程亚卓，孟美丽

（华北水利水电大学，河南 郑州 450046）

0 引言

随着我国城市化进程的不断发展，城镇内老旧建筑的拆迁产生了大量的建筑垃圾，建筑垃圾排放量逐年增长[1]。然而，大部分建筑垃圾未经任何处理，被运往郊外简单填埋或露天堆存处置，不仅浪费了宝贵的土地资源，还污染环境[2]。此外，随着城市的不断发展，大规模的基础建设导致建筑业对砂石骨料的需求量迅猛增长，天然砂石骨料也面临着资源枯竭的危机。生产和利用建筑垃圾再生骨料对于节约资源、保护环境和实现建筑业的可持续发展具有重要意义。

再生骨料是由废弃混凝土经过破碎和筛分等一系列工艺处理后获得。但仅仅通过破碎和筛分得到的再生骨料吸水率大、堆积密小、空隙率大、压碎指标高，因此导致采用这种再生骨料制备的混凝土硬化后力学性能较差，而且抗氯离子渗透性等耐久性能均低于普通混凝土[2-3]。为了提高再生混凝土的性能，须对再生骨料进行强化处理。常用的方法有水泥浆、水玻璃等表面强化法，也有使用酸液来去除附着在再生骨料表面的旧水泥浆[2，4-5]。也可以利用CO2与再生骨料表面附着的旧砂浆块中的Ca（OH）2反应生成更加致密的物质填充再生骨料的孔隙和微裂纹，以此强化再生骨料[6]，研究主要集中在碳化养护对再生细骨料的影响上，对再生粗骨料以及制备的混凝土的力学和耐久性能的研究较少[2，7-8]。因此，本文采用碳化增强后的再生粗骨料和细骨料制备再生骨料混凝土，并研究了碳化增强对再生骨料混凝土力学性能和耐久性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5水泥，比表面积为350 m2/kg；矿渣：上海宝田新型建材公司的S105级矿渣；粉煤灰：镇江谏壁发电厂Ⅰ级灰，胶凝材料的主要化学成分见表1；减水剂：江苏苏博特新材料有限公司的聚羧酸高效减水剂，固含量40%；天然粗骨料（NCA）：5～20 mm碎石；天然细骨料（NFA）：河砂，细度模数3.1；再生粗骨料（RCA）、再生细骨料（RFA）：均通过废弃混凝土破碎筛分清洗制得，粒径分别为5～20mm和0.15～5 mm。在碳化箱中对再生粗、细骨料进行碳化增强处理，控制CO2浓度为80%～85%，相对湿度为50%～60%，温度为18～25℃，碳化7 d后得到碳化增强再生粗骨料（CRCA）与细骨料（CRFA）。

表1 水泥、矿渣和粉煤灰的主要化学成分 %

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土配合比

分别使用再生粗、细骨料（包括碳化增强后的）取代50%和100%的天然粗、细骨料，混凝土的配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比kg/m3

1.2.2 再生骨料的物理性能

按照JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法》测试再生骨料的表观密度、压碎指标、吸水率等指标。

1.2.3 混凝土性能

按照GB/T50081—2019《混凝土力学性能试验方法标准》测试混凝土试件的抗压强度，试件尺寸为100mm×100mm×100 mm。按照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土试件的干燥收缩率和28d电通量。

1.2.4 微观测试分析

根据压汞法MIP（Mercury Intrusion Porosity），采用Micromeritics公司AUTOPORE IV9500 V1.09型压汞仪进行孔结构测试，测试孔径范围为3nm～350μm。使用TESCAN VEGA3 LMH型钨灯丝扫描电镜对混凝土试样的微观结构进行观察。

2 结果与讨论

2.1 再生骨料的物理性能

碳化增强前后再生粗骨料与再生细骨料的物理性能如表3所示。

表3 碳化增强前后再生粗骨料与再生细骨料的物理性能

由表3可知，碳化后再生粗骨料的表观密度稍有增大，吸水率降低了17.9%，压碎指标降低了25.8%。碳化后再生细骨料的需水量比有所降低。碳化养护后再生粗骨料与再生细骨料物理性能的改善主要是由于其在碳化过程中，CO2通过再生混凝土骨料的孔隙向内部扩散，与Ca（OH）2反应生成碳酸钙晶体和无定型的硅胶，产物填补了粗骨料与细骨料内部的孔隙，使得微观结构变的更加致密[2]。

2.2 混凝土的力学性能

图1为碳化增强的再生骨料和未碳化增强的再生骨料对混凝土抗压强度的影响。

图1 再生骨料碳化增强前后对混凝土抗压强度的影响

由图1可知，使用天然骨料的NAC各龄期抗压强度均最高；随混凝土中再生骨料含量的增加，混凝土各龄期的抗压强度均逐渐降低。RAC-50与RAC-100的28 d抗压强度分别为32.7、23.1 MPa，较NAC降低了31.7%、51.8%。但当再生骨料经过碳化养护后，混凝土的抗压强度显著提高。CRAC-50和CRAC-100的90 d抗压强度相比未碳化增强的再生骨料混凝土分别提高了36.7%、47.6%，较NAC组分别降低了11.6%、16.6%。当碳化增强骨料的含量从50%增加至100%时，混凝土的28 d抗压强度较CRAC-50组降低了11%，仍远高于未碳化增强的再生骨料混凝土。

由于附着旧水泥砂浆，相比天然骨料，未碳化增强的再生骨料吸水率较高，再生骨料混凝土的界面过渡区较弱[9]。界面过渡区被认为是混凝土最薄弱的区域，对混凝土的性能和微观结构中起着关键作用。相比使用天然骨料的混凝土，使用再生骨料替代天然骨料形成的界面过渡区更薄弱，导致混凝土的抗压强度降低。碳化处理增强了再生骨料的物理性能，改善了再生骨料混凝土的界面过渡区，因此CRAC-50和CRAC-100表现出较好的力学性能。

