王振豪，金立兵，謝志恒，朱豆豆，王 旭

（河南工業(yè)大學(xué) 混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能研究所，鄭州 450001）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年我國(guó)建筑廢料年產(chǎn)生量達(dá)到了（15.5~24）億t，而利用率卻不足10%[1]。目前我國(guó)建筑廢料主要以填埋的方式進(jìn)行處理，這不僅導(dǎo)致了建筑廢料中可再生資源利用率低，而且導(dǎo)致了水土污染、占用土地資源等現(xiàn)象的發(fā)生[2]。利用建筑廢料來(lái)制備再生骨料混凝土能很好地解決了這2 個(gè)問(wèn)題。

碳化作為引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷最為普遍的因素，伴隨結(jié)構(gòu)服役的整個(gè)時(shí)期，是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的重要原因。開(kāi)展再生混凝土的碳化試驗(yàn)，能夠更加清晰地認(rèn)識(shí)再生混凝土碳化過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的演變，從而更具針對(duì)性地預(yù)防，同時(shí)帶來(lái)一定的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。目前，研究人員圍繞再生混凝土碳化這一課題開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究[3-6]。此外，近些年也有許多學(xué)者研究了碳化對(duì)再生骨料性能的強(qiáng)化，以此實(shí)現(xiàn)減少空氣中CO2含量的同時(shí)改善再生混凝土的性能，目前也取得了較為豐富的成果[7-10]。

1 再生混凝土的碳化機(jī)理

再生混凝土中的碳化過(guò)程與普通混凝土相似，都是空氣中CO2通過(guò)擴(kuò)散溶入混凝土內(nèi)液相生成H2CO3，然后與混凝土中Ca(OH)2等水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3和其他物質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土堿度降低、內(nèi)部開(kāi)裂、鋼筋鈍化膜消失等一系列耐久性能退化的現(xiàn)象[11]。此外，由于碳化過(guò)程的相似，普通混凝土有關(guān)碳化分區(qū)的描述，對(duì)再生混凝土同樣適用[12-13]。但再生骨料存在較多缺陷，也使得再生混凝土的碳化過(guò)程與普通混凝土存在一定差異[14]。首先，再生骨料表面粘附的舊砂漿提供了更多的可碳化物質(zhì)，這在一定程度上提高了再生混凝土的抗碳化性能。其次，再生骨料在先前使用及制備過(guò)程中產(chǎn)生了較多的微裂縫，這些裂縫為CO2氣體的進(jìn)入提供了更多的通道，導(dǎo)致碳化反應(yīng)加速，加快了混凝土結(jié)構(gòu)的破壞；同時(shí)，再生骨料較大的吸水率造成再生混凝土孔隙比普通混凝土要多，為碳化反應(yīng)提供了更多的場(chǎng)所。

通過(guò)圖1 的形式將碳化過(guò)程分為CO2氣體的侵入、CaCO3的形成、CaCO3的沉淀和Ca(OH)2的溶解3 個(gè)部分[15]。

圖1 碳化流程圖

分析上述碳化流程圖，可以知道碳化過(guò)程中固相Ca(OH)2持續(xù)分解將使得混凝土堿性降低，最終造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕。此外，CaCO3的沉淀將起到填充混凝土內(nèi)部孔隙的作用，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)、抗?jié)B性增強(qiáng)，并阻礙CO2的侵入[16-17]。

2 碳化的試驗(yàn)研究

2.1 碳化影響因素

2.1.1 材料影響

（1）再生骨料對(duì)碳化性能的影響因素有：骨料的品質(zhì)、取代率和原始強(qiáng)度

再生粗骨料品質(zhì)的缺陷導(dǎo)致了其碳化性能劣于普通混凝土。王新杰等[18]對(duì)舊砂漿含量在35%~45%的再生粗骨料制備的再生混凝土進(jìn)行碳化試驗(yàn)，結(jié)果表明隨舊砂漿含量的增加，碳化深度呈增大趨勢(shì)，且實(shí)驗(yàn)室碳化28 d 的最大碳化深度是普通混凝土的7 倍。但這些缺陷可通過(guò)物理化學(xué)方法改善[19]。李瀅等[20]和朱從香等[21]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)化學(xué)浸泡對(duì)再生粗骨料品質(zhì)進(jìn)行改善，減輕了碳化過(guò)程對(duì)再生混凝土造成的損傷。王忠星等[3]研究了再生粗骨料經(jīng)歷不同整形次數(shù)后制得的再生混凝土抗碳化性能，結(jié)果顯示再生混凝土的抗碳化性能隨骨料整形次數(shù)的增加而增強(qiáng)。

