通過三步碳化強化再生透水混凝土的性能研究

劉瓊, 程安楠, 肖建莊

(1.上海理工大學 環境與建筑學院, 上海 200093;2.廣西大學 土木建筑工程學院, 廣西 南寧 530004;3.同濟大學 土木工程學院, 上海 200092)

0 引言

使用再生骨料制備的再生骨料混凝土是一種綠色環保的建筑材料,是目前高效處理建筑垃圾的有效途徑之一[1]。再生骨料是由廢棄混凝土經過破碎制成,由于再生骨料表面裹覆著原混凝土中的老砂漿,破碎過程中老砂漿易產生微裂紋,因此再生混凝土構件實際工作時,構件內部易沿著這些微裂縫開裂,物理性能下降[2]。此外,老砂漿存在孔隙多、強度低及界面復雜且與再生骨料黏結面不牢固等問題,導致再生骨料相較于天然骨料,具有孔隙率高、吸水率大、表觀密度小等缺陷,以上原因大大限制了再生混凝土的應用。通過將骨料或混凝土置于特定CO2的環境中,以達到加速碳化的效果,是目前較常用的強化再生骨料的工藝,這種方法不僅能提高混凝土強度,而且有助于建筑行業節能減排。

透水混凝土又稱多孔混凝土,一般為面層砂漿和底層大孔混凝土雙層結構,主要由水泥、水、粗骨料組成,無細骨料。相較于普通混凝土,透水混凝土具有孔隙率高、滲透性大等特性。Zhang等[3]發現再生骨料對透水混凝土的抗壓強度、彈性模量、抗彎強度和凍融耐久性等都有顯著的影響,但對其滲透性和孔隙率的影響可以忽略不計。Lima等[4]發現再生透水混凝土的滲透性為1.9～83.0 mm/s,孔隙率為13.0%～43.2%,利用再生骨料替代天然骨料不會影響透水混凝土的透水性能。El-Hassan等[5]制備再生透水混凝土,發現相較于天然骨料透水混凝土,其抗壓強度下降了78%。Yap等[6]用不同再生骨料置換率制成透水混凝土,發現替換率60%～100%的透水混凝土較天然骨料透水混凝土強度下降了20%～40%。Gaedicke等[7]、Sata等[8]均有類似的發現。綜上,再生透水混凝土是再生骨料應用的可行途徑之一,但其力學性能普遍低于天然透水混凝土,其中面層砂漿力學性能低的問題尤為嚴重,需要采取一定的措施提高其力學性能。

透水混凝土強度主要取決于水泥漿料和骨料的強度。近些年,大量學者將再生骨料或混凝土置于特定CO2的環境中,以達到加速碳化的效果。其中再生骨料碳化可以提高附著在再生骨料上的舊砂漿的強度,通過提高骨料的性能來改善再生混凝土的性能?；炷撂蓟菍炷撩撃：筮M行的一種加速碳化處理,在使再生骨料密實的同時使新水泥漿碳化[9],該方法不僅能吸收二氧化碳,有助于建筑行業節能減排放,還能提高再生骨料混凝土的工作性能。Luo等[10]研究表明,天然骨料制備的混凝土抗壓強度約為46.9 MPa。當再生骨料取代率增加到30%、50%、70%和100%時,抗壓強度分別下降到43.2、40.8、39.6、38.3 MPa。用碳化再生骨料代替30%～100%的天然骨料,抗壓強度沒有進一步下降,保持在44 MPa左右。Xuan等[11]研究發現,碳化養護2 h后,再生混凝土抗壓強度可達到再生混凝土標準養護 28 d抗壓強度的85%。目前加速碳化增強再生混凝土主要針對普通混凝土,用此方法增強再生透水混凝土的研究較少。此外,有學者發現在攪拌或配料過程中向新拌水泥混合物中注入二氧化碳,可以對水泥基材料力學性能進行有效改善[12],但注入量過大會降低漿體流動性,對工作性能造成負面影響。

