摘要:近年来，再生混凝土作为一种环保、资源节约的建筑材料，受到越来越多的关注和应用。然而，再生混凝土的碳化现象一直是制约其应用的关键问题之一。目前，对再生混凝土碳化的研究主要集中在碳化速率、碳化深度等方面。氯离子是混凝土中常见的一种有害离子，也会影响混凝土的碳化情况。特别是在海岸地区和盐湖地区等环境中，氯离子的浓度较高，会对混凝土结构的稳定性产生较大影响。再生混凝土结构遭受内部和外部氯离子侵蚀，同时还有碳化的影响，这些因素共同作用下大大降低了再生混凝土的耐久性。本实验通过对不同再生粗骨料取代率的混凝土内掺入氯盐，测试不同浓度的氯盐对其快速碳化试验的影响，并记录7 d、14 d和28 d的碳化深度。研究发现，随着碳化时间的增加，碳化深度也增加；再生粗骨料取代率的增加导致碳化深度增加；再生混凝土内部的氯盐减缓了碳化速率和碳化深度；氯盐浓度的增加也会对再生混凝土的碳化深度产生不同程度的影响。
Abstract:In recent years, recycled concrete, as an environmentally friendly and resource-saving construction material, has received more and more attention and application. However, the carbonation phenomenon of recycled concrete has been one of the key problems restricting its application. At present, the research on carbonation of recycled concrete mainly focuses on carbonation rate and carbonation depth. Chloride ion is a common harmful ion in concrete, which also affects the carbonation of concrete. Especially in environments such as coastal areas and salt lake areas, the concentration of chloride ions is high, which can have a greater impact on the stability of concrete structures. Recycled concrete structures are subjected to internal and external chloride ion attack, along with the effects of carbonation, and these factors together greatly reduce the durability of recycled concrete. In this experiment, the effect of different concentrations of chloride salts on the rapid carbonation test was tested by incorporating chloride salts within concrete with different recycled coarse aggregate substitution rates, and the depth of carbonation was recorded at 7, 14 and 28 days. It was found that the carbonation depth increased with the increase of carbonation time; the increase of recycled coarse aggregate substitution rate led to the increase of carbonation depth; the chloride salt inside the recycled concrete significantly slowed down its carbonation rate and carbonation depth; the increase of chloride concentration will also have different degrees of influence on the carbonization depth of recycled concrete.