再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土碳化性能的影響一直是該領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，許多學(xué)者得出了碳化深度隨著再生粗骨料取代率增加而增加的結(jié)論[4-5,22-23]；孫宇坤等[24]則通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，再生細(xì)骨料取代率不大于20%時(shí)，所配制的再生混凝土抗碳化性能較好，能夠滿足工程的一般要求。也有學(xué)者認(rèn)為再生粗骨料對(duì)碳化性能的影響取決于2 個(gè)方面：一是再生粗骨料附著的砂漿提供更多可碳化物質(zhì)使抗碳化性能增強(qiáng)；二是再生粗骨料內(nèi)較多的孔隙為CO2的擴(kuò)散提供了更多的路徑，使抗碳化性能降低[25-26]。因此，一些結(jié)論指出隨再生粗骨料取代率增大，碳化深度并非一直呈增加趨勢(shì)[12,27-28]。

原始強(qiáng)度是指再生粗骨料母體混凝土的強(qiáng)度。XIAO 等[29]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，母體混凝土強(qiáng)度越高，再生粗骨料混凝土的抗碳化性能越好。肖文廣等[30]通過(guò)研究也給出了相似的結(jié)論，并認(rèn)為強(qiáng)度高的原始混凝土制備的再生粗骨料表面附著的老砂漿具有更高的強(qiáng)度，使其與新砂漿間形成的界面更加密實(shí)，當(dāng)原始混凝土強(qiáng)度超過(guò)C30 時(shí)抗碳化性能增加更加明顯。

（2）膠凝材料對(duì)碳化性能的影響因素有：水灰比、輔助膠凝材料的種類和摻量

一般認(rèn)為隨著水灰比的增大，再生混凝土內(nèi)的孔隙會(huì)增多，抗碳化能力就會(huì)變?nèi)?。孫亞麗[31]研究發(fā)現(xiàn)水灰比對(duì)再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響顯著，水灰比的增大會(huì)使再生混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較多的孔隙，為CO2的進(jìn)入提供通道，加速碳化反應(yīng)的進(jìn)行。閆春嶺等[32]通過(guò)無(wú)重復(fù)的雙因素試驗(yàn)方法和方差分析，論證了水灰比對(duì)再生混凝土的抗碳化性影響的顯著性，同時(shí)水灰比越高，碳化深度越深。李俊蘭等[33]采用正交試驗(yàn)極差法和正交層次分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了與文獻(xiàn)[32]相似的結(jié)論，并定性分析了3 種因素對(duì)再生混凝土抗碳化性能的影響，其中影響最明顯的是水灰比，然后是粉煤灰摻量和再生細(xì)骨料摻量。

應(yīng)用較多的輔助膠凝材料粉煤灰、硅灰等對(duì)碳化的影響可分為2 點(diǎn)：一是通過(guò)細(xì)化混凝土內(nèi)部孔隙分布、改善界面過(guò)渡區(qū)性能使抗碳化性能提高；二是水泥含量的減少導(dǎo)致混凝土內(nèi)參與碳化反應(yīng)的堿物質(zhì)含量降低進(jìn)而造成抗碳化性能的減弱[2]。已有研究發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，再生混凝土的碳化深度呈增加趨勢(shì)[34-36]。楊益等[36]也表明當(dāng)?shù)V粉和粉煤灰兩者摻入量大于30%時(shí)，碳化深度將明顯增加。此外，黃辰玉等[37]研究發(fā)現(xiàn)，控制摻量在50%以下，將礦粉和粉煤灰等量摻入再生混凝土當(dāng)中，能夠得到抗壓強(qiáng)度較高和抗碳化性能良好的再生混凝土。SINGH 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，將偏高領(lǐng)土作為輔助膠凝材料摻入再生混凝土當(dāng)中，能夠彌補(bǔ)部分由再生粗骨料抗碳化性能上的缺陷。