在碳化養護過程中,混凝土由外至內逐步吸收固定CO2,混凝土外部反應生成的CaCO3會堵塞孔隙,阻止CO2進一步擴散,碳化養護效率降低[13]。相較于普通混凝土,透水混凝土存在大量的孔隙結構,在加速碳化過程中CO2可以利用這些孔隙更充分地與水泥漿體接觸,促進CO2在透水混凝土中的擴散和吸收,提高碳化效率。同時,由于透水混凝土水泥漿料用量遠少于普通混凝土,因此可以預見對于透水混凝土,新拌漿料時注入CO2導致漿料流動性降低,從而造成工作性能下降的影響也會弱于普通混凝土。

綜上,本文設計使用粒徑為0.60～1.18、>1.18～2.36 mm的2種再生骨料制備漿骨質量比為0.3的透水混凝土模擬面層砂漿,利用透水混凝土孔隙率大、透水性強、漿料用量少等特點,通過對再生骨料烘干碳化、注碳攪拌漿料、碳化養護透水混凝土等三步碳化工藝,充分發揮透水混凝土的碳吸收潛力,分析碳化對試件的透水性能及力學性能的影響。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

本研究采用的再生骨料取自于上海又宏環?？萍加邢薰镜慕ㄖY構破碎回收篩選的骨料產品。對再生骨料按照標準《建設用砂》(GB/T 14684—2011)[14]進行人工篩選,得到0.30～0.60、>0.60～1.18、>1.18～2.36、>2.36～4.75 mm共4種不同粒徑的再生骨料,再生細骨料級配曲線如圖1所示,符合標準《建設固廢再生砂》(JC/T 2548—2019)[15]中A類建筑固廢再生砂粉1級配區。

圖1 再生細骨料級配曲線Fig.1 Grain series of recycled aggregate

預試驗將4種粒徑的再生骨料分別制成漿骨比為0.3的透水混凝土,測試連通孔隙率分別為1.2%、8.9%、11.3%、16.9%。為了保證試件具備一定的透水性能,同時符合透水混凝土面層的狀態,本試驗選取粒徑為0.60～1.18、>1.18～2.36 mm的再生骨料進行碳化,并制備透水混凝土試件,試驗流程如圖2所示。水泥采用標號為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥,其化學組分的質量分數見表1,其余添加劑包括減水劑、硅灰和纖維素。

圖2 試驗流程Fig.2 Experimental process

1.2 再生骨料碳化

為了提高再生細骨料的力學性能,將篩分后的粒徑為0.60～1.18、>1.18～2.36 mm的骨料利用如圖2所示設備在模擬工業烘干再生細骨料過程輔以碳化,控制燃氣使烘干溫度為100 ℃,通過收集燃燒產生的工業廢氣作為碳源,同時外接CO2氣瓶(體積分數>99%),以滿足碳化再生細骨料CO2濃度要求。通過CO2氣瓶的閥門控制流量,使進入烘干碳化桶內CO2含量達到利于碳化的穩定值20%。再生骨料碳化過程主要是附著在表面的硬化舊水泥砂漿與溶解于孔隙溶液中的CO2進行反應,其中由于初級水化產物Ca(OH)2在水中溶解度是鈣類化合物中最高的,也最容易與CO2發生反應,如式(1)。其次是水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠與CO2發生反應,反應式如(2),無定形C-S-H凝膠在水泥水化產物中所占比例最高(約占70%),最后是一些未水化水泥熟料礦物與CO2反應,具體反應式見(3)、(4)。為了滿足再生骨料碳化時對水分的需求,外接加濕器控制設備內相對濕度保持在60%～70%,防止骨料過于干燥引起碳化反應受限。

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O,

(1)

xCaO·ySiO2·zH2O+xCO2→xCaCO3+y(SiO2·tH2O)+(z-yt)H2O,

(2)

