碳化再生粗骨料环保型超高性能混凝土的制备

冷勇，余睿，范定强，张学玉; LENG Yong; YU Rui; FAN Dingqiang; ZHANG Xueyu

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冷勇 ^1,2
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余睿 ¹
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范定强 ^1,2
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张学玉 ^1,2

1. 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉 430070； 2. 武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430070

中图分类号： TU525

最近更新：2022-11-30

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2022.11.011

摘要

提出了一种再生建筑废弃物的高效利用方法，并以此制备了生态型超高性能混凝土（UHPC）.基于改进的颗粒堆积模型（MAA模型），开发了最大粒径为4.75 mm的碳化再生粗骨料（CRCA）超高性能混凝土（CRCA‑UHPC），评估了CRCA对UHPC 宏观性能及纳微观结构的影响.结果表明：将CRCA掺入 UHPC中可以改善UHPC的力学性能和耐久性能，降低UHPC的自收缩，优化骨料与基体间的界面过渡区（ITZ）.

关键词

再生粗骨料; 超高性能混凝土; 清洁建筑材料; 碳化再生粗骨料

利用建筑垃圾制备再生粗骨料（RCA），并将其应用于混凝土中，不仅是解决建筑垃圾堆积问题的重要措施之一，并且还可有效解决天然骨料（NA）短缺的问题^［

1‑4］.然而，RCA吸水率高、压碎值大、界面过渡带弱等特点限制了其在实际工程中的大规模应用^{［参考文献 5

百度学术}5］.

为有效解决上述问题，可采用加速碳化技术进行再生骨料的强化处理.Xuan等^［

6］研究表明，碳化再生粗骨料（CRCA）用于混凝土时，混凝土的力学性能和新拌性能得到改善.此外，CRCA可有效储存二氧化碳，是减少二氧化碳排放的有效途径之一.然而，与采用NA制备的混凝土相比，采用CRCA制成的再生混凝土性能不稳定，难以满足许多大型工程应用的要求.因此，需要性能优异的水泥基材料来抵御CRCA自身性能不稳定的风险^{［参考文献 7

百度学术}7］.

超高性能混凝土（UHPC）是一种新型建筑材料，由于其优异的力学性能、耐久性能^［

8‑9］，已经被成功应用于各种重大工程领域.但UHPC的高胶凝材料用量、低水胶比的特点，导致其具有较高的自收缩开裂风险^{［参考文献 10‑11}10‑11］.适当引入粗骨料可以增加内部约束，从而抑制UHPC的自收缩发展^{［参考文献 12‑13}12‑13］.为此，本文采用CRCA来制备低收缩生态型UHPC，研究了CRCA对UHPC宏观性能及纳微观结构的影响，以期为碳化再生粗骨料超高性能混凝土（CRCA‑UHPC）的制备与工程应用提供参考.

1 试验

1.1 原材料

水泥（C）为华新水泥投资有限公司产P·O 52.5普通硅酸盐水泥，表观密度为3 144 kg/m³；硅灰（SF）由埃肯有机硅有限公司生产；石粉（LP）由新玛特粉体化工原料有限公司生产；砂为清洗干净的普通河砂，表观密度为2 560 kg/m³，粒径为0~0.6 mm、0.6~1.25 mm、1.25~2.36 mm；天然骨料（NA），粒径为2.36~4.75 mm；再生粗骨料（RCA），粒径为2.36~4.75 mm，由废弃桥梁混凝土破碎得到；碳化再生粗骨料（CRCA），粒径为2.36~4.75 mm，由RCA碳化处理得到；减水剂为江苏苏博特有限公司产高性能聚羧酸系减水剂，减水率（质量分数，文中涉及的减水率、固含量等均为质量分数）大于30%，固含量为20%.胶凝材料的化学组成见表1.CRCA处理流程图如图1所示.

