肖前慧　郭欣怡　邱繼生　武哲　師姍姍

摘 要：為研究再生骨料摻量對(duì)混凝土碳化性能的影響，用不同再生骨料質(zhì)量取代率為0、30%、50%的再生混凝土（分別記為RC0、RC30和RC50）分析不同取代率下混凝土碳化深度、抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，運(yùn)用掃描電鏡分析再生混凝土界面微觀形貌在不同碳化時(shí)間下的變化，通過(guò)顯微硬度儀對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)和分析，探討碳化作用下再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系。結(jié)果表明：再生骨料摻量越大抗壓強(qiáng)度越低，再生混凝土碳化深度越深；通過(guò)對(duì)比不同類型界面過(guò)渡區(qū)的抗碳化能力得出，老骨料老漿體界面＞骨料新漿體界面＞老漿體新漿體界面；再生骨料取代率30%的混凝土界面結(jié)構(gòu)更密實(shí)；再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀性能呈規(guī)律性變化，用界面過(guò)渡區(qū)寬度的變化表征宏觀性能的規(guī)律更為準(zhǔn)確。說(shuō)明碳化對(duì)不同再生骨料摻量混凝土的界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果不同，再生骨料摻量越大的混凝土抗碳化性能越差，且用微觀結(jié)構(gòu)的變化可以很好地解釋宏觀性能的變化。

關(guān)鍵詞：再生骨料摻量；再生混凝土；碳化；顯微硬度；界面過(guò)渡區(qū)

中圖分類號(hào)：TU 528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-9315（2023）05-0972-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0514

Influence of recycled aggregate content on carbonation performance of concrete

XIAO Qianhui，GUO Xinyi，QIU Jisheng，WU Zhe，SHI Shanshan

（College of Civil and Architectural? Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to examine the impact ?of recycled aggregate content on the carbonation performance of concrete，the influence of different replacement rates of recycled aggregate quality on the carbonation depth and compressive strength of concrete was analyzed by using recycled concrete with different replacement rates of 0，30% and 50%（denoted as RC0，RC30 and RC50，respectively）.Scanning electron microscopy was used to explore the changes of interfacial microstructure of recycled concrete under different carbonation time，and the microhardness value of interfacial transition zone was detected and analyzed by microhardness tester.The relationship between microstructure and macroscopic properties of recycled concrete under carbonation was studied.The results show that the larger the recycled aggregate content，the lower the compressive strength and the deeper the carbonation depth of recycled concrete.By comparing the anti－carbonization ability of different types of interfacial transition zones，it is concluded that the old aggregate old slurry interface>aggregate new slurry interface>old slurry new slurry interface;the interface structure of concrete with 30% replacement rate of recycled aggregate is more compact.The microstructure of recycled concrete and its macroscopic properties change regularly，and it is more accurate to characterize the macroscopic properties with the change of the width of the interface transition zone.The research indicates that carbonization has different effects on the interface structure optimization of concrete with different recycled aggregate content.The larger the recycled aggregate content，the worse the carbonation resistance of concrete，and the change of microstructure can give a clear explaination the change of macro performance.

Key words：recycled aggregate content;recycled concrete;carbonation;microhardness;interface transition zone

0 引 言

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，再生混凝土作為一種新型綠色建材具有良好的發(fā)展前景[1]，再生粗骨料由廢棄混凝土破碎分解生成，大部分再生骨料表面附著舊砂漿，使得再生骨料吸水率、壓碎值和孔隙率變大，從而使得強(qiáng)度降低[2]。耐久性問(wèn)題是再生混凝土研究的重要方向，抗碳化性是耐久性研究的重點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在進(jìn)行相關(guān)研究，期待將再生混凝土運(yùn)用到實(shí)際工程之中?；羝G華等經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入的再生骨料取代率為30%時(shí)，再生骨料混凝土的碳化性能不會(huì)發(fā)生大的變化[3]；SAGOE－CRENTSIL等經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)再生混凝土全部被取代時(shí)，碳化速率會(huì)比普通混凝土快10%[4]。BUYLE－BODIN等為研究再生骨料特性，選用再生粗細(xì)骨料全部取代天然骨料，發(fā)現(xiàn)在配合比相同時(shí)，碳化速率是普通混凝土的3倍[5]；雷斌等研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土碳化速率不但與再生骨料摻量有關(guān)，還與再生骨料本身的強(qiáng)度有關(guān)，在碳化后期混凝土的碳化速率還會(huì)隨碳化時(shí)間延長(zhǎng)而降低[6]；李秋義等為研究再生混凝土碳化作用下的界面過(guò)渡區(qū)變化情況，建立了多重界面的模型，使得再生混凝土界面研究更有針對(duì)性[7]；王忠星等研究了不同強(qiáng)度等級(jí)再生骨料構(gòu)成的多重界面在碳化作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化[8]；朱從香等研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)浸泡法能夠修復(fù)再生混凝土的微裂縫，改善骨料的界面結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化再生粗骨料，增強(qiáng)了抗碳化能力[9]。