1. 引言
建筑行业一直是全球自然资源消耗的主要领域之一，同时城市更新过程中大量建筑垃圾产生。随着城市化进程的加速和建筑业规模的扩大，建筑垃圾的有效处理和再利用问题变得日益突出[1]。再生混凝土作为一种环保型建筑材料，利用建筑废弃物再生制成，具有降低资源消耗、减少环境污染等优势[2][3]。
在海洋大气环境中，氯离子可通过渗透和扩散进入混凝土内部，同时进行碳化反应。海水中的高含量NaCl和MgCl对海工混凝土的主要威胁是Cl−对内部钢筋的腐蚀。Cl−与混凝土中的水化产物结合，生成膨胀性的Friedel盐，损害混凝土。由于混凝土内外存在浓度梯度，Cl−沿毛细孔隙和裂缝扩散，最终到达钢筋表面。一旦Cl−浓度达到一定程度，会破坏钢筋表面的钝化膜，导致钢筋锈蚀和体积膨胀，导致混凝土结构开裂，严重影响使用寿命。混凝土中水泥水化产物与空气中的CO2接触后，发生化学反应生成水和碳酸盐，降低混凝土的碱度，这称为混凝土的碳化或中性化。混凝土结构长期暴露在空气中，受CO2侵蚀，碳化不可避免，降低混凝土碱度，导致裂缝，显著降低耐久性。郑永来[4]的研究指出，碳化生成物填充了混凝土内部的孔隙，增加了混凝土的密实性，因此降低了Cl−的扩散系数。Chindaprasirt等人[5]的研究发现，CO2影响了水泥砂浆的Cl−渗透系数和扩散系数，碳化过程减缓了Cl−在混凝土内部的扩散速度。屈锋等人[6]发现，受氯盐侵蚀后的在再生混凝土的碳化深度比未受氯盐侵蚀的碳化深度低；氯离子的存在提高了混凝土的抗碳化性能。再生混凝土受氯离子侵蚀后，其碳化深度降低。Dang等人[7]的研究显示，在加速碳化条件下，Cl−显著降低了混凝土的氯化物结合能力，但提高了混凝土的抗碳化性能，减少了混凝土的孔隙率，从而抑制了裂缝的形成。
关于氯盐和碳化对混凝土耐久性的影响已有大量研究，但针对再生混凝土在这方面的表现仍需进一步探讨[8]-[13]。现有研究主要集中在传统混凝土的氯盐侵蚀和碳化过程，揭示了这些因素对混凝土结构耐久性的削弱作用。再生混凝土由于其成分和微观结构的特殊性，其在氯盐和碳化共同作用下的耐久性表现可能有所不同。因此，深入研究再生混凝土在氯盐侵蚀和碳化环境下的性能变化，对促进再生混凝土的应用具有重要意义[14]-[16]。再生骨料中的氯离子主要来源于两类：一是来自滨海环境中现有钢筋混凝土结构的外部氯离子侵蚀，二是来自使用海水和海砂制成的混凝土结构中不同浓度的氯离子。这些氯离子会在再生骨料中积累，并且再生粗骨料表面附着有砂浆，砂浆中的氯离子可能对再生混凝土的耐久性产生严重影响，这与再生骨料的掺量和质量相关。因此，有必要研究含氯再生骨料在制成再生混凝土并投入使用后的碳化过程。
本文从再生粗骨料和氯离子来源两个方面考虑制作再生混凝土试件，开展碳化试验，研究再生混凝土碳化深度发展规律及各因素的影响，进一步丰富再生混凝土结构耐久性理论，有利于建筑材料节能减排和新型建筑材料的耐久性设计。
2. 试验方案
2.1. 试验原材料
(1) 水泥
本试验采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，标准稠度用水量28.13%，细度(45 μm方孔筛余量) 6.0%，28 d的抗折和抗压强度分别为6.3 MPa、54.1 MPa。
(2) 骨料
本试验细集料取自湘潭市湘江，其表观密度2581 kg/m3，堆积密度1640 kg/m3，细度模数2.7，吸水率1.02%。天然粗骨料(NA)为湘乡碎石，再生粗骨料是通过对实验室废弃混凝土进行破碎、筛分、清洗制得，粗骨料物理指标满足(GB/T25177-2010)《混凝土用再生粗骨料》标准。
(3) 其他材料
NaCl采用纯度大于96%的工业盐。
2.2. 配合比
本试验中以NaCl溶液浓度(引入内掺氯离子)、再生骨料替代率为考察因素，所用混凝土材料组成依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)配合比设计方法确定。各组混凝土的配合比如表1所示。
Table1.Mixing ratios for recycled concrete
