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混凝土抗碳化性能的试验研究

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《工业建筑杂志》2015年第十一期

随着我国城市建设的不断发展,如何对巨大数量的废弃混凝土进行有效处理,实现资源循环利用,已成为目前混凝土研究领域的一个热点问题。再生微粉是指在对废弃混凝土重新利用时,经破碎后所产生的粒径小于0.16mm的细小微粒,这些微粉具有一定的活性,可以作为一种矿物掺料,以一定比例代替水泥充当胶凝材料[3]。目前我国对再生微粉混凝土性能的研究还不成熟,缺乏相关的技术标准,还不足以广泛应用于实际工程建设中。对普通混凝土的研究表明:碳化是影响混凝土耐久性的一个重要因素,普通混凝土的碳化是多方面因素共同作用的结果。根据混凝土碳化机理及相关研究成果,以废弃混凝土再生利用过程中产生的再生微粉为掺料,研究再生微粉的掺量和活性激发方法对再生微粉混凝土抗碳化性能的影响规律。

1试验概况

1.1试验材料试验以再生微粉作为矿物掺料,按照一定的比例等量取代水泥后,制作再生微粉混凝土试件与相同配合比的普通混凝土试件,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》进行碳化试验,对比分析再生微粉混凝土的抗碳化性能。试验中粗骨料采用粒径为5~20mm的天然碎石,细骨料采用中粗河砂,水泥采用徐州淮海中联水泥有限公司生产的P•O42.5级水泥,再生微粉由废弃混凝土破碎筛分取得,结合文献[7-8]的研究结果,碱性激发剂采用Ca(OH)2(粉状)和Na2SiO3•9H2O(晶状)。混凝土的配合比见表1。

1.2试验设计按照要求共设计13组100mm×100mm×300mm的棱柱体试块,每组3个[5],试验分组如表2所示。分组编号中A、B、C、D分别代表不采用任何活性激发方法、加入3.5%的Ca(OH)2作为活性激发剂、加入4.5%的Na2SiO3•9H2O作为活性激发剂、进行物理研磨细化的试验组,数字0、10、20、30分别代表再生微粉取代水泥的比例。通过测试再生微粉混凝土和普通混凝土在矿物掺料的取代率(0%、10%、20%、30%)和活性激发方法(化学激发和物理激发)两个因素交互作用下的碳化深度,分析这两个因素对混凝土抗碳化性能的影响。具体试验步骤如下:1)根据设计好的分组和配合比分批浇筑混凝土试件,待强度达到要求后脱模并放入水箱中养护28d。2)养护完成后,试件在试验前2d从标准养护室取出,在60℃下烘48h[6]。3)试件烘干后取出降温,保留一个侧面,其余面用石蜡密封,在暴露的侧面上沿长度方向每隔10mm为一个测点,画出多条平行线,测量点如图1所示。4)将试件分批放入碳化箱内的支架上,各试件之间的间距不小于50mm。5)试件放入碳化箱后,将碳化箱密封。调节二氧化碳的流量,使其浓度保持在20%,湿度控制在70%,温度控制在20℃。试验开始后每隔一定时间对箱内二氧化碳浓度、温度及湿度进行测定,根据初始条件进行一定的修正。6)碳化到了3,7,14,28d时,分别取出试件,用压力试验机通过劈裂法破型测定碳化深度。破型后的试件用石蜡将切断面封好,放入碳化箱内继续碳化,直到下一个试验期。7)称取0.5g酚酞放入三角烧杯中,然后加入100mL的无水乙醇,搅拌后形成0.5%的酚酞试剂。将配置好的酚酞指示剂喷洒在再生混凝土的劈裂面上,然后用游标卡尺进行碳化深度的测量。8)绘制碳化时间与碳化深度的关系曲线,试件的碳化深度为各测点碳化深度的平均值。

2试验结果分析

2.1再生微粉掺量对混凝土抗碳化性能的影响图2为具有不同掺量再生微粉混凝土试件经过3,7,14,28d碳化后的碳化深度。由图2可以看出:普通混凝土试件的碳化深度在同时期均高于再生微粉掺量为10%的混凝土试件的碳化深度,而低于掺量为20%和30%的试件的碳化深度。再生微粉混凝土试件在碳化箱中碳化3d时,掺量为0%、20%和30%的试件碳化深度比较接近,稍高于掺量为10%的试件。随着碳化时间的增加,掺量为0%和10%的试件碳化深度的变化趋势大致一致,掺量为20%和30%的试件碳化深度的变化趋势也很相近,并且它们之间的差异逐渐增大。当碳化时间达到28d时,与普通混凝土试件相比,掺量为10%的混凝土试件的碳化深度降低了7.24%,掺量为20%和30%的混凝土试件的碳化深度分别增加了32.57%、45.81%。根据以上分析可得:再生微粉混凝土试件,当其微粉掺量为10%时,混凝土试件的抗碳化性能有所提高,掺量增加至20%时,试件的抗碳化性能反而有较大程度的降低。原因分析:一般情况下水泥水化过程中产生较多的氢氧化钙饱和溶液填充于混凝土孔隙中,使得混凝土的碱性升高[9]。混凝土碳化过程中,大气中的二氧化碳进入混凝土毛细孔中并与水泥水化产物水化硅酸钙凝胶C-S-H以及氢氧化钙溶液反应,产生不溶于水的碳酸钙固体[10],碳酸钙填充于混凝土的孔隙中,提高了混凝土的密实度,阻碍延缓了大气中二氧化碳进入混凝土中的速率,提高了混凝土的抗碳化性能。再生微粉作为矿物掺料掺入水泥中不仅起到填充作用,而且其二次水化作用也使得混凝土的密实性得到提高,从而提高了混凝土的抗碳化性能。当粉料掺量过大时,再生微粉粗糙的颗粒内部存在连通孔隙,使得混凝土反应的需水量增加,对混凝土的抗碳化性能产生了不利影响。