現(xiàn)有關(guān)于再生混凝土抗碳化性能的研究主要集中在宏觀性能或微觀結(jié)構(gòu)變化上，而微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀性能變化相結(jié)合的分析領(lǐng)域幾乎是空白。對(duì)不同取代率的再生混凝土進(jìn)行了碳化試驗(yàn)，從宏觀性能方面分析了再生混凝土碳化深度隨碳化時(shí)間的變化規(guī)律，以及再生骨料取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響；在微觀結(jié)構(gòu)方面采用顯微硬度儀研究了不同碳化時(shí)間、相同碳化深度下再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度值的變化。分析碳化時(shí)間、再生骨料摻量等因素對(duì)界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的影響，從顯微硬度值變化和界面過(guò)渡區(qū)寬度的變化揭示混凝土碳化機(jī)理，進(jìn)一步分析宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用上海海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O42.5R水泥（表1）。

天然細(xì)骨料采用灞河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5。

天然粗骨料是產(chǎn)自耿鎮(zhèn)的碎石，根據(jù)規(guī)范GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》其粒徑分布范圍5～25 mm（表2）。

再生粗骨料是采用廢棄混凝土經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單破碎制成，根據(jù)規(guī)范GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，粒徑分布范圍在5～31.5 mm，級(jí)配良好（表3）。

外加劑為減水劑，減水劑使用Q8011HPWR高性能減水劑。

拌合水為為飲用自來(lái)水。

1.2 試樣制備與養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)參照規(guī)范JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和規(guī)范GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》確定再生混凝土的配合比（表4）。

根據(jù)規(guī)范GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將按比例稱量好的粗骨料、細(xì)骨料、膠凝材料、等比例的外加劑和水依次放入混凝土攪拌機(jī)中攪拌，制成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)鋼膜成型，振搗臺(tái)振搗密實(shí)，帶模養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 碳化深度試驗(yàn)方法

對(duì)每組試樣在碳化3，7，14和28 d時(shí)測(cè)量其碳化深度。由于本試驗(yàn)使用的是立方試塊，因此取下3組具有相應(yīng)碳化時(shí)間的試塊，并在碳化表面的中部進(jìn)行劈裂。在劈裂面上噴灑1%濃度的酚酞酒精溶液，等待約30 s后，在碳化面上每隔10 mm測(cè)量混凝土的碳化深度作為測(cè)量點(diǎn)。碳化深度值是每組3個(gè)試塊的平均碳化深度。

1.4 顯微硬度儀試驗(yàn)方法

材料硬度可以很好地反映出材料彈塑性變形的特性，且根據(jù)材料的硬度可以近似

估算出材料的強(qiáng)度，因此硬度是反應(yīng)材料性能的一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。本試驗(yàn)采用的HVS—1000Z顯微硬度計(jì)是通過(guò)維氏硬度來(lái)對(duì)混凝土界面顯微硬度進(jìn)行測(cè)試。處理得到的數(shù)據(jù)后得到顯微硬度標(biāo)準(zhǔn)值范圍，以標(biāo)準(zhǔn)值下限做界面過(guò)渡區(qū)的界限值。以所測(cè)顯微硬度值減去界限值，數(shù)據(jù)為負(fù)數(shù)則表明該區(qū)域的顯微硬度值低于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域的下限值，判定該區(qū)域?yàn)榻缑孢^(guò)渡區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生混凝土宏觀特征

2.1.1 再生混凝土碳化深度

碳化深度可以直觀的反映混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境的變化，便于預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，它是評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性的重要指標(biāo)之一。碳化28 d的再生混凝土（圖1），采用酚酞酒精溶液作為指示劑測(cè)量碳化深度（未碳化的變成紅色，已碳化的不變色），可以看出隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土紅色區(qū)域越少，說(shuō)明碳化的深度越深。

通過(guò)碳化深度隨時(shí)間變化規(guī)律可以看出，隨著碳化時(shí)間的增長(zhǎng)碳化深度在增加（圖2）。與RC0混凝土相比，碳化3，7，14和28 d后，RC30組和RC50組再生混凝土的碳化深度分別增加了36%，6.8%，12.2%，13.1%和53.4%，21.1%，35.8%，31.2%。說(shuō)明再生骨料取代率越大抗碳化性能越差，這是因?yàn)樵偕炷林袚郊拥脑偕橇媳砻嬗兴嗌皾{以及生產(chǎn)中造成的微裂縫，二氧化碳?xì)怏w通過(guò)孔隙和裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部。所以隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土裂縫和孔隙越多二氧化碳擴(kuò)散越深。

