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再生高性能混凝土抗碳化性能試驗研究
摘要：抗碳化性能是衡量再生高性能混凝土耐久性的一項重要指標。本文設計一正交試驗，研究水膠比、礦物摻合料、再生粗細骨料取代率以及應力水平對再生混凝土碳化深度的影響規律。試驗結果表明：(1)再生混凝土的水膠比以及粗骨料的取代率對混凝土的碳化深度影響很大。(2)再生混凝土的碳化深度和碳化時間的平方根基本成一直線關系。(3)再生混凝土在拉應力狀態下其碳化深度會隨著應力的增大而增大。
關鍵詞：高性能混凝土;水膠比;粉煤灰;礦渣;抗碳化性能
一、引言
混凝土結構是建筑工程中最常見的結構形式，在結構使用壽命期間內，由于受到環境和荷載的雙重作用，引起結構的老化、腐蝕，從而導致結構性能的降低，因此建筑工程結構的耐久性問題已引起工程界和學術界關注。再生混凝土的微觀結構由于再生骨料的加入而變得比普通混凝土更為復雜。在再生混凝土中至少存在兩種界面：再生粗骨料中天然骨料和附著老砂漿之間的界面、再生粗骨料的老砂漿與新砂漿之間的界面。這種復雜的微觀結構給分析再生混凝土的耐久性帶來了困難。關于再生混凝土抗碳化性能國內外已有不少學者作了初步探討[1-2]，但他們研究結果可比性較差，還存在不一致、甚至相互矛盾的結論，并且未考慮應力狀態的影響，而在外加應力作用下產生的微觀裂紋使得CO2在再生混凝土中擴散的渠道增多加速了CO2的擴散。因此，為研究裂縫的影響，開展拉應力狀態下再生混凝土的抗碳化性能研究很有必要[3-5]。
二、試驗原材料及主要設備
2.1試驗原材料
廢棄混凝土樣品取自某檢測中心提供的廢棄混凝土試塊(原始強度等級為C40，粗骨料為卵石)，試驗前再生骨料采用高溫強化。
粉煤灰，采用揚州亨威熱電廠提供的Ⅰ級粉煤灰，實測細度<8%、燒失量<5%、需水量比<95%，含水率<0.2%，三氧化硫<0.67%，均符合Ⅰ級粉煤灰標準。
礦粉，由揚州汊河超細粉廠提供，比表面積為487m2/kg。為堿性礦渣，活性較好。
減水劑，為揚州江都潤揚化工有限公司生產的氨基磺酸系高效減水劑，黑色液態，減水率為15%～25%，摻入量控制在0.5～1.2%左右。
2.2主要設備
混凝土碳化試驗箱CCB-70A由江蘇省蘇州市東華試驗儀器有限公司生產，CO2濃度：20±3%，濕度控制：70±5%，溫度控制20±5℃;采用WE-300液壓式萬能材料試驗機，濟南試驗機廠生產，最大負荷為300千牛頓。
三、試驗方案及方法
3.1試驗方案
本試驗在快速碳化試驗的基礎上，系統研究水膠比、礦物摻合料、再生粗細骨料取代率、應力水平對再生混凝土碳化深度的影響規律。碳化試驗考慮荷載耦合，采用兩個100×100×300的試塊用鉚釘同時加載，其力學模型見圖1。
圖1 再生混凝土碳化試塊受力示意圖
選取正交表L18(37)進行試驗，其因素水平見表1。
表1 碳化試驗因素水平表
A B C D E F G
水平 水膠比 再生粗骨料
% 再生細骨料
% 粉煤灰
% 礦渣
% 砂率
% 應力水平 ft
1 0.36 30 10 15 15 35 0.5
2 0.33 60 20 25 25 40 0.8
3 0.30 90 30 35 35 45 1.2
根據正交試驗方法，可以排列出18組試驗。
3.2試驗方法
碳化試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ 82―85)中的快速碳化試驗方法，所用棱柱體混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×300mm。
在試驗前2天從標準養護室取出試塊，放入101A-1型電熱鼓風干燥箱，在60℃的烘箱中烘48h。經烘干的試件留下一個側面外，其余表面均用加熱的石蠟予以密封。在側面上順長度方向用鉛筆以10 mm間距畫出平行線，以確定碳化深度的測量點。再將試塊放入CO2濃度保持在(20±3)%、相對濕度為(70±5)%、溫度為(20±5)℃的碳化箱內。