2.2活性激发方法对混凝土碳化性能的影响为了研究再生微粉加入到混凝土后其潜在活性效果对混凝土抗碳化性能的影响,分别使用了掺量为3.5%的激发剂Ca(OH)2(粉状)、掺量为4.5%的激发剂Na2SiO3•9H2O(晶状)以及物理研磨加工细化这三种方法来处理再生微粉,研究分析再生微粉混凝土经过3,7,14,28d碳化后的碳化深度。图3—图5分别表示再生微粉掺量为10%、20%、30%时经过不同活性激发方法处理后的试件各龄期的碳化深度。由图3可以看出:当再生微粉掺量为10%时,各组试件早期的碳化深度比较接近;当碳化时间达到14d时,B10组试件的碳化深度明显高于其他组,到28d时,与未使用激发方法处理的A10组相比,C10和D10两组试件的碳化深度有所减小,使得其碳化性能得到一定程度的提高,而B10组试件的抗碳化性能有所减弱。由图4可以看出:当再生微粉掺量为20%时,各组试件早期的碳化深度同样比较接近;碳化时间达到28d时,与未使用激发方法处理的A20组相比,其他组试件的碳化深度均有所降低,其中B20和D20组采用的方法具有基本相同的活性激发效果,且有利于增强混凝土的抗碳化性能。由图5可以看出:当再生微粉掺量达到30%时,各组试件的碳化深度差别很小,说明这三种活性激发方法无法对提高再生微粉混凝土的抗碳化性能起到明显的作用。综上分析可知:当再生微粉掺量为10%时,加入4.5%Na2SiO3•9H2O和粉料研磨细化这两种活性激发方法能够对再生微粉混凝土试件产生一定的活性激发效果,使其抗碳化性能得到提高;当掺量为20%时,加入3.5%Ca(OH)2和粉料研磨细化两种活性激发方法对提高试件的抗碳化性能有明显的作用;当掺量为30%时,三种活性激发方法均无明显的作用。同时对比图3—图5可以看出:随着再生微粉掺量的增加,试件的碳化深度也逐渐增加,说明活性激发方法对混凝土试件的抗碳化性能造成的有利影响逐渐减弱。原因分析:再生微粉的碱性激发机理主要是提高体系液相中OH-的浓度,体系中碱度的提高能够加快再生微粉中存在活性的SiO2和Al2O3的解体,提高混凝土水化反应速率,从而产生凝胶产物提高混凝土的抗碳化性能。再生微粉中钙离子含量高,体系液相中的氢氧化钙浓度增加,也有利于再生微粉的活性反应。当再生微粉混凝土中加入氢氧化钙,一定含量的氢氧化钙有利于活性激发,当其浓度过高时也有可能发生碱骨料反应,对混凝土造成不利影响;同样对于加入偏硅酸钠以后,体系液相碱性增加,促进活性成分的水化反应。随着再生微粉掺量的增加,这种活性激发效果降低。对于采用研磨细化加工的活性激发方法,机械研磨使得再生微粉的比表面积增大,从而增大了再生微粉与体系液相的接触面积,加快了反应速率。

3结束语

1)在其他条件相同的情况下,使用10%再生微粉等量替代水泥能够提高混凝土试件的抗碳化性能,当再生微粉掺量增加至20%和30%时混凝土试件的抗碳化性能明显减弱。2)再生微粉的掺量为10%时,加入碱性激发剂4.5%Na2SiO3•9H2O和粉料研磨细化处理这两种活性激发方法可以对再生微粉混凝土试件产生一定的活性激发效果;掺量为20%时,加入3.5%Ca(OH)2和粉料研磨细化两种活性激发方法对提高试件的抗碳化性能有明显的作用;当掺量为30%时,三种活性激发方法均无明显的作用。3)随着再生微粉掺量的增加,活性激发方法对混凝土试件的抗碳化性能造成的有利影响逐渐减弱。就本试验而言,掺入10%再生微粉并且使用碱性激发剂4.5%Na2SiO3•9H2O或进行粉料研磨细化处理对提高再生微粉混凝土的抗碳化性能最有利。

作者:冯太 耿欧 赵桂云 单位:中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室 中国矿业大学力学与建筑工程学院

工业建筑杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次