表1.再生混凝土的配合比
编号 |
材料用量/(kg/m3) |
水泥 |
细骨料 |
粗骨料 |
再生粗骨料 |
水 |
附加水 |
NaCl |
NAC1-0, NAC1-1, NAC1-2, NAC1-3, NAC1-4 |
394 |
578 |
1292 |
0 |
171 |
0.0 |
0, 1.97, 3.94, 7.88, 11.82 |
RAC1-0, RAC1-1, RAC1-2, RAC1-3, RAC1-4 |
394 |
578 |
969 |
323 |
171 |
5.4 |
0, 1.97, 3.94, 7.88, 11.82 |
RAC2-0, RAC2-1, RAC2-2, RAC2-3, RAC2-4 |
394 |
578 |
646 |
646 |
171 |
10.7 |
0, 1.97, 3.94, 7.88, 11.82 |
RAC3-0, RAC3-1, RAC3-2, RAC3-3, RAC3-4 |
394 |
578 |
323 |
969 |
171 |
16.1 |
0, 1.97, 3.94, 7.88, 11.82 |
RAC4-0, RAC4-1, RAC4-2, RAC4-3, RAC4-4 |
394 |
578 |
0 |
1292 |
171 |
21.4 |
0, 1.97, 3.94, 7.88, 11.82 |
2.3. 试验分组
表1中各组再生混凝土制作时，为模拟氯离子浓度由再生骨料产生，将NaCl加进拌合水中搅拌制作而成。为对比掺入方式的不同，设计RAC1-0A、RAC2-0A、RAC3-0A、RAC4-0A分别和RAC1-0、RAC2-0、RAC3-0、RAC4-0配合比相同，仅其再生粗骨料浸泡在质量分数3.5%NaCl溶液中28d，后制作再生混凝土。为模拟再生混凝土在应用环境中的氯盐侵蚀而造成氯离子累积，设计NAC1-0S、RAC1-0S、RAC2-0S、RAC3-0S、RAC4-0S分别和NAC1-0、RAC1-0、RAC2-0、RAC3-0、RAC4-0配合比相同，将其浸泡在质量分数为15%NaCl溶液(为加速氯盐侵入速率)中60d。而NAC1-0D、RAC1-0D、RAC2-0D、RAC3-0D、RAC4-0D分别和NAC1-0、RAC1-0、RAC2-0、RAC3-0、RAC4-0配合比相同，放在质量分数为15%NaCl溶液进行干湿循环，浸泡4 d，自然风干3 d，重复循环60 d。
2.4. 碳化试验
根据规范GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，将按比例称量好的粗骨料、细骨料、胶凝材料和水依次放入混凝土搅拌机中搅拌，制成100 mm × 100 mm × 100 mm的立方体试件，标准养护28 d。将养护好的试件进行碳化试验，混凝土快速碳化试验依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，使用快速碳化设备对再生混凝土进行碳化试验。
3. 结果与分析
3.1. 不同浓度的内源氯离子对再生混凝土的影响
图1为不同浓度的内源氯离子对碳化深度的影响，图1(a)~(e)分别为天然混凝土、再生粗骨料取代率25%、50%、75%、100%内掺不同浓度的氯盐对混凝土碳化深度的影响。
如图1(a)所示，可观察到在碳化7 d时，随着内源氯离子浓度的增加，碳化深度整体呈现下降趋势。与NAC1-3相比，NAC1-2的碳化深度降低了47%，而与NAC1-4相比，NAC1-3的碳化深度降低了59%。在碳化14 d时，与未掺氯离子的混凝土相比，掺入氯盐的混凝土碳化深度较小。特别是内掺3%氯盐的混凝土，其碳化深度在14 d和28 d时相比未掺氯盐的混凝土明显降低。这种现象可以归因于氯离子与水泥中的氢氧化钙发生反应生成氯化钙，从而降低了试件的碱性，导致混凝土的抗碳化能力下降[13]。相比之下，内掺氯盐的混凝土在一定程度上降低了混凝土的孔隙率，从而提高了其抗碳化能力。图1(b)显示了类似的趋势，即内掺氯盐的再生混凝土在碳化7 d和28 d时的碳化深度大于未掺氯盐的混凝土。遭受氯盐侵蚀后的混凝土会出现pH下降的情况，结合本实验的碳化现象，可以发现氯离子的存在降低了试件的碱性，从而降低了其抗碳化性能。