2.1.2 環(huán)境影響

（1） 相對(duì)濕度

從碳化機(jī)理可以看出碳化反應(yīng)需在孔溶液中進(jìn)行。當(dāng)相對(duì)濕度過(guò)大時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)供CO2擴(kuò)散的孔隙將被水溶液充滿，阻礙CO2的進(jìn)入，從而減慢碳化反應(yīng)的速度；當(dāng)相對(duì)濕度過(guò)低時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部干燥，此時(shí)CO2的擴(kuò)散速率雖快，但結(jié)構(gòu)中缺少反應(yīng)所必需的水溶液，因此也將導(dǎo)致碳化速度減慢[39]。ELSALAMAWY 等[40]對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析顯示碳化速度與相對(duì)濕度間呈多項(xiàng)式關(guān)系，且許多研究[41]表明當(dāng)相對(duì)濕度在50%~70%時(shí)，碳化速率最快。CHEN 等[42]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了不同相對(duì)濕度下的碳化速率，得出當(dāng)相對(duì)濕度為70%時(shí)碳化系數(shù)達(dá)到最大。

（2） 環(huán)境溫度

在晝夜或不同季節(jié)溫差較大的地區(qū)，溫度對(duì)碳化的影響是不能忽略的。LIU 等[43]和張旭輝等[44]研究了溫度對(duì)普通混凝土碳化的影響，結(jié)果均表明，溫度對(duì)混凝土碳化影響顯著，碳化深度隨溫度的升高而增加。而耿歐等[45]開(kāi)展溫度對(duì)再生混凝土碳化的研究發(fā)現(xiàn)，碳化深度隨溫度的升高先上升后下降再上升。造成這種結(jié)果的原因有2 點(diǎn)：一是溫度升高使得CO2擴(kuò)散加快而導(dǎo)致碳化反應(yīng)加快；二是溫度升高使得再生混凝土內(nèi)水溶液蒸發(fā)而導(dǎo)致的碳化反應(yīng)減慢?？梢?jiàn)，溫度對(duì)碳化反應(yīng)的影響，在普通混凝土與再生混凝土之間存在一定的差異。

（3） CO2的濃度

作為碳化反應(yīng)所必需的因素，CO2濃度的變化對(duì)碳化反應(yīng)的影響是無(wú)法忽略的。LIU 等[46]研究發(fā)現(xiàn)，碳化深度隨CO2濃度的升高而增加，兩者之間呈冪函數(shù)關(guān)系。喬欣元[47]控制CO2濃度在10%~99%之間變化，研究了其對(duì)Ca(OH)2碳化的影響。結(jié)果表明：氣體壓力一定下，Ca(OH)2的初始碳化速度隨CO2濃度的提高而提高；而Ca(OH)2后期碳化速度在低濃度下比高濃度下更快。

2.1.3 荷載影響

荷載產(chǎn)生的效應(yīng)中拉應(yīng)力和壓應(yīng)力對(duì)碳化的影響考慮較多。不難理解，拉應(yīng)力的施加有助于混凝土內(nèi)裂縫的開(kāi)展，這將導(dǎo)致更多的CO2進(jìn)入結(jié)果內(nèi)部使碳化反應(yīng)加速；低水平的壓應(yīng)力能夠抑制裂縫的發(fā)展使結(jié)構(gòu)更加致密，從而阻礙CO2的進(jìn)入，使碳化反應(yīng)減慢[48]。ZOU 等[49]通過(guò)改變壓應(yīng)力的大小，探究再生混凝土的抗碳化性能。結(jié)果表明：隨著壓應(yīng)力的增大，再生混凝土的碳化深度先減小后增大?？梢钥闯?，對(duì)于壓應(yīng)力來(lái)說(shuō)，當(dāng)施加應(yīng)力水平過(guò)大時(shí)，由其造成的結(jié)構(gòu)損傷的負(fù)面作用會(huì)大于其帶來(lái)的正面作用，從而造成再生混凝土抗碳化性能的降低。