碳化到7天、14天、28天、60天時，分別取出試件破型，測定碳化深度。將切除所得的試件部分，刮去斷面上殘余的粉末，立即噴上1%的酚酞酒精溶液。圖2顯示再生混凝土試件的碳化情況。
圖2 再生混凝土碳化試件的碳化深度
四、碳化試驗結果及分析
4.1碳化試驗測試數據
根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ 82-85)中的快速碳化試驗方法測出試件在7d、14d、28d和60d的碳化深度，測試數據見表2。
表2 正交試驗碳化深度(mm)
編號 水膠比 再生粗骨料(%) 再生細骨料(%) 粉煤灰
(%) 礦渣
(%) 砂率
(%) 應力水平(ft) 7d 14d 28d 60d
1 0.36 30 10 15 15 35 0.5 2.0 3.0 4.6 8.2
2 0.36 60 20 25 25 40 0.8 1.8 2.8 4.8 8.8
3 0.36 90 30 35 35 45 1.2 3.0 3.6 6.4 12.1
4 0.33 30 10 25 25 45 1.2 1.6 2.1 3.9 6.8
5 0.33 60 20 35 35 35 0.5 2.2 3.0 4.6 8.9
6 0.33 90 30 15 15 40 0.8 2.3 2.7 5.2 9.6
7 0.3 30 20 15 35 40 1.2 不明顯 1.8 3.5 4.8
8 0.3 60 30 25 15 45 0.5 不明顯 1.6 2.9 5.8
9 0.3 90 10 35 25 35 0.8 3.0 3.8 6.3 12.2
10 0.36 30 30 35 25 40 0.5 1.6 2.2 3.9 6.7
11 0.36 60 10 15 35 45 0.8 2.0 2.6 4.8 9.7
12 0.36 90 20 25 15 35 1.2 1.9 2.8 5.3 9.8
13 0.33 30 20 35 15 45 0.8 1.3 1.7 3.1 5.8
14 0.33 60 30 15 25 35 1.2 1.2 2.0 3.7 6.9
15 0.33 90 10 25 35 40 0.5 2.2 3.2 5.8 10.6
16 0.3 30 30 25 35 35 0.8 不明顯 3.0 4.2 7.8
17 0.3 60 10 35 15 40 1.2 不明顯 3.6 4.3 8.4
18 0.3 90 20 15 25 45 0.5 2.7 2.9 5.6 10.2
4.2試驗結果分析
(1)再生粗骨料取代率對再生混凝土抗碳化性能的影響
再生粗骨料取代率對再生混凝土14d、28d、60d抗碳化性能的影響見圖3。從圖3可見，再生混凝土試塊的碳化深度隨再生粗骨料取代率的增大而增大，這可能因為再生粗骨料的孔隙率大于天然骨料，使得再生混凝土的孔隙率與同水膠比的天然混凝土相比有較大增加，這無疑會使再生混凝土抗碳化能力降低。在不同的齡期不同的再生粗骨料的取代率使得試件的碳化深度也有所不同，14d時碳化程度不明顯，但隨著粗骨料取代率的增加而增加，在28d和60d時，當再生粗骨料的取代率在60%左右時，碳化程度有所降低。表明，再生粗骨料取代率在60%左右時，骨料級配為相對合理的狀態，使得再生混凝土的孔隙得到有效填充，提高了再生混凝土的致密性，從而減緩了CO2擴散速度，降低了再生混凝土的碳化深度，提高了再生混凝土的抗碳化性能。
圖3 再生粗骨料取代率對碳化深度的影響
(2)水膠比對再生混凝土抗碳化性能的影響
再生粗骨料取代率在60%時，水膠比分別取0.30、0.33、0.36，分析再生混擰土碳化深度隨碳化時間的變化規律(圖4)。從圖4可以看出，再生粗骨料取代率為60%，水膠比在0.36時再生混凝土抗碳化性能比水膠比在0.30及0.33時好。當水膠比在0.3及0.33時，再生混凝土碳化深度比較大。這一點，與抗壓強渡隨水膠比的增大而降低的規律正好相反。主要是因為在水膠比在0.3時，混凝土偏干硬，影響混凝土的和易性，使混凝土水化反應不是很充分，影響混凝土內部的密實性。水膠比在0.36時，混凝土拌合物的坍落度為60mm左右，具備一定的流動性，混凝土的保水性和流動性都比較好，使再生混凝土的水化反應比較充分，提高了再生混凝土的密實度，從而降低了CO2在混凝土中的擴散速度，提高了再生混凝土的抗碳化性能。