3CaO·SiO2+3CO2+nH2O→3CaCO3+SiO2·nH2O,

(3)

2CaO·SiO2+2CO2+nH2O→2CaCO3+SiO2·nH2O。

(4)

烘干碳化時每30 min取一次料,取料后都重新調整桶內環境狀態,且取料時間較短,認為烘干桶中的骨料仍連續碳化不受影響。取料時每組骨料取出50 g樣品,使用101-3AB型號電熱鼓風干燥箱100 ℃烘干24 h,將烘干樣品放入碳化試驗箱中碳化,碳化試驗箱中各參數設置為:溫度20 ℃,相對濕度70%,CO2體積分數為20%。完全碳化后再次取出烘干,使用增重法評定再生細骨料碳化程度。

1.3 配合比

本研究分別使用2種粒徑碳化時長為0、60、120 min的再生骨料制備透水混凝土,每組骨料用量500 g,漿骨質量比設置為0.3,漿料組成配合比見表2。透水混凝土成型方法采用水泥包石法,具體方式為將漿骨料混合后分3次倒入尺寸為50 mm×50 mm×50 mm(長度×寬度×高度)模具中,每次倒入后使用重錘連續敲擊,使漿骨料完全混合在一起,達到壓實效果,并對邊角等不易錘擊部位進行按壓。該方法可以改善試件密度,保證邊角夯實。

表2 漿料組成配合比Tab.2 Mix proportions g

為了研究注碳攪拌對透水混凝土面層性能的影響,另外設計攪拌過程中注入水泥質量0.3%的CO2量的漿料。使用圖2所示裝置混合材料,首先將干料混合,慢速攪拌60 s,然后將水分2次緩慢加入,快速攪拌60 s,最后加入高效減水劑,快速攪拌90 s。檢查漿料混合均勻,將攪拌鍋密閉,調整CO2流速為1 L/min,通入攪拌鍋內,過程中保持慢速攪拌,CO2注入完成后繼續攪拌60 s,吸收固定剩余CO2。攪拌完成后,漿料除用于制備透水混凝土外,測試漿料塌落度流值,澆筑尺寸為40 mm×40 mm×160 mm(長度×寬度×高度)的凈漿試件。最后養護過程分為標準水養、標準碳化箱碳化養護2種,得到經過三步碳化強化再生透水混凝土。

1.4 試驗方法

1.4.1 漿料流動性

根據《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)[16]采用跳桌實驗測試新拌漿料流動性。試驗前用潮濕棉布擦拭跳桌臺面、試模內壁及搗棒,保證與砂漿接觸面光滑。新拌漿料拌制好后分2層迅速裝入試模,第1層裝至試模2/3處,使用搗棒由邊緣至中心均勻搗壓15次;隨后繼續裝砂漿至高出試模約20 mm,再用搗棒搗壓10次,搗壓過程中扶穩試模固定,且搗壓后保證砂漿略高于試模。完成上述步驟后,用小刀刮去超出試模部分漿料,并清理臺面,將試模垂直向上輕輕提起,隨后立馬開啟跳桌,以每秒一次的頻率跳動25次。跳動完畢,用卡尺測量漿料底面相互垂直的2個方向直徑,計算平均值。

1.4.2 漿體力學性能

根據《干混砂漿物理性能試驗方法》(GB/T 29756—2013)[17]對尺寸為40 mm×40 mm×160 mm(長度×寬度×高度)漿體試件進行抗壓、抗折試驗,測試所有試件水中養護第3、6、28 d的力學性能。首先使用標準抗折夾具對試件固定,選取光滑面作為承載面和底面,每組3個試件依次測試,以一組3個棱柱體抗折結果的平均值作為試驗結果。試件經過抗折試驗后,試件由受力點斷裂成2個半截棱柱體,選用承載面較光滑的一半進行抗壓試驗,利用抗壓夾具固定住并放置在試驗機上進行加載,得到的荷載峰值同樣進行上述取均值處理,再計算抗壓強度。