2.2 細(xì)微觀試驗(yàn)

混凝土結(jié)構(gòu)的破壞大都是內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)損傷持續(xù)演變的結(jié)果。因此，開(kāi)展再生混凝土碳化的細(xì)微觀試驗(yàn)將有助于我們理解碳化反應(yīng)過(guò)程中再生混凝土內(nèi)部物質(zhì)成分、微觀形態(tài)的變化，從而更好地掌握宏觀損傷的發(fā)展規(guī)律，并做出相應(yīng)的預(yù)防。

劉杏娟[50]采用掃描電鏡對(duì)再生混凝土碳化前后微觀結(jié)構(gòu)觀察后指出：一方面，再生混凝土內(nèi)部存在比普通混凝土更多的薄弱界面，隨著再生粗骨料摻量的增加，微觀結(jié)構(gòu)中缺陷和孔隙也就會(huì)越多，使得再生混凝土的抗碳化性能減弱；另一方面，碳化反應(yīng)過(guò)程中CaCO3的填充效應(yīng)能夠使混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而減緩碳化反應(yīng)的進(jìn)行。FARAH 等[51]的微觀試驗(yàn)也表明：碳酸鈣的形成最終將導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)中孔隙度和滲透率的降低。李陽(yáng)陽(yáng)[52]通過(guò)對(duì)比再生混凝土碳化前后宏觀和微觀性能的變化發(fā)現(xiàn)微觀顯微硬度的變化情況與宏觀強(qiáng)度的變換情況相一致，因此得出結(jié)論：再生混凝土在碳化作用下宏觀性能的變化可由其微觀結(jié)構(gòu)充分反映。WU 等[53]也在結(jié)論中指出，不同碳化參數(shù)下再生混凝土的微觀和宏觀性能變化保持一致。

3 碳化模型

碳化模型主要指對(duì)結(jié)構(gòu)碳化深度進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可分為以下3 類：

碳化的理論模型大多基于質(zhì)量守恒方程和Fick 定律建立，也有部分基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[54]，且大都以普通混凝土為研究對(duì)象。其中應(yīng)用較為廣泛的有阿列克謝耶夫以及Papadakis 建立的混凝土碳化理論模型[55-56]。

碳化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蠖嘟⒃谔蓟疃扰c碳化時(shí)間的平方根成正比的基礎(chǔ)之上，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到。這類模型的建立較為方便，其缺陷在于考慮單個(gè)因素時(shí)無(wú)法反映混凝土整體的性能；而考慮因素過(guò)多時(shí)，在工程中的運(yùn)用又會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜。

對(duì)于半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)說(shuō)，其注重理論與實(shí)際相結(jié)合，各項(xiàng)參數(shù)均具有其對(duì)應(yīng)的物理意義，同時(shí)模型也能夠在前人的基礎(chǔ)上不斷修改完善，因此這類模型更具有推廣價(jià)值。

碳化模型的整合主要有3 類模型：理論模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶肜碚摪虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀０⒘锌酥x耶夫基于Fick 第一擴(kuò)散定律與CO2在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散和吸收的特點(diǎn)推導(dǎo)出碳化的理論模型[55]：

X 為時(shí)間t 時(shí)的碳化深度；Dco2為二氧化碳在混凝土內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Cco2為混凝土表面二氧化碳濃度，kg/m3；Mco2單位體積混凝土的二氧化碳吸收量，kg/m3；t 為碳化時(shí)間，s。

Papadakis 模型[56]：有效擴(kuò)散系數(shù)；CH、CSH分別為混凝土中氫氧

式中：De,CO2為CO2在完全碳化混凝土中的化鈣與水化硅酸鈣的含量，mol/m3；εc為碳化后混凝土的總孔隙率；RH 為環(huán)境相對(duì)濕度，%。

張譽(yù)等[57]在普通混凝土碳化模型的基礎(chǔ)之上，引入再生混凝土抗壓強(qiáng)度作為影響因素，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得到再生混凝土碳化預(yù)測(cè)模型：

