCA	28.96	50.75

（2）微观形貌

碳化前后RCA与所粘结砂浆间ITZ及水化产物的微观形貌如图6所示.由图6可见：U‑RCA的裂纹较为疏松（图6（a）），这是由于在破碎过程中对骨料进行多次锤击，在骨料内部产生损伤并不断累积，导致骨料劣化；C‑RCA的裂纹宽度明显变窄，并有相当一部分CaCO₃附着并填充在缝隙内（图6（b）），起到了微集料填充作用；LC‑RCA与旧砂浆粘结得更加紧密（图6（c）），说明碳化增强了骨料与老砂浆间的黏结强度，提高了结构的致密性；RCA的ITZ中典型水化产物包括片状的Ca（OH）₂（CH）和针棒状的钙矾石（AFt）（图6（d）），这些水化产物是导致再生骨料品质较差及结构疏松的主要原因；C‑RCA的ITZ中可观察到立方体形状的CaCO₃产物（图6（e）），这些紧密堆积的CaCO₃是碳化后骨料显微硬度提高和微观结构致密的主要原因.

图6 碳化前后RCA与所黏结砂浆ITZ及水化产物的微观形貌

Fig.6 Change of ITZ and hydration products of RCA before and after carbonation

2.2 力学性能

2.2.1 立方体抗压强度

再生混凝土立方体抗压强度随RCA取代率、碳化处理方式和养护龄期的变化如图7所示.由图7可知：（1）随着RCA取代率的增加，试件立方体抗压强度呈下降趋势.这是RCA孔隙率较高，旧砂浆疏松多孔，骨料与旧砂浆间的ITZ黏结强度较弱所致. （2）RCA经碳化处理后，试件的立方体抗压强度显著提高，且预浸石灰水后再碳化的效果更好，与掺未碳化再生粗骨料的再生混凝土（U‑RAC）相比，养护龄期为7 d时，直接碳化再生混凝土（C‑RAC）的抗压强度提高18.1%~23.1%，预浸石灰水碳化再生混凝土（LC‑RAC）的抗压强度又比C‑RAC提高3.9%~4.7%；与U‑RAC相比，养护龄期为28 d时，C‑RAC的抗压强度提高15.2%~18.9%，LC‑RAC的抗压强度又比C‑RAC提高7.2%~7.6%. 由上述数据可知，养护龄期为28 d时，碳化处理后再生混凝土的抗压强度提升幅度低于7 d.这是因为碳化后RCA的吸水率和孔隙率降低，制备混凝土时骨料吸收的水分较少，内养护作用较弱，导致水泥基质后期的水化作用减缓，混凝土后期强度提升幅度降低^［

14］.

图7 再生混凝土立方体抗压强度随RCA取代率、碳化处理方式和养护龄期的变化

Fig.7 Change of cube compressive strength of recycled conerete with RAC substitution rate， carbonation treatment method and curing age

2.2.2 劈裂抗拉强度

再生混凝土劈裂抗拉强度随RCA取代率、碳化处理方式和养护龄期的变化如图8所示.由图8可知，随着RCA取代率的增加，混凝土的劈裂抗拉强度逐渐降低.与普通混凝土相比，7 d时U‑RAC下降19.8%~32.5%，C‑RAC下降13.8%~25.4%，LC‑RAC下降7.1%~19.1%；28 d时U‑RAC下降21.5%~34.6%，C‑RAC下降12.6%~22.3%，LC‑RAC下降6.3%~16.4%，说明碳化后试件劈裂抗拉强度得到有效改善. 这是因为混凝土的劈裂抗拉强度主要与其基质间的黏结作用有关^［

15］，碳化反应生成的硅胶和CaCO₃附着并填充在RCA中，改善了其品质，增强了黏结砂浆的强度，提高了基质间的黏结作用.

图8 再生混凝土劈裂抗拉强度随RAC取代率、碳化处理方式和养护龄期的变化

Fig.8 Change of splitting tensile strength of recycled concrete with RCA substitution rate， carbonation treatment method and curing age

2.2.3 抗折强度

再生混凝土抗折强度随RCA取代率、碳化处理方式和养护龄期的变化如图9所示.由图9可知：随着RCA取代率的增加，试件的抗折强度呈下降趋势. 这是因为RCA的压碎值较大，内部的裂纹及孔隙较多，表面附着的旧砂浆较松散，造成再生混凝土中新旧水泥浆体间的黏结较差，受到外部荷载时，易发生折断；碳化处理后，与U‑RAC相比，7、28 d时C‑RAC的抗折强度分别提高10.6%~12.6%和9.1%~10.7%，LC‑RAC的抗折强度分别提高15.3%~20.9%和13.6%~17.2%.上述数据表明，经碳化处理后的RCA能够有效提升RAC的抗折强度，且预浸石灰水再碳化的改善效果更加显著. 此外，试件的抗折强度提升幅度随着RCA取代率的增大而增大，这是由于RCA取代率越高，RCA吸收周围新拌基质间的水分就越多，降低了RAC的有效水灰比，增强了水泥间的黏结强度，形成更加密实的混凝土结构.

