董 偉，蘇 英，林艷杰2，肖 陽

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 基建處，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 研究背景

隨著我國工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加速，建筑業(yè)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，相伴而產(chǎn)生的建筑垃圾日益增多，建筑垃圾的數(shù)量已占城市垃圾總量的1/3以上。當(dāng)前我國對建筑垃圾的處理方式主要是簡單回收后填埋，這樣的處理方式造成大量土地被占用、嚴(yán)重污染環(huán)境、破壞土壤結(jié)構(gòu)、引起地表沉降等危害。粉煤灰是燃煤電廠收集的細(xì)灰，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，粉煤灰已經(jīng)成為我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一。粉煤灰的大量排放不僅造成環(huán)境污染，而且其中的有害物質(zhì)還會影響人的身體健康。引領(lǐng)行業(yè)踐行綠色發(fā)展理念，粉煤灰和再生骨料等廢棄資源的重復(fù)利用符合國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，粉煤灰用于再生混凝土中具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)保意義。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全球CO2排放量為352.7億t，我國CO2排放量為103.3億t，是全球排放量最多的國家之一，且CO2排放量逐年增加，預(yù)計(jì)我國2030年出現(xiàn)CO2排放峰值[1-2]。CO2會造成混凝土耐久性下降，引起混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。混凝土碳化引起的破壞得到了國內(nèi)外專家學(xué)者的重視。粉煤灰對混凝土碳化性能的影響已經(jīng)得到了一定的研究。張揚(yáng)等[3]研究了不同水膠比、不同水泥用量、0～50%粉煤灰摻量的混凝土的碳化性能，結(jié)果顯示粉煤灰摻量越大，碳化越深。黃秀亮等[4]分析了不同水膠比、粉煤灰摻量為0%，15%，30%，50%的再生混凝土的抗碳化性能，結(jié)果表明碳化深度與粉煤灰摻量成正比變化，但通過理論分析得出粉煤灰在再生混凝土當(dāng)中存在一個改善碳化性能的最優(yōu)摻量。杜晉軍等[5]研究表明低水膠比的混凝土碳化試驗(yàn)中，粉煤灰摻量介于0～30%之間有利于混凝土抵抗碳化，粉煤灰摻量超出30%不利于混凝土抵抗碳化，粉煤灰最優(yōu)摻量為17%。

混凝土碳化深度預(yù)測模型有多種形式，目前比較公認(rèn)的是碳化深度x與碳化時間t的平方根成正比。有學(xué)者通過引入水膠比、強(qiáng)度、粉煤灰摻量等參數(shù)對碳化綜合影響系數(shù)進(jìn)行不同方向的修正[6-8]。粉煤灰對再生骨料混凝土抗碳化的作用機(jī)制與預(yù)測模型研究還不夠全面。本文研究了不同粉煤灰摻量再生骨料混凝土的碳化規(guī)律，建立碳化預(yù)測模型，為粉煤灰再生混凝土的應(yīng)用提供一定的技術(shù)支撐。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥：冀東普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級42.5，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)規(guī)范要求。粉煤灰：呼和浩特金橋電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。砂子：顆粒級配良好的天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.87，其他物理性能見表1。石子：粒徑5～25 mm的再生粗骨料，由路面鋪筑廢棄混凝土破碎而得(經(jīng)回彈法測量原始混凝土強(qiáng)度為34.6 MPa)，對破碎的混凝土進(jìn)行再篩分，使得粒徑級配符合《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)規(guī)范要求，其他物理性能見表1。水：普通飲用水。外加劑：奈系高效減水劑，減水率為22%。

表1 骨料物理性能指標(biāo)Table 1 Physical properties of aggregates

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)全再生粗骨料混凝土，水膠比為0.42，砂率為38%?；鶞?zhǔn)組(編號R0)不摻粉煤灰，其他4組試驗(yàn)組采用等質(zhì)量的粉煤灰替代水泥組成粉煤灰再生粗骨料混凝土，粉煤灰的摻量分別為15%，25%，35%，45%(編號依次為R15，R25，R35，R45)?；炷林懈魑镔|(zhì)含量及基本物理力學(xué)性能見表2。

表2 混凝土各物質(zhì)含量及基本物理力學(xué)性能Table 2 Mix proportions of concrete and basic physical-mechanical performances

碳化試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件進(jìn)行，采用機(jī)械攪拌方式，每組成型3個試件。參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中碳化試驗(yàn)部分執(zhí)行，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)26 d，然后在60 ℃下烘干48 h。除應(yīng)留相對的2個側(cè)面外，其余表面采用加熱的石蠟密封，暴露面繪制10 mm間距的平行線作為碳化深度的測點(diǎn)。試件放入碳化箱內(nèi)，碳化到試驗(yàn)齡期，將試件劈裂后采用1%的酚酞酒精溶液噴灑至斷裂面，測量每個測點(diǎn)的碳化深度。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳化深度時程變化規(guī)律

試驗(yàn)設(shè)計(jì)全再生骨料混凝土，再生骨料在生產(chǎn)破碎過程中，不可避免產(chǎn)生一些原始裂紋，從而為CO2提供了更多的擴(kuò)散通道，導(dǎo)致再生混凝土抗碳化能力明顯小于普通骨料混凝土[9]。從這方面講再生骨料不利于混凝土抵抗碳化。另一方面，再生骨料表面包裹了一層較厚的原始砂漿，老砂漿內(nèi)部殘存一定數(shù)量的可碳化物質(zhì)，減緩了CO2在新舊砂漿界面之間的傳輸。從這方面講再生骨料有利于混凝土抵抗碳化。圖1為再生混凝土碳化深度與碳化時間的關(guān)系，由圖1可見不同碳化階段再生混凝土碳化深度均比較大，表明本試驗(yàn)中再生骨料產(chǎn)生的副作用較大。