式中：，C0是CO2濃度，%；Kks是工作應(yīng)力影響系數(shù)，受拉時(shí)取1.1，受壓時(shí)取1.0；T 為環(huán)境溫度，℃；為再生混凝土抗壓強(qiáng)度MPa；t為碳化時(shí)間，d。

耿歐等[45]考慮再生粗骨料取代率等因素的影響，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到了再生混凝土碳化模型：

式中：KW/C,KR, KT,KC分別為水灰比影響系數(shù)、再生粗骨料取代率影響系數(shù)、溫度影響系數(shù)、CO2濃度影響系數(shù)。

董偉等[34]在考慮粉煤灰替代普通硅酸鹽水泥基礎(chǔ)上，建立了再生混凝土碳化模型：

式中：CFA為粉煤灰摻量；t 為碳化時(shí)間，d。

肖建莊等[58]提出的模型基礎(chǔ)上，考慮再生粗骨料的影響并結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究的28 組數(shù)據(jù)回歸得到再生混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型為：

式中：gRC為再生粗骨料影響系數(shù)；RH 為相對(duì)濕度，%。RH>55%時(shí)適用；w/c 為水灰比；C 為單方混凝土水泥用量，kg/m3；γHD為水化程度修正系數(shù)，90 d 養(yǎng)護(hù)取1.0，28 d 養(yǎng)護(hù)取0. 85；γc為水泥品種修正系數(shù)，硅酸鹽水泥為1.0，其他種類取γc=1-摻合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)；t 為碳化時(shí)間，d。

肖文廣等[30]提出的模型基礎(chǔ)上，考慮原始混凝土強(qiáng)度和再生混凝土強(qiáng)度比，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到再生混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型為：

4 展望

有關(guān)再生混凝土碳化的試驗(yàn)研究已經(jīng)取得了豐富的成果，但在一些結(jié)論的定性分析上仍存在分歧，同時(shí)缺少以再生混凝土結(jié)構(gòu)為對(duì)象的研究，難以得到能夠在實(shí)際工程當(dāng)中運(yùn)用的碳化模型與評(píng)估方法。結(jié)合文章中的問(wèn)題，對(duì)未來(lái)研究方向做出以下幾點(diǎn)展望：

（1）碳化機(jī)理研究。深入分析再生粗、細(xì)骨料的宏、微觀結(jié)構(gòu)特性，探究其對(duì)再生混凝土碳化機(jī)理的影響，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的改變來(lái)解釋再生骨料對(duì)碳化性能的影響機(jī)理。

（2）碳化模型修正。在已有的碳化模型基礎(chǔ)上，基于理論、實(shí)驗(yàn)和模擬對(duì)模型進(jìn)行修正，使其更加接近再生混凝土結(jié)構(gòu)的服役情況，該思路更具研究和推廣價(jià)值。

（3）碳化性能改善。通過(guò)物理、化學(xué)或生物方法研究出再生混凝土防碳化技術(shù)，減少和延緩碳化的出現(xiàn)及發(fā)展從而提高再生混凝土的耐久性。

（4）碳化性能評(píng)估方法研究。針對(duì)再生混凝土碳化性能評(píng)估方法泛化不足的現(xiàn)狀，整理碳化數(shù)據(jù)庫(kù)，依靠機(jī)器學(xué)習(xí)建立一套全面可靠的再生混凝土碳化性能的評(píng)估方法。

5 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展再生混凝土碳化的試驗(yàn)研究，對(duì)預(yù)防碳化造成的結(jié)構(gòu)損傷起著重要作用。再生混凝土與普通混凝土的碳化過(guò)程類似，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)著重研究再生骨料自身缺陷造成的再生混凝土與普通混凝土碳化性能間的差異，從而更具針對(duì)性地對(duì)再生混凝土碳化性能進(jìn)行改善，使其能夠滿足實(shí)際工程的需求。最后值得一提的是，碳化并非毫無(wú)益處，合理利用碳化填充再生混凝土微裂縫的正面效應(yīng)，將為建筑業(yè)的低碳發(fā)展提供重要幫助。