加压碳化再生混凝土粗骨料性能研究

蒲盛朋，孙毅，牟星明，龙科

（重庆科技学院 建筑工程学院，重庆 401331）

0 引言

据不完全统计，我国的建筑垃圾已达数十亿吨，其中废弃的混凝土占相当大的比例[1]。将建筑垃圾作为骨料来源生产再生骨料（RA），制备再生骨料混凝土（RAC），是一项非常具有环保意义的工作。然而再生骨料物理和力学性能不如天然骨料，导致再生骨料混凝土性能相对常规混凝土有所不足。而加压碳化预处理骨料，不仅可以提升骨料性能，还可以将二氧化碳固化到骨料中，符合“碳达峰、碳中和”的国家战略。

拆除废弃建筑物后产生的混凝土，经过破碎筛分后得到再生混凝土骨料，可以替换混凝土制作过程中的天然骨料[2]，达到减少使用天然骨料的目的。但仅仅经简单破碎、筛分处理得到的再生骨料比天然骨料密度更低、孔隙率更大、吸水率更高、压碎指标更高[3-4]，这对所制备的再生混凝土多项性能指标产生显著的不利影响。再生骨料的加压碳化处理技术[5-6]能够显著填充再生骨料的表面孔隙，从而降低吸水率，提高表观密度。碳化还能改善耐久性，因为反应产物堆积在再生骨料内部，使得骨料致密化，阻碍了氯离子向混凝土中渗透，碳化骨料混凝土的抗氯离子渗透性可得到一定提升[7]。碳化效果还与浓度有关，较高浓度的CO2碳化能使骨料的压碎指标和吸水率均得到更大程度的改善[9]。

本文针对再生混凝土粗骨料（RCA）采用加压碳化处理，基于48h、72h、96h、144h四种不同的碳化时间，研究骨料的吸水率和压碎指标，并对比不同碳化时间下改性混凝土的性能指标。

1 试验材料和方法

1.1 原材料

本文所采用的RCA来自重庆市沙坪坝区某建成约30年的拆迁现场，将房屋拆除后获得的废弃混凝土，破碎筛分后形成RCA，再用5~10mm、10~15mm、15~20mm三种规格按2:7:1的级配混合。将上述级配的RCA分别碳化48h、72h、96h、144h，未碳化的RCA为对照试样。

1.2 试验方法

1.2.1 骨料碳化处理方法

再生骨料在碳化炉中完成碳化，该碳化炉最大设计压强为0.53MPa，容积为0.14m3。碳化炉如图1a所示。碳化时，先将再生粗骨料置于碳化炉中的格栅上，用密封圈密封后用螺栓压紧盖子；打开真空泵，排出碳化炉内的空气，抽至炉内气压为-0.1MPa；然后打开进气阀，用气瓶充入99.5%浓度的CO2加压到0.5MPa，采用减压阀保持CO2的通入和气压的稳定。

图1 主要试验设备

1.2.2 吸水率和压碎指标测试方法

吸水率测试参照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法》（JGJ 52—2006）。先加水浸泡骨料，至水面高出试样5mm左右，24h后从水里取出，擦拭骨料表面使之饱和面干后根据质量变化计算骨料的吸水率。

压碎指标测试同样参照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法》。先挑除针片状骨料，然后将剩余骨料放入圆筒内，左右交替颠击地面各25下使其稍密实，盖上加压头，在量程30t的万能试验机（型号为WAW-300B，图1b）上，以1kN/s的加载速度加压到200kN，稳定5s后卸载。从万能机上取下圆筒，筛取大于2.5mm粒径的骨料，根据重量计算得到试样的压碎指标。

2 结果与讨论

2.1 再生骨料的吸水率

图2是不同碳化时间骨料的吸水率。可以看出骨料经过碳化处理以后，吸水率均较未碳化的明显降低，且碳化时间越长，吸水率越低，但超过96h后有小幅升高。碳化96h的骨料吸水率最低，相比未碳化骨料降低了24.4%。该现象也验证了高浓度CO2与再生粗骨料孔隙中的部分钙矾石晶体、Ca(OH)2反应生成碳酸钙晶体和无定型的硅胶，降低了粗骨料的表面孔隙率，因而降低了吸水率。

图2 吸水率

然而碳化144h的骨料吸水率反而相对96h有9.4%的增长，说明过度延长碳化时间并不能一直降低骨料的吸水率。推测原因是反应物CaO·2SiO2·3H2O和Ca(OH)2不断被消耗，反应逐渐减缓，生成的CaCO3继续与CO2和H2O反应生成Ca(HCO3)2，消耗了生成的CaCO3。

2.2 压碎指标

图3是不同碳化时间骨料的压碎指标。压碎指标在碳化48h时最低，相比未碳化组降低了4.27%；碳化96h的压碎指标最高，相比未碳化组增加了10.19%；碳化144h后骨料的压碎指标有下降趋势。随着碳化时间的增加，骨料孔隙中的固相体积不断增加，放入圆筒中的骨料比表面积改变，受压面积改变，压碎指标则会有一定幅度的变化。

图3 压碎指标

2.3 骨料加压碳化机理

与天然骨料相比，RCA表面附着有老旧砂浆，还有破碎时造成的大量微裂纹，因此RCA孔隙率大、强度低，从而导致了再生混凝土强度降低。当再生骨料经过碳化增强后，部分钙矾石晶体、Ca(OH)2与CO2发生反应生成碳酸钙，填补了内部的部分空隙，使其制备的再生混凝土内部空间更加致密。RCA表面附着的老砂浆中含有大量的Ca(OH)2和C-S-H凝胶等水泥水化产物，这些物质相对天然骨料疏松，CO2可以相对容易地进入其中与其发生化学反应，进而促使其内部的微观结构发生改变，反应方程式为：

上述反应生成的碳酸钙以及无定型硅胶均能增大固相体积，填充孔隙，降低骨料吸水率，提高再生骨料的相关性能[9]。

3 结论

本文对RCA进行了4种不同加压碳化时间的预处理，然后对骨料进行了吸水率和压碎指标测试，研究发现96h的改性再生混凝土吸水率最小，48h压碎值最小。结论如下：

（1）碳化时间在96h前，吸水率随碳化时间的增加逐渐降低，96h时相比未碳化降低了24.34%；在96h后吸水率有增加趋势，碳化144h相比96h增大9.42%。说明碳化处理后的骨料吸水率均比未碳化处理骨料吸水率低，总趋势为逐渐下降；但碳化96h后吸水率有上升趋势说明持续延长碳化时间并不能一直增加骨料的物理性能，过度碳化吸水率会反向增加；

（2）碳化时间在48h时压碎指标相比未碳化降低4.27%，48h后压碎指标有上升趋势；碳化96h的RCA相比未碳化压碎指标增加了10.19%，碳化96h的RCA相比碳化48h增加了15.11%；96h后压碎指标有降低趋势。说明加压碳化处理能促进骨料强化，但过度碳化反而会增大压碎指标；

（3）加压碳化技术能改善再生骨料的吸水率和压碎指标，对建筑固废再利用的效率起到了非常显著的提升作用，有利于建筑行业减少对天然骨料的需求，从而降低对自然环境的破坏。