表1 胶凝材料的化学组成

Table1 Chemical compositions of cementitious materials ( w/% )

Material	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	Na₂O	P₂O₅	SO₃	K₂O	IL
C	64.930	19.200	4.180	3.320	1.610	0.090	0.090	3.350	0.780	2.450
SF	0.360	94.650	0.250	0.150	0.470	0.130	0.170	0.690	0.840	2.290
LP	54.060	0.191	0.083	0.088	2.891		0.012	0.020		42.620

图1 碳化再生粗骨料处理流程图

Fig.1 Processing flow chart of CRCA

CRCA的碳化参数为：气压0.3 MPa、温度20 ℃、相对湿度50%、时间24 h.碳化处理前后RCA的微观形貌及能谱分析（EDS）如图2、3所示.由图2可见：碳化前，RCA中可观察到大量的Ca（OH）₂晶体；碳化后，在Ca（OH）₂晶体和水化硅酸钙（C‑S‑H）凝胶表面发现许多方解石晶须和柱状方解石晶体.图3的EDS分析也显示碳化处理后RCA中的碳元素含量增加.

图2 碳化前后再生粗骨料的微观形貌

Fig.2 Microscopic morphology of RCA before and after carbonization

图3 碳化前后再生骨料的EDS分析

Fig.3 EDS analysis of RCA before and after carbonization

1.2 配合比

通过改进的颗粒堆积模型（MAA模型）设计UHPC的配合比，见表2.

表2 UHPC的配合比

Table 2 Mix proportions of UHPC kg/m³

Type of UHPC	C	SF	LP	NA				RCA	CRCA	Water	SP
Type of UHPC	C	SF	LP	0-0.60 mm	0.60-1.25 mm	1.25-2.36 mm	2.36-4.75 mm	RCA	CRCA	Water	SP
NA‑UHPC	721	168	103	145	324	83	554	0	0	170	35
RCA‑UHPC	721	168	103	145	324	83	0	554	0	170	35
CRCA‑UHPC	721	168	103	145	324	83	0	0	554	170	35

1.3 制备过程

先按照表2配合比称取各原材料，在行星搅拌机中搅拌，制备得到3种UHPC；再在振动台上振动60下后刮平，表面覆膜；接着在20 ℃左右的条件下养护24 h后拆模；最后置于（20±2） ℃，相对湿度不小于95%的标准养护室养护至相应龄期.

1.4 测试项目

（1）粗骨料的表观密度和吸水率

使用排液法和茶包法分别测试3种粗骨料的表观密度和吸水率.

（2）UHPC的抗压强度

将新鲜砂浆混合均匀后，倒入尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的模具中，在20 ℃的喷水养护室内养护至3、7、28 d.抗压强度试验方法参照BS‑EN 196‑1：2005《Methods of testing cement‑Part 1： Determination of strength》.

（3）UHPC的自收缩

使用半径为2.5 mm、端距为42 mm的波纹管进行UHPC的自收缩测试.测试环境温度为（20±2） ℃、相对湿度为（60±5）%.将UHPC的终凝时间定义为其自收缩的起始点.

（4）UHPC的抗氯离子渗透性能

参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，对UHPC的耐久性进行评价.试样固化时间为128 d.

（5）UHPC的微观结构

采用QUANTA FEG 450分析UHPC 的微观结构，并获得扫描电子显微镜（SEM）照片.为进一步研究CRCA对UHPC中骨料和基体间界面的影响，对试样进行纳米压痕测试.

2 试验结果与分析

2.1 粗骨料的基本性能

3种粗骨料的基本性能如表3所示.由表3可见：经碳化处理后，RCA的吸水率由6.95%降至4.05%，而表观密度由2.54 g/cm³增至2.59 g/cm³，与NA相似.这可能归因于新生成的CaCO₃在加压碳化过程中沉淀在RCA表面的孔隙和裂缝中，优化了RCA表面并使其更加致密.

表3 3种粗骨料的基本性能

Table 3 Basic properties of three kinds of coarse aggregate

Basic property	NA	RCA	CRCA
Water absorption（by mass）/%	4.40	6.95	4.05
Apparent density/(g·cm^-3)	2.56	2.54	2.59

2.2 抗压强度

图4显示了不同粗骨料对UHPC抗压强度的影响.由图4可以看出，与NA‑UHPC相比，RCA‑UHPC和CRCA‑UHPC的3 d抗压强度分别提高了2.7%和5.0%，7 d抗压强度分别提高了3.3%和6.5%，28 d抗压强度分别提高了3.8%和9.1%.此外，图4中的误差棒显示，RCA‑UHPC的抗压强度值波动比CRCA‑UHPC更大，这说明与未碳化的RCA相比，CRCA不仅可以降低抗压强度值的不稳定性，还可以进一步提高UHPC的抗压强度.其原因为：碳化后，CRCA孔隙率降低，使得其吸水率有所下降，改善了RCA与新砂浆的过渡区，且旧砂浆与CRCA之间的过渡区得到加强，从而提高了RCA的整体力学性能^［

5］.