2.3 混凝土的干燥收缩

图2为碳化增强的再生骨料和未碳化增强的再生骨料对混凝土干燥收缩率的影响。

图2 再生骨料碳化增强前后对混凝土干燥收缩的影响

由图2可见，NAC的干燥收缩率最小，90 d干燥收缩率为581×10-6。无论是采用未碳化增强还是碳化增强后的再生骨料取代天然骨料都会导致混凝土的干燥收缩增大，且再生骨料含量越多，混凝土的干燥收缩越大。碳化增强再生骨料混凝土的干燥收缩要小于未碳化增强再生骨料混凝土。如，RAC-50和RAC-100的90d干燥收缩率分别为867×10-6和995×10-6，较NAC组增大了49.2%、71.3%；而CRAC-50和CRAC-100的90 d干燥收缩率分别为708×10-6和762×10-6，较NAC组增大了21.9%和31.2%，但相比未碳化增强的再生骨料混凝土减小了18.2%和23.4%。这可能是一方面由于再生骨料的压碎指标高于天然骨料，导致混凝土的弹性模量降低，整个混凝土骨架抵抗变形的能力减弱[10]；而当再生骨料经过碳化增强后，压碎指标有所降低，混凝土的弹性模量也会相应有所提高，混凝土的干燥收缩有所减小。但无论是否经过碳化增强，再生骨料的压碎指标始终高于天然骨料，因此再生混凝土的收缩要大一些。另外一方面，相比天然骨料，无论再生骨料是否经过碳化增强，其所制备的混凝土的界面过渡区较为薄弱，强度不足，容易产生变形，也可能会导致混凝土的收缩增大[11]。

2.4 混凝土的抗氯离子渗透性能

表4为碳化增强的再生骨料和未碳化增强的再生骨料对混凝土28 d电通量的影响。

表4 再生骨料碳化增强前后对混凝土电通量的影响

由表4可知，使用再生骨料的混凝土28 d电通量均大于天然骨料混凝土，且再生骨料含量越高，混凝土的电通量越大，抗氯离子渗透性能越弱。但通过碳化增强可以使得混凝土的抗氯离子性能得到一定的改善，50%再生骨料用量的混凝土电通量减小了12.7%，100%再生骨料用量的混凝土电通量减小了12.7%。氯离子主要通过混凝土内部的连通空孔隙进入到混凝土内，电通量越高，说明混凝土内的孔隙越多，基体越不密实[12]。相比与对照组天然骨料混凝土，使用再生骨料一方面是通过骨料自身的微裂纹增加了氯离子迁移的通道；另一方面，在再生骨料形成的界面过渡区较为薄弱，存在较多的缺陷也在一定程度上使得氯离子易侵入到混凝土内部。

2.5 混凝土的孔结构

表5为混凝土养护28d后的孔隙率和孔径分布。

由表5可知，天然骨料NAC组的孔隙率最低，且孔径最细，1.25～5000 nm范围内的孔含量最多。使用再生骨料替代天然骨料会增大混凝土的孔隙，用100%再生骨料取代天然骨料时，混凝土的孔隙率最大为29.13%，同时25～5000 nm及5000 nm以上的孔含量相对最多。一般来说，混凝土的孔隙率越大，其抗压强度越低，这也与抗压强度测试结果一致。已有研究表明[13]，混凝土的收缩变形与其孔结构相关，尤其是1.25～25 nm范围的孔含量越多，产生的毛细孔压力越大，引起的收缩越大。而天然骨料NAC组的1.25～25 nm范围的孔含量最多，但其干燥收缩确是最小的。这可能是因为天然骨料的硬度高，压碎指标较再生骨料低，其配制的NAC组混凝土的弹性模量也较高，整体的骨架抵抗变形的能力强于使用再生骨料的混凝土。

表5 再生骨料碳化增强前后对混凝土孔结构的影响

2.6 混凝土的微观形貌分析

图3为RAC-50、CRAC-50组混凝土养护28 d的微观形貌。

图3 再生骨料碳化增强前后对混凝土微观形貌的影响

由图3可见，使用未碳化强化的再生骨料制备的再生混凝土界面过渡区存在较大裂纹，结构松散，还观察到了大量针状的钙矾石晶体。当再生骨料经过碳化强化后，部分钙矾石晶体与CO2反应生成碳酸钙，界面过渡区的微观结构也变得相对更加致密。

3 结论

（1）经过碳化增强后，再生粗骨料和再生细骨料的物理性能有显著改善，相比未碳化增强的再生粗骨料，碳化增强后再生粗骨料的吸水率和压碎指标分别降低了17.9%和25.8%，再生细骨料的需水量比由125%降至119%。

（2）碳化增强能有效提高再生骨料混凝土的抗压强度，但仍低于天然骨料混凝土。相比使用未碳化增强再生骨料配制的混凝土，含有50%和100%的碳化增强再生粗骨料和细骨料的再生骨料混凝土90 d抗压强度分别提高了36.7%、47.6%；且相比于天然骨料混凝土，碳化增强后的抗压强度仅分别降低了11.6%、16.6%。

（3）碳化增强能有效改善再生骨料混凝土的干燥收缩和耐久性能，但仍比天然骨料混凝土差。相比使用未碳化增强的再生骨料配制的混凝土，含有50%和100%的碳化增强再生骨料混凝土干燥收缩率减小了18.2%、23.4%，电通量分别减小了12.7%、12.7%，且混凝土的孔径也有所细化。