圖1 再生混凝土碳化深度與碳化時間的關(guān)系Fig.1 Relation between carbonation depth and carbonization age of recycled concrete

粉煤灰作為一種礦物摻合料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于混凝土中，粉煤灰替代水泥加入混凝土主要有以下幾種作用[10]：一方面由于粉煤灰等質(zhì)量替代水泥，減少了水泥用量，水泥水化反應(yīng)形成的堿性物質(zhì)減少，降低了可供CO2反應(yīng)的堿性物質(zhì)，抗碳化能力下降；再者粉煤灰在早期還沒有發(fā)揮出優(yōu)勢，所以早期強(qiáng)度低、孔結(jié)構(gòu)差，為CO2傳輸提供了便利條件；另一方面，摻合料粉煤灰在混凝土中的“三大效應(yīng)”可以有效改善混凝土密實(shí)度。混凝土碳化是CO2由表及里的擴(kuò)散/吸附過程，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)的混凝土可以增強(qiáng)抵抗碳化的性能?？梢姡勖夯覍炷撂蓟哂姓?fù)疊加效應(yīng)。采用冪函數(shù)對碳化深度x與碳化時間t進(jìn)行回歸分析[11]，結(jié)果見表3。

表3 碳化深度與碳化時間回歸分析Table 3 Result of regression analysis on carbonization depth and carbonization time

圖3 碳化預(yù)測模型Fig.3 Prediction models for carbonization depth in laboratory

由表3可知：擬合結(jié)果決定系數(shù)R2較大，表明回歸結(jié)果具有較高的可靠性；系數(shù)k隨粉煤灰摻量的上升而上升，表明粉煤灰加入起到了不利作用；系數(shù)b<1，說明隨碳化時間增加，碳化深度增長速率越來越小，增幅斜率在逐漸減小。其主要原因是碳化初期混凝土表層形成了一種比較致密的碳酸鈣，減緩了CO2的擴(kuò)散速度。由表3和圖1可以知道：各組混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量及碳化時間的增加而增大，粉煤灰摻量0%、碳化時間3 d的組別碳化深度最小(4.2 mm)，粉煤灰摻量45%、碳化時間28 d的組別碳化深度最大(21.9 mm)。

3.2 粉煤灰摻量對CO2擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律

圖2 CO2擴(kuò)散系數(shù)與 粉煤灰摻量的關(guān)系Fig.2 Relation between CO2 diffusion coefficient and fly ash content

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，求得各組混凝土CO2擴(kuò)散系數(shù)，繪制CO2擴(kuò)散系數(shù)與粉煤灰摻量之間的關(guān)系圖，見圖2。由圖2可知，粉煤灰摻量對CO2擴(kuò)散系數(shù)影響較大，總體上呈現(xiàn)出一種線性變化規(guī)律，即CO2擴(kuò)散系數(shù)隨粉煤灰摻量增加而增大。采用MatLab對試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，建立CO2擴(kuò)散系數(shù)DCO2與粉煤灰摻量CFA之間的函數(shù)關(guān)系，見式(1)。

DCO2=0.705 2CFA+12.798，R2=0.973 9 。

(1)

3.3 碳化預(yù)測模型建立

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者提出了多種形式的碳化模型，目前比較公認(rèn)的是基于Fick擴(kuò)散理論而建立的模型，如式(2)所示。

(2)

式中：x為碳化深度；t為碳化時間；α為碳化綜合影響系數(shù)，體現(xiàn)了混凝土抵抗碳化的能力。多年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對碳化綜合影響系數(shù)α進(jìn)行修正，主要考慮了水膠比、水泥品種、水泥用量、養(yǎng)護(hù)環(huán)境等因素，且提出了各自的經(jīng)驗(yàn)公式。本文結(jié)合式(1)、式(2)和文獻(xiàn)[12-13]建立了考慮CO2擴(kuò)散系數(shù)的再生混凝土碳化深度預(yù)測模型，如式(3)所示。

(3)

式中C0為環(huán)境中CO2的濃度。實(shí)驗(yàn)室快速碳化試驗(yàn)CO2濃度為20%，由式(3)可預(yù)測實(shí)驗(yàn)過程中任意時刻混凝土的碳化深度，如圖3(a)所示。由圖3(a)可見，實(shí)測數(shù)據(jù)圍繞在擬合曲面兩側(cè)，表明擬合結(jié)果真實(shí)可靠。假定空氣中CO2濃度為0.04%，由式(3)和空氣中的C0便可預(yù)測某混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中某一時刻的碳化深度，如圖3(b)所示，從而可以依據(jù)使用年限設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度。

3.4 碳化預(yù)測模型應(yīng)用

4 結(jié) 論

(1)再生混凝土碳化深度與粉煤灰摻量呈正比關(guān)系，粉煤灰摻量45%、碳化28 d，再生混凝土碳化深度高達(dá)21.9 mm。早期碳化速度高于后期，隨碳化時間增加，碳化深度增幅斜率逐漸減小。

(2)CO2擴(kuò)散系數(shù)隨粉煤灰摻量的增加而增加，與粉煤灰摻量呈線性函數(shù)關(guān)系。

(3)建立了考慮CO2擴(kuò)散系數(shù)的碳化深度預(yù)測模型，該模型可以預(yù)測碳化深度、粉煤灰最大摻量、混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命。