1.4.3 連通孔隙率

根據《透水混凝土檢測技術標準》(DB37/T 5207—2021)[18]對透水混凝土進行連通孔隙率測試。測試前將試件浸水2 h,排除試件孔隙中的氣泡,隨后用圖2中所示裝置,將試件放入水內保持淹沒狀態,搖動試樣無氣泡出現時,讀取浸水質量m1;取出試件,置于室溫環境中瀝水,待透水混凝土試件底部無滴水時稱取試件質量m2。使用式(5)計算透水混凝土連通孔隙率,

(5)

式中:P為連通孔隙率;ρw為水的密度;V0為試件體積。

1.4.4 透水混凝土抗壓強度

根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[19]對透水混凝土試件進行抗壓強度測試。選取光滑面作為承載面和底面,每組3個試件依次測試,以一組3個測試結果的平均值作為試驗結果,再計算抗壓強度。

2 結果和討論

2.1 再生骨料碳化程度

烘干碳化每次取料過程均取出部分樣品進行酚酞顯色試驗,試驗結果如圖3所示。從圖中可以明顯看出,隨著碳化時間增加,再生骨料碳化效果明顯,其中0、60、120 min 3組之間顯色效果區別最明顯,故本研究選用這3組骨料制備透水混凝土。

圖3 碳化再生骨料酚酞顯色Fig.3 Carbonized recycled aggregate phenolphthalein color development

本研究使用碳化反應前后的實際質量增量與理論質量增量之比,量化再生骨料、透水混凝土碳化程度[20],計算方法見式(6)。

(6)

式中:Δme和Δmt分別代表碳化實際質量增量與理論質量增量,Δme為CO2碳化前后樣品質量差;Δmt為再生骨料上舊砂漿對CO2的最大理論吸收量。計算公式為

(7)

式中:mc、ms、ma分別代表水泥、沙子和粗骨料在母混凝土中的比例(按質量計算);Q為碳化前再生骨料的含水量;mCO2,max代表硅酸鹽水泥理論上捕獲的最大CO2量。根據水泥中氧化物含量計算,計算公式為

mCO2,max=0.785(mCaO-0.7mSO3)+1.091mMgO+1.42mNa2O+0.93mK2O。

(8)

式中:mCaO、mSO3、mMgo、mNa2O、mk2O分別代表硅酸鹽水泥中各類氧化物單位質量。

粒徑為0.60～1.18、>1.18～2.36 mm的再生細骨料碳化程度如圖4所示。由圖可見,2組骨料120 min碳化程度分別為69.05%和60.75%,達到理論完全碳化的98.6%和86.8%,碳化效果明顯,說明盡管在100 ℃高溫下,再生骨料內部水分被快速蒸發;但是因為通過外接加濕器,補充了環境中的水分,所以保證了碳化反應的正常進行。而相較于60 min碳化程度可以發現,后60 min碳化速率明顯減緩,可能是因為碳化產物開始不斷填充至再生細骨料的孔隙中,阻礙二氧化碳擴散,使得碳化速率減緩。

圖4 再生細骨料碳化程度Fig.4 Carbonation degree of recycled fine aggregate

此外,對比2種粒徑骨料的碳化程度,可以明顯發現粒徑為0.60～1.18 mm的再生骨料碳化效率在各階段均高于粒徑為>1.18～2.36 mm的,且經過2 h碳化后,碳化程度已經接近理論完全碳化,原因是粒徑越小的再生骨料,具有較大的比表面積,在碳化過程中可以更充分地與環境中的CO2和水分接觸,促進了碳化反應的進行。