2.1.2 再生混凝土抗壓強(qiáng)度

從不同碳化時(shí)間后再生混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律看出，碳化28 d后與RC0混凝土對(duì)比，RC30和RC50再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別降低了15.5%和24.1%。RC0、RC30和RC50混凝土的抗壓強(qiáng)度分別比碳化前提高了2%，14%和15%，可以看出取代率超過(guò)30%后的混凝土抗壓強(qiáng)度的增加幅度減小。碳化后的再生混凝土內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的物質(zhì)來(lái)填充混凝土的孔隙，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[10]。碳化初期再生骨料內(nèi)部存在許多微裂縫，碳化產(chǎn)物充分填充了混凝土的孔隙，因此取代率為30%混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)發(fā)生顯著變化。當(dāng)再生骨料取代率為50%時(shí)，碳化生成物無(wú)法填充較大的孔隙，所以抗壓強(qiáng)度增幅有所下降（圖3）。

2.2 再生混凝土微觀特征

2.2.1 再生混凝土微觀形貌

分別從RC0組和RC50組混凝土碳化28 d后微觀界面特征看出（圖4，圖5），RC0組混凝土碳化28 d后，骨料與漿體結(jié)合的比較緊密，這是因?yàn)樘蓟蠼缑孢^(guò)渡區(qū)內(nèi)堆積大量的CaCO3顆粒（圖4（c）），填充了界面微小孔隙，界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)變得致密起來(lái)[11]，RC50組混凝土碳化28 d后，骨料和漿體之間的裂縫增加，大量的CaCO3晶體存在于界面過(guò)渡區(qū)的裂縫當(dāng)中無(wú)法完全填充孔隙和裂縫的空間，使得連通孔隙增多（圖5（c）），界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)變得疏松[12]。

2.2.2 碳化時(shí)間對(duì)顯微硬度的影響

由3種界面不同碳化時(shí)間下顯微硬度可知（圖6），從碳化3～28 d，再生骨料摻量為30%的老骨料老漿體界面、骨料新漿體界面和老漿體新漿體界面過(guò)渡區(qū)最低顯微硬度值分別從33～59 N/mm2、28～48 N/mm2以及從33～51 N/mm2，界面過(guò)渡區(qū)寬度分別從46～30 μm，降低了34%、從63～47 μm，降低了25%以及從47～39 μm，降低了17%。

老骨料老漿體界面寬度較小但寬度降低幅度大，是由于老骨料老漿體界面水化齡期長(zhǎng)水化產(chǎn)物豐富，過(guò)渡區(qū)密實(shí)程度相對(duì)較高[13]，受熱膨脹及再生骨料制備工藝的影響，存在更多的微裂紋[14]。有利于二氧化碳?xì)怏w向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散與Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量CaCO3顆粒填補(bǔ)細(xì)微裂縫增大結(jié)構(gòu)密實(shí)程度。骨料新漿體界面在水化過(guò)程中的邊壁效應(yīng)，使得Ca2+和SO2-4等離子在骨料新漿體界面過(guò)渡區(qū)富集，界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)比較疏松[15]，因此前期的界面過(guò)渡區(qū)寬度最寬。界面過(guò)渡區(qū)的寬度隨著碳化時(shí)間的增長(zhǎng)在水泥水化和碳化產(chǎn)物改善結(jié)構(gòu)的作用下降低，因而骨料新漿體界面受碳化作用的影響較為明顯。老漿體新漿體材料性質(zhì)相似，開(kāi)始時(shí)新漿體顯微硬度略低于老漿體，但碳化28 d后相差不大。是因?yàn)閯傞_(kāi)始新漿體水化不充分，結(jié)構(gòu)較為疏松，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)水化程度增加以及碳化作用的影響使其顯微硬度相差不大。老漿體與新漿體界面孔隙率較小，結(jié)合緊密所以界面過(guò)渡區(qū)寬度小，受碳化影響程度低，碳化效果不明顯[16-17]。通過(guò)比較3類界面過(guò)渡區(qū)受碳化影響程度，可以知道老骨料老漿體界面〉骨料新漿體界面〉老漿體新漿體界面。