如图1(c)中，随着氯盐掺量的增加，再生混凝土的碳化深度总体呈下降趋势。相比于天然混凝土，再生混凝土含有较高的孔隙率，内掺氯盐会在再生混凝土内部孔隙处形成氯盐晶体或氯化物沉淀，从而降低了混凝土的孔隙率，提高了其整体抗碳化性能。如图1(d)显示了碳化7 d时未掺氯盐的再生混凝土的碳化深度高于低氯盐掺量的情况，但低于高氯盐掺量的情况。然而，在碳化28 d时，内掺氯盐的再生混凝土的碳化深度高于未掺氯盐的情况。当再生粗骨料掺量为75%时，混凝土内部的黏附砂浆含量会增加，从而增强了混凝土的抗碳化性能。但是，氯盐含量增加会降低试件的碱性，降低了再生混凝土的抗碳化性能。因此，在再生混凝土中，当氯盐含量较低时，黏附砂浆起主导作用，而当氯盐含量较高时，氯盐则起主导作用。如图1(e)的结果，在再生粗骨料取代率为100%时，随着内掺氯盐浓度的增加，碳化深度呈现出下降趋势。这是因为氯化物及其晶体能够阻塞孔隙，从而增强了混凝土的抗碳化性能。
(a) 天然混凝土
(b) 再生粗骨料取代率为25% (c) 再生粗骨料取代率为50%
(d) 再生粗骨料取代率为75% (e) 再生粗骨料取代率为100%
Figure1.Effect of endogenous chloride ions of different concentrations on carbonization depth
图1.不同浓度的内源氯离子对碳化深度的影响
3.2. 内源氯离子的引入方式对再生混凝土碳化的影响
图2为内源氯离子对碳化深度的影响，图2(a)是将再生粗骨料浸泡在质量分数为3.5% NaCl溶液中28 d，图2(b)为内掺3.5% (占水泥质量)氯盐。
(a) 氯盐浸泡再生粗骨料 (b) 内掺氯盐
Figure 2.Effect of endogenous chloride ions on carbonization depth
图2.内源氯离子对碳化深度的影响
如图2(a)所示，随着再生粗骨料的取代率增加，碳化深度呈现出减小的趋势。再生粗骨料的引入会增加再生混凝土的孔隙率，但在再生粗骨料浸泡氯盐后，形成的氯盐晶体会阻塞黏附砂浆中的孔隙，从而最终导致再生粗骨料取代率的增加，增强了再生混凝土的抗碳化性能[17]。图2(b)中观察到的碳化深度与图2(a)中的情况相似，表明内源氯离子引入的方式对再生混凝土的碳化影响不大。
3.3. 外部氯盐侵蚀对再生混凝土碳化的影响
图3为外部氯盐侵蚀对碳化深度的影响。为了加速外部氯盐侵入的速率，图3(a)中的试件被浸泡在质量分数为15% NaCl的溶液中60 d，图3(b)中的试件在质量分数为15% NaCl的溶液中进行了60 d的干湿循环。
如图3(a)所示，随着碳化天数的增加，碳化深度总体呈上升趋势。在最初的0~7 d内，碳化深度增幅最大，随后在7 d~14 d内增幅变缓，而在14 d~28 d内增幅又开始加大。这种趋势的形成可归因为：一方面，外部氯离子会渗透进混凝土内部一定深度后，产生氯离子晶体或形成氯化物沉淀，从而降低了孔隙率和孔径，阻止了CO2的进入，导致再生混凝土的抗碳化性能降低[18]。另一方面，再生粗骨料表面有黏附砂浆，在混凝土内部形成较多的界面过渡区，而且黏附砂浆疏松多孔，最终导致孔隙增加[19]。
如图3(b)所示，随着碳化天数的增加，碳化深度总体呈上升趋势。相较于图3(a)，图3(b)中7 d时的碳化深度较低，而14 d和28 d时的碳化深度较高。这是因为干湿循环导致混凝土表面氯盐含量较高，导致CO2难以进入。随着碳化的进行，混凝土表面形成CaCO3沉淀导致开裂，进而加深了碳化的程度。相比于一直浸泡在氯盐溶液中的混凝土，干湿循环使混凝土内部的氯离子含量较低，因此其抗碳化性能较差，碳化深度更大[20]。
(a) 氯盐溶液浸泡 (b) 氯盐溶液干湿循环
Figure 3.Effect of external chloride erosion on carbonization depth
图3.外部氯盐侵蚀对碳化深度的影响
4. 结论
根据不同氯离子浓度对碳化深度的影响规律，所得结论如下：
1) 再生混凝土内源氯离子含量越高，对碳化的影响就越大，其抗碳化性能就越强。
2) 再生粗骨料浸泡氯盐或再生混凝土内掺氯盐，都会减小混凝土的碳化深度。
3) 外部氯离子侵蚀可以降低混凝土碳化的前期碳化深度，而干湿循环对混凝土碳化的影响更显著。
基金项目
湖南省教育厅科研项目(18C0324; 19A164; 22B0473)、国家级大学生创新创业训练(SIT)项目(S202312649002)。
NOTES
*通讯作者。