2.2 注碳漿體性能

未注碳漿料與注碳漿料跳桌試驗結果如圖5所示。從圖中可以明顯看出,注碳之后,漿料整體狀態變得干稠,流動度下降12.5%。這是因為在攪拌時注入CO2,漿體內發生式(8)-(10)反應,生成納米級CaCO3晶體,均勻分布在水泥漿體內部,導致其內部結構發生變化,整體逐漸變硬;同時反應使水產生一定的消耗。以上原因使水泥漿體流動性變差,凝結時間減短。

圖5 再生骨料碳化程度Fig.5 Slump flow test aggregate

3CaO·SiO2+(3-x)CO2+yH2O→xCaO·SiO3·H2O+(3-x)CaCO3,

(8)

2CaO·SiO2+(2-x)CO2+yH2O→xCaO·SiO3·H2O+(2-x)CaCO3,

(9)

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O。

(10)

2組漿體試件抗壓強度和抗折強度如圖6所示。從圖中可以看出,盡管注入CO2后對漿體流動性能造成負面影響,但改善了漿體的工作性能,3、7、28 d抗壓強度分別提升30.1%、27.3%、43.6%,漿體各階段抗壓強度都有較大提升,且注碳漿體3 d強度與未注碳漿體7 d強度相當。這是因為在攪拌過程中,CO2與水泥漿體中的硅酸鈣及氫氧化鈣反應生成高強度納米級CaCO3晶體,促進了水泥早期水化;同時這些晶體均勻的填補在漿體的微裂縫中,改善了漿體的基本微觀結構,產生一定的強度增幅。

圖6 漿體力學性能Fig.6 Mechanical properties of slurry

此外可以注意到,注碳漿體抗壓強度在7、28 d之間出現較大提升,可能是因為注碳攪拌過程中,CO2與水泥水化反應物硅酸二鈣、硅酸三鈣同時反應,并且存在部分CO2未反應存在于水泥漿體內,在試件養護過程中與水化產物氫氧化鈣反應,故適當的CO2可以促進水泥的水化,提高砂漿試件強度。

相較于抗壓強度,注碳后砂漿的抗折強度提升較小,注碳漿體28 d抗折強度提升11.4%。這是因為水泥基材料本身抗彎性能較差,且注碳后漿體流動性下降,密實度不均勻,對砂漿抗折強度增益效果較弱。

2.3 連通孔隙率

各組透水混凝土試件連通孔隙率見表3,其中NN、NC、CN、CC分別代表不注碳標養、不注碳碳養、注碳標養、注碳碳養,各組試件結果均取自平均值,其中數據超過平均值±15%時,去除該數據重新計算平均值作為最終結果。從結果來看,粒徑>1.18～2.36 mm骨料的透水混凝土連通孔隙率整體大于粒徑為0.60～1.18 mm骨料的透水混凝土的,這是在相同的漿骨比下,小粒徑的骨料具有更大的比表面積,骨料外包的漿料層更厚,試件內部孔隙變小,導致透水性能下降。

表3 透水混凝土連通孔隙率Tab.3 Pervious concrete connectivity porosity

觀察骨料不同碳化時間及碳化養護的連通孔隙率數據,可以發現這兩步碳化工藝對試件連通孔隙率無較大影響。這是因為骨料烘干碳化過程,CO2與裹覆在再生骨料上的老砂漿反應,生成的產物填充在老砂漿和骨料之間的界面,不會使骨料粒徑發生變化;試件碳化養護過程,CO2主要和新拌水泥漿料水化產物反應,反應產物填充在新水泥漿料與再生骨料形成的界面。透水混凝土的透水性能主要是因為試件內部骨料外包的漿料層之間形成的孔隙,而骨料碳化和碳化養護的產物不填充這個界面,故不影響試件透水性能。

對漿料進行注碳攪拌后,與骨料攪拌制成透水混凝土,連通孔隙率小幅上升,大約增加5%。這是因為漿料注碳攪拌后,漿體內產生大量的納米級CaCO3晶體,內部結構發生變化,漿料變硬,漿體流動性變差,拌制時漿料更為黏稠,骨料與漿料拌和均勻度下降,孔隙率增加,導致其透水性能改善。