图4 不同粗骨料对UHPC抗压强度的影响

Fig.4 Effect of different coarse aggregates on compressive strength of UHPC

2.3 体积稳定性

图5为CRCA和RCA对UHPC自收缩的影响.由图5可见：CRCA‑UHPC自收缩值最低（621 µm/m），而RCA‑UHPC的自收缩值最大（约790 µm/m）；当使用RCA替代NA时，UHPC早期自收缩提高13%，主要原因是本研究中使用的RCA的高吸水率使得相对水胶比降低，最终导致UHPC自收缩率增加；与未碳化RCA相比，掺入CRCA时，UHPC早期自收缩减少了21%，这是因为碳化处理优化了RCA的孔隙率，从而降低了吸水率并最终增加了相对水胶比；与NA相比，掺入CRCA时，UHPC的早期自收缩减少近11%，这可能是CRCA颗粒的互锁效应降低了早期自收缩所致.

图5 CRCA和RCA对UHPC自收缩的影响

Fig.5 Effect of CRCA and RCA on autogenous shrinkage of UHPC

2.4 抗氯离子渗透性能

图6为不同粗骨料对UHPC抗氯离子渗透性能的影响.图中以快速氯离子迁移系数（DRCM）来表征UHPC的抗氯离子渗透性能.由图6可见：NA‑UHPC、RCA‑UHPC和CRCA‑UHPC的DRCM分别为0.56×10^-13、1.01×10^-13、0.61×10^-13 m²/s；与NA相比，掺入RCA可使UHPC的DRCM增加80%，而掺入CRCA后，UHPC的DRCM仅增加9%.上述现象表明，RCA的高孔隙率导致UHPC的氯离子渗透性增大^［17］，而RCA进行碳化处理后孔隙率降低，从而使得UHPC的氯离子渗透性降低.

图6 不同粗骨料对UHPC抗氯离子渗透性能的影响

Fig.6 Effect of different coarse aggregates on durability of UHPC

2.5 微观结构

图7为3种UHPC的扫描电镜-背散射电子成像（SEM‑BSE）照片.由图7可见：CRCA与UHPC基体结合非常紧密，CRCA‑UHPC试样中没有明显的界面过渡区（ITZ）；NA‑UHPC和RCA‑UHPC的界面过渡区（ITZ）则更为明显，且其中的孔隙率更大.因此，进一步说明碳化处理可以优化RCA表面并减少其对UHPC微观结构和力学性能的负面影响.

图7 3种UHPC的SEM‑BSE照片

Fig.7 SEM‑BSE images of three kinds of UHPC

图8为CRCA和RCA对UHPC界面过渡区（ITZ）硬度的影响.由图8可见：NA的硬度为5.5~10.0 GPa，与RCA和CRCA相比，NA与UHPC基体之间的ITZ平均硬度显著降低，这与BSE的结果相吻合；CRCA与UHPC基体间ITZ的平均硬度比RCA与UHPC基体间ITZ的平均硬度高 46%，明显消除了旧砂浆造成的界面缺陷.这是因为旧砂浆表面的碳化可以产生纳米碳酸钙，该活性物质可以促进旧砂浆表面水泥的水化，增加旧砂浆与新砂浆间ITZ的平均硬度^［

14］，CRCA的平均硬度提高了近29%，大大缩小了旧砂浆与UHPC基体的硬度差距，增加了它们的相容性.

图8 CRCA和RCA对UHPC界面过渡区（ITZ）硬度的影响

Fig.8 Effect of CRCA and RCA on hardness of interface transition zone（ITZ） of UHPC

3 结论

（1）采用粒径为2.36~4.75 mm的CRCA替代NA制备了UHPC.通过使用MAA模型，可保证CRCA‑UHPC致密的堆积结构.

（2）相较于对照组，CRCA‑UHPC的抗压强度提高9.1%，达到122.66 MPa；CRCA‑UHPC的抗氯离子迁移能力提高65%.