图9 再生混凝土抗折强度随RCA取代率、碳化处理方式和养护龄期的变化

Fig.9 Change of flexural strength of recycled concrete with RCA substitution rate， carbonation treatment method and curing age

2.3 碳化增强机理

与NA相比，RCA具有较高的吸水率和压碎值，主要原因是RCA在破碎过程中产生大量的微裂纹；且RCA表面附着的旧砂浆疏松多孔，导致骨料的品质较差^［

16］. 研究发现，RCA中伴有CH晶体的沉淀和积累^{［参考文献 17

百度学术}17］，CH含量及孔隙率的增加也会降低骨料结构的密实性.碳化反应后，CO₂与水泥的水化产物Ca（OH）₂和水化硅酸钙（C‑S‑H）发生反应^{［参考文献 2

百度学术}2］（反应式见式（3）、（4）），生成CaCO₃和硅胶，反应后固相体积分别增加11.8%和23.0%^{［参考文献 18‑19}18‑19］.由于反应产物具有较好的稳定性和填充效应，提高了骨料的密实性和强度^{［参考文献 20

百度学术}20］，使得碳化处理后的RCA物理性能得到提升. 此外，由于本试验采用的是加压碳化装置，加压碳化后形成的碳化产物是分层分布的^{［参考文献 21

百度学术}21］，CaCO₃聚集在一起并填充于孔隙中，形成更加致密的微观结构.

Ca（OH）₂+CO₂

\underset{}{\to}

CaCO₃+H₂O

（3）

C‑S‑H+CO₂

\underset{}{\to}

CaCO₃+SiO₂·nH₂O

（4）

由此可见，碳化能够有效提升RAC的力学性能.RAC的CH层间联结较弱是发生受力破坏的主要根源，经碳化反应后，CH转化为热稳定性较好的无机碳酸盐，起到了良好的填充效应，有效提升了RAC的强度. 研究发现，C₂S和C₃S是硅酸盐水泥中的主要矿物组分，但C₃S具有较高的水化活性，其早期与CO₂反应生成C‑S‑H和CaCO₃；随着反应的进行，C‑S‑H与CO₂发生脱钙反应，生成无定型硅胶填充在孔隙中，从而提高了混凝土早期力学强度^［

22］. 由上文结果可知，LC‑RAC的力学性能提升效果更为明显，其增强机理如图10所示.由图10可见：（1）U‑RCA中存在大量的水化产物CH和AFt，且在前期破碎过程中产生了大量的微裂纹和孔隙（图10（a））；经过石灰水预浸泡后，为骨料提供了大量外加钙源，这些Ca²⁺游离在骨料表面和内部，从而提高了后续碳化反应程度（图10（b））；碳化处理后，所生成的大量方解石和硅胶被填充于骨料的孔隙、微裂纹和ITZ中（图10（c））.（2）RAC制备完成后，方解石与新拌基质中的水泥接触，缓慢溶解，释放出CO

_{3}^{2 -}

，同时水泥基质中的铝酸盐离子迁移至方解石附近，二者发生反应生成单碳铝酸盐（Mc），为C‑S‑H在RCA表面的生长提供更多的成核点^{［参考文献 23

百度学术}23］，使骨料周围发生局部致密化，从而提高了RAC的力学性能；另外，水泥基质中含有的Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、SO

_{4}^{2 -}

等能够渗透到ITZ中，通过与CO₂发生反应，以无机碳酸盐的形式沉积在ITZ中（图10（d））.

图10 预浸石灰水碳化增强机理示意图

Fig.10 Schematic diagram of mechanism of pre‑soaking in lime water and carbonation

3 结论

（1）碳化能够有效改善RCA的品质，且预浸石灰水碳化对RCA的物理性能提升效果更加显著.与未碳化RCA相比，LC‑RCA的吸水率降低15.2%~22.9%，压碎值降低15.2%~17.7%.

（2）RCA的粒径越小、砂浆含量越高、比表面积越大，其碳化反应效率越高，碳化后骨料品质提升效果越明显.碳化处理可提高RCA的CaCO₃衍射峰强度，反应产物CaCO₃和无定形硅胶有效改善了骨料与旧砂浆间ITZ的密实性，对旧砂浆中的孔隙和微裂纹具有充填作用.

（3）预浸石灰水碳化比直接碳化对RAC抗压强度的提升幅度更大，LC‑RAC的抗压强度比C‑RAC提高了3.9%~7.6%. 随着RCA取代率的增加，RAC的抗压强度呈下降趋势. 预浸石灰水碳化改善了较高取代率下RCA对混凝土抗压强度的不利影响.

（4）碳化有利于强化旧砂浆的强度，增强基质间的黏结作用，形成更加密实的混凝土结构. 预浸石灰水碳化处理后，RAC的劈裂抗拉强度和抗折强度均有明显提升.

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