2.4 抗壓強度

各組試件抗壓強度如圖7所示。從圖7(a)可以看出,粒徑為>1.18～2.36 mm的骨料制成試件整體強度大于粒徑為0.60～1.18 mm骨料制成試件的,這是因為骨料粒徑越小,水泥漿體與骨料之間的接觸面減小,導致二者之間的咬合力降低,強度削弱。觀察骨料碳化時間對試件強度影響,可以發現骨料碳化時間越長,對試件強度增幅越大,其中粒徑>1.18～2.36 mm的再生骨料碳化120 min后,制成的透水混凝土相較未碳化的再生透水混凝土強度提升88.94%。這是因為再生骨料在碳化過程中,舊砂漿與CO2反應生成CaCO3晶體,附著在骨料周圍或填充進舊砂漿孔隙內部,起到強化舊砂漿的作用,澆筑時可以有效增強骨料與漿體間的黏結程度。

(a) 未注碳試件

觀察碳化養護前后試件的強度變化,可以發現粒徑為>1.18～2.36 mm骨料制成試件強度提升幅度較大,這是因為粒徑越小的骨料具有更大的比表面積,骨料外包的漿料層更厚,試件內部孔隙變小,相較于大粒徑試件,CO2較難進入孔隙內部與水泥水化產物反應,碳化養護效率低。此外,對比粒徑為1.18～2.36 mm骨料組碳化養護前后的強度增幅可以發現,骨料碳化時間為0、60、120 min時間碳養后強度分別提升33.42%、31.21%、10.47%,這是因為在碳化養護過程中,CO2不僅與新砂漿水化產物反應,同時也會通過孔隙與再生骨料上的老砂漿發生反應,進一步碳化再生骨料,故碳化養護強度增強效果隨著骨料碳化程度的加深而降低。

從對比圖7(a)、(b)可以發現,盡管漿體注碳后本身力學性能會有所提升,但由于流動性低,拌制過程中與骨料黏結差,因此造成混凝土材料的整體抗壓強度偏低。觀察圖7(a)、(b)碳化養護前后強度的增幅,可以發現注碳試件碳化效率遠高于未注碳試件,這是因為注碳之后,透水混凝土內孔隙增多,CO2更易進入試件內部與新砂漿及再生骨料上附著的老砂漿發生反應。

3 結論

① 本研究采用的烘干碳化裝置,對再生細骨料的碳化效果明顯,分別碳化粒徑為0.60～1.18、>1.18～2.36 mm的再生骨料2 h,碳化程度分別達到69.05%、60.75%。

② 注碳量采用水泥質量的0.3%進行注碳攪拌,漿體流動度下降12.5%,但有效提高了漿體的力學性能,3 d強度與未注碳漿體7 d的強度相當,28 d強度提高43.6%

③ 烘干碳化再生骨料、碳化養護2種碳化工藝不會影響透水混凝土的透水性能,但由于注碳攪拌后漿體流動性變差,因此拌制時漿料更為黏稠,骨料與漿料拌和均勻度下降,孔隙率增加,連通孔隙率約上升5%。

④ 碳化再生骨料、碳化養護透水混凝土均可改善透水混凝土力學性能,且對粒徑大的骨料制備而成的試件效果更佳。而注碳攪拌則會在一定程度上劣化透水混凝土力學性能,但其可以增大碳化養護效率,最終強度與僅經過前兩步碳化工藝的透水混凝土相當。

⑤ 總的來說,注碳攪拌碳化工藝可以增強透水混凝土的透水性,但對沒有條件碳化養護試件的力學性能會產生負面影響。注碳攪拌漿體力學性能強化程度十分可觀,其造成的流動度損失在可控范圍內,可以預見使用注碳攪拌會對普通再生混凝土力學性能產生積極效應。