2.2.3 再生骨料摻量對(duì)顯微硬度的影響

通過(guò)碳化28 d后3種界面顯微硬度看出。老骨料老漿體界面和老漿體新漿體界面中RC30組和RC50組界面過(guò)渡區(qū)寬度分別約為30，31 μm和39，41 μm，界面過(guò)渡區(qū)最低顯微硬度值分別為59，56 N/mm2和51，50 N/mm2。骨料新漿體界面RC0組、RC30組和RC50組界面過(guò)渡區(qū)最低顯微硬度值分別為46，48 N/mm2和44 N/mm2，界面過(guò)渡區(qū)寬度約為42，47 μm和50 μm。碳化28 d后3種界面不同摻量的再生混凝土中同類界面顯微硬度值相差不大，但是RC30組整體微觀界面結(jié)構(gòu)較RC50組好（圖7）。

這是因?yàn)椴煌慕M的再生混凝土取材一樣，只改變?cè)偕橇系娜〈?，所以同類界面顯微硬度變化趨勢(shì)大致相同。又由于再生骨料具有孔隙率大、低密度和裂縫多的缺點(diǎn)

[18-19]，所以隨著再生骨料摻量的增加，使得再生混凝土中碳化生成的產(chǎn)物對(duì)界面的優(yōu)化作用小于孔隙和裂縫對(duì)界面結(jié)構(gòu)的劣化作用。所以在碳化28 d后RC30組的顯微硬度值高于RC50組。

2.3 宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

2.3.1 碳化深度與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

將RC30組碳化深度隨時(shí)間的變化規(guī)律（圖2）和RC30組微觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（圖8）。

在碳化14 d后界面過(guò)渡區(qū)寬度和碳化深度變化速率均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，且變化速率都減小。再生混凝土碳化深度的變化與界面過(guò)渡區(qū)寬度的變化相反。碳化初期界面過(guò)渡區(qū)寬度減小較快是因?yàn)榇藭r(shí)混凝土內(nèi)部孔隙和微裂縫較多，二氧化碳的擴(kuò)散速率快[20]，生成的碳化產(chǎn)物快速將孔隙填充。碳化14 d后寬度保持穩(wěn)定的原因是填充效果達(dá)到最大[21-22]。同時(shí)碳化后期老骨料老漿體界面過(guò)渡區(qū)寬度略有減小，表明微觀結(jié)構(gòu)中仍有空間填充碳化產(chǎn)物。從宏觀角度來(lái)看，這也是對(duì)碳化14 d后碳化深度仍有增長(zhǎng)但是增長(zhǎng)速率有所減緩進(jìn)行說(shuō)明。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

通過(guò)比較RC30組微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與RC30組抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律（圖3），

可以看出抗壓強(qiáng)度與再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度以及界面過(guò)渡區(qū)寬度的關(guān)系（圖9）。碳化后再生混凝土抗壓強(qiáng)度與界面顯微硬度的變化趨勢(shì)相同而與界面過(guò)渡區(qū)寬度的變化趨勢(shì)相反。界面過(guò)渡區(qū)為混凝土性能的薄弱點(diǎn)。從抗壓強(qiáng)度與再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度看出（圖9（a）），碳化后，界面過(guò)渡區(qū)總體密實(shí)度提升，改善了該薄弱點(diǎn)，增強(qiáng)了總體力學(xué)性能。當(dāng)界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度增幅減小后，再生混凝土力學(xué)性能增幅也隨之下降，其變化幅度接近。從抗壓強(qiáng)度與再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)寬度可以看出（9（b）），碳化14 d后界面過(guò)渡區(qū)寬度的減小速度減慢，表明碳化對(duì)再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的改善作用減弱[23-25]。但其相反的變化趨勢(shì)更容易看出再生混凝土抗壓強(qiáng)度變化的原因。所以界面過(guò)渡區(qū)的寬度變化可以更好地表征宏觀性能的變化。

3 結(jié) 論

1）RC0、RC30 和 RC50 組混凝土抗壓強(qiáng)度相比碳化前都有所提高，說(shuō)明碳化可以增強(qiáng)再生混凝土強(qiáng)度。

2）再生混凝土的不同界面經(jīng)碳化作用后界面過(guò)渡區(qū)變化幅度不同。老骨料老漿體界面抗碳化性遠(yuǎn)強(qiáng)于骨料新漿體界面、老漿體新漿體界面。

3）再生骨料取代率越大混凝土的界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化性能越低，所以再生骨料摻量為30%時(shí)微觀界面結(jié)構(gòu)整體較摻量為50%好。

4）再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度和過(guò)渡區(qū)寬度隨碳化深度和抗壓強(qiáng)度的變化而變化。微觀結(jié)構(gòu)的變化可以有效地解釋宏觀性能的變化，使用界面過(guò)渡區(qū)寬度的變化來(lái)表征宏觀性能的規(guī)律更準(zhǔn)確。

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（責(zé)任編輯：李克永）

收稿日期：2023-06-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42071100，51508461）

通信作者：肖前慧，女，四川達(dá)州人，博士，副教授，E－mail：xiaohui_99@126.com