（3）RCA经碳化处理后，改善了附着在RCA上的砂浆力学性能，提高了CRCA与基体间ITZ的平均硬度，减少了CRCA对UHPC微观结构产生的明显负面影响.

参考文献

张家广，陈景琦，孟庆玲，等. 混菌矿化增强再生混凝土粗骨料物理力学性能［J］. 建筑材料学报，2022，25（10）：1027‑1033. [百度学术]

ZHANG Jiaguang， CHEN Jingqi， MENG Qingling， et al. Mixed bacteria mineralization to enhance physical and mechanical properties of recycled concrete coarse aggregate［J］.Journal of Building Materials，2022，25（10）：1027‑1033.（in Chinese） [百度学术]

WANG X， YU R， SHUI Z， et al. Optimized treatment of recycled construction and demolition waste in developing sustainable ultra‑high performance concrete［J］. Journal of Cleaner Production. 2019；221：805‑16. [百度学术]

陈守开，刘洋，赵云鹏，等. 废玻璃颗粒对再生骨料透水混凝土的改性作用［J/OL］. 建筑材料学报［2022‑05‑15］.https：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1764.TU.20220117.1101.008.html. [百度学术]

CHEN Shoukai， LIU Yang， ZHAO Yunpeng， et al. Modification effect of waste glass particles on recycled aggregate pervious concrete［J］.Journal of Building Materials［2022‑05‑15］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1764.TU.20220117.1101. [百度学术]

008

html.（in Chinese） [百度学术]

COELHO A， BRITO J D. Economic viability analysis of a construction and demolition waste recycling plant in Portugal‑part I：Location， materials， technology and economic analysis［J］. Journal of Cleaner Production， 2013，39（5）：338‑52.. [百度学术]

BEHERA M， BHATTACHARYYA S K， MINOCHA A K， et al. Recycled aggregate from C&D waste & its use in concrete‑A breakthrough towards sustainability in construction sector：A review［J］. Construction and Building Materials，2014， 68（15）：501‑516. [百度学术]

XUAN D， ZHAN B， POON C S. Assessment of mechanical properties of concrete incorporating carbonated recycled concrete aggregates［J］. Cement and Concrete Composites，2016， 65：67‑74. [百度学术]

FAN D， YU R， FU S， et al. Precise design and characteristics prediction of ultra‑high performance concrete （UHPC） based on [百度学术]

artificial intelligence techniques［J］. Cement and Concrete Composites， 2021， 122：104171. [百度学术]

覃维祖，曹峰. 一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土［J］. 工业建筑，1999（4）：18‑20. [百度学术]

QIN Weizu， CAO Feng. A kind of ultra‑high performance concrete—Reactive powder concrete［J］. Industrial Architecture， 1999（4）：18‑20. （in Chinese） [百度学术]

陈宝春，季韬，黄卿维，等. 超高性能混凝土研究综述［J］. 建筑科学与工程学报， 2014， 31（3）：1‑24. [百度学术]

CHEN Baochun， JI Tao， HUANG Qingwei， et al. Review of ultra high performance concrete research［J］. Chinese Journal of Building Science and Engineering，2014，31（3）：1‑24.（in Chinese） [百度学术]

DONG E， YU R， FAN D， et al. Absorption‑desorption process of internal curing water in ultra‑high performance concrete （UHPC） incorporating pumice：From relaxation theory to dynamic migration model［J］. Cement and Concrete Composite， 2022，133：104659. [百度学术]

HABER Z B， MUNOZ J F， DE LA VARGA I， et al. Bond characterization of UHPC overlays for concrete bridge decks：Laboratory and field testing［J］. Construction and Building Materials，2018， 190：1056‑1068. [百度学术]

LI P P， YU Q L， BROUWERS H J H. Effect of coarse basalt aggregates on the properties of ultra‑high performance concrete （UHPC）［J］. Construction and Building Materials，2018， 170：649‑659. [百度学术]

ZENG X， DENG K， LIANG H， et al. Uniaxial behavior and constitutive model of reinforcement confined coarse aggregate UHPC［J］. Engineering Structures，2020， 207：110261. [百度学术]

KOU S C， ZHAN B J， POON C S . Use of a CO₂ curing step to improve the properties of concrete prepared with recycled aggregates［J］. Cement and Concrete Composites，2014， 45（1）：22‑28. [百度学术]

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