圖4 水膠比對碳化深度的影響
(3)礦物摻合料對再生混凝土碳化深度的影響
水膠比取0.36，再生粗骨料取代率為60%，齡期為28d時，粉煤灰和礦渣摻量分別取15%、25%、35%時，碳化深度隨粉煤灰和礦渣摻量變化的規律如圖5和圖6。礦物摻合料可以細化混凝土內部孔隙、改善再生骨料與新水泥漿的界面。但是，從圖5可以看出，摻加粉煤灰會使混凝土的28d碳化深度增大，這是因為粉煤灰的二次水化反應使混凝土內部的Ca(OH)2含量降低，從而增大了碳化速率，這與孫浩[2]得出的結論是一致的。但是，用礦渣部分取代水泥后，隨著礦渣摻量的增加混凝土碳化深度先增加后顯著降低，從圖6可看出25%左右時碳化最明顯，這與孫浩得出的加礦渣使混凝土碳化深度顯著減小的結論不一致。可見礦物摻合料對混凝土碳化的影響還需進一步的研究。
圖 5 粉煤灰摻量對碳化深度的影響
圖 6礦渣摻量對碳化深度的影響
(4)再生混凝土碳化深度隨著時間的變化規律
研究在不同水膠比下再生混凝土的碳化深度隨碳化時間的關系(圖7)。由圖7可以看出，不同的試件在不同的水膠比情況下，再生混凝土的碳化深度跟碳化時間的平方根基本呈線性關系，也就是說碳化深度與碳化時間的平方根成正比關系。可用近似式X=Kct1/2來表示(X為碳化深度， Kc為碳化速率，t為碳化時間)，這與雷斌等[1]的結論是一致的。
圖7 碳化深度隨碳化時間的變化
(5)應力水平對碳化深度的影響
本試驗考慮荷載和碳化的耦合作用。由于實際工程中軸向受拉的情況較少，絕大多數為彎曲受拉情況，因此設計如圖1所示的受力示意圖。由于是素混凝土試塊，受到混凝土的抗拉強度的限制，故加載不大，用簡單的重物加載和螺栓加載即可滿足要求。圖8為不同齡期下應力水平與碳化深度的關系，可見，在拉應力狀態下再生混凝土的碳化深度會增大，在應力水平為1.2ft時，碳化深度增大到最大，這是因為在拉應力狀態下再生混凝土內部產生了微裂縫，從而加速了碳化的進行。
圖8 應力水平與碳化深度的關系
五、結論
本文采用試驗的研究不同再生骨料的取代率對再生混凝土碳化深度的影響規律，找出一合理的再生骨料取代率;研究粉煤灰與礦渣雙摻對再生混凝土抗碳化性能的影響;研究在各種應力水平作用下，再生混凝土試塊碳化深度的規律;以及再生混凝土碳化深度與碳化時間的關系。通過試驗分析，總結如下：
5.1 試驗研究表明：再生混凝土的粗骨料的取代率對混凝土的影響很大。取代率RRC=60%時，骨料級配處在一個相對合理的狀態，使得再生混凝土的孔隙得到有效填充，提高了再生混凝土的致密性，從而減緩了CO2擴散速度，減少了再生混凝土的碳化深度進而提高了再生混凝土的抗碳化性能。
5.2通過試分析，再生粗骨料取代率在60%時，水膠比為0.36時，再生混凝土抗碳化性能相對較好，混凝土幾乎無碳化現象。此時，混凝土拌合物的坍落度為60mm左右，具備一定的流動性，混凝土的保水性和流動性都比較好，使再生混凝土的水化反應比較充分，提高了再生混凝土的密實度，從而降低了CO2在混凝土中的擴散速度，提高了再生混凝土的抗碳化性能。
5.3再生混凝土在拉應力狀態下其碳化深度會增大，在應力水平為1.2ft時，碳化深度增大到最大。可見碳化和荷載的耦合作用會加劇碳化的發生。這是因為在拉應力狀態下再生混凝土內部產生了微裂縫，從而加速了碳化的進行。
參考文獻：
[1] 雷斌、肖建莊.再生混凝土抗碳化性能的研究[J].混凝土，2006.(9)：48-50.
[2] 孫浩、王培銘、孫家瑛.再生混凝土抗氣滲性及抗碳化性能研究[J].建筑材料學報，2006.(2)：86-91.
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