摘要:采用正交试验的方法研究了温度、 水灰比、 粗骨料取代率和水泥用量 4 个因素对再生混凝土碳化深度的影响规律 . 结果表明: 温度是影响再生混凝土碳化的主要因素, 其次为水灰比、 水泥用量及粗骨料取代率; 再生混凝土碳化深度随时间的增加而增大, 随水灰比的增大、 粗骨料取代率的增加而减小 . 在此基础上, 通过实验数据的回归分析建立了再生混凝土碳化深度的预测模型 . 预测模型计算结果与试验数据对比分析表明, 该预测模型所选相关参数合理, 能较好地预测普通大气环境下再生混凝土的碳化深度 .

关键词:再生混凝土;碳化深度;预测模型;正交试验

近年来, 城市中建筑垃圾的产生数量快速增长,传统的建筑垃圾露天堆放或者简易填埋的处理方式既对环境造成了污染, 同时也是资源的巨大浪费 . 再生混凝土技术可以减少天然砂石开采对环境的破坏以及废弃混凝土对环境的污染, 对混凝土技术走向可持续发展的道路有着十分重要的意义, 已成为混凝土研究领域的热点 [1 ] .但普通混凝土的实际使用经验表明, 环境因素作用下混凝土耐久性退化会带来巨大的经济损失 [2 - 3 ] .因此, 在再生混凝土结构大规模应用前, 再生混凝土耐久性的研究也将成为必然 . 碳化是影响混凝土耐久性的重要因素之一, 现有的研究表明, 再生混凝土的抗碳化性能比同等条件下的普通混凝土要低一些 [4 - 6 ] , 但这些研究大多没有考虑环境温度对再生混凝土碳化性能的影响, 并且研究成果还主要停留在定性的结论阶段 [7 - 9 ] ; 定量的再生混凝土碳化深度计算模型的研究还较少 [1 0 ] .本文综合考虑温度、 水灰比、 粗骨料取代率和水泥用量4 个因素对再生混凝土碳化深度的影响, 通过回归分析建立了再生混凝土碳化深度的预测模型 .

1  试验概况

1. 1  试验材料将尺寸较大的废弃混凝土块经人工破碎到合适的大小, 再经颚式破碎机破碎, 将破碎得到的骨料进行筛分, 收集粒径为 5~2 5mm 的骨料作为再生粗骨料 . 天然粗骨料采用粒径为 5~2 5mm 的碎石 . 天然粗骨料及再生粗骨料的主要性能指标见表1. 水泥采用 P · O4 2. 5 级普通硅酸盐水泥, 细骨料采用天然中砂 .表 1  粗骨料的基本性能T a b l e1 T h eb a s i cp r o p e r t i e so f t h ec o a r s ea g g r e g a t e骨料种类粒径/mm表观密度/(g · c m -3 )含水率/%吸水率/%压碎指标/ %天然粗骨料5~2 5 2. 7 1 0. 8 1 0. 5 7 1 1. 5 2再生粗骨料5~2 5 2. 4 5 2. 1 2 4. 4 5 1 5. 2 4

1. 2  试验方法

试验采用 1 6 组 1 0 0mm×1 0 0mm×3 0 0mm的棱柱体试件, 使用四水平五因素的正交试验设计方法, 试件设计及分组见表 2 , 参照《 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 ( G B / T5 0 0 8 2 —2 0 0 9 ) 中的碳化试验方法测试混凝土试件 3 , 7 , 1 4及 2 8d 的碳化深度 . 图 1 为任取其中一组碳化试件, 对比 3 ,7 , 1 4 , 2 8d 的碳化深度 .表 2  再生混凝土碳化试验分组T a b l e2 S p e c i m e ng r o u p so fC a r b o n a t i o nf o r r e c y c l e dc o n c r e t e试验组别 水灰比粗骨料取代率/ %水泥用量/(k g· m -3 )温度/℃A 1 0. 4 5 0 3 0 0 1 0A 2 0. 4 5 3 0 3 5 0 2 0A 3 0. 4 5 7 0 4 0 0 3 0A 4 0. 4 5 1 0 0 5 0 0 4 0B 4 0. 5 0 0 3 5 0 4 0B 3 0. 5 0 3 0 3 0 0 3 0B 2 0. 5 0 7 0 5 0 0 2 0B 1 0. 5 0 1 0 0 4 0 0 1 0C 2 0. 5 5 0 4 0 0 2 0C 1 0. 5 5 3 0 5 0 0 1 0C 4 0. 5 5 7 0 3 0 0 4 0C 2 0. 5 5 1 0 0 3 5 0 3 0D 3 0. 6 0 0 5 0 0 3 0D 4 0. 6 0 3 0 4 0 0 4 0D 1 0. 6 0 7 0 3 5 0 1 0D 2 0. 6 0 1 0 0 3 0 0 2 0注: 编号中 A , B , C , D 分别表示水灰比为 0. 4 5 , 0. 5 0 ,

2  试验结果与分析

2. 1  水灰比对再生混凝土碳化深度的影响和普通混凝土相似, 再生混凝土碳化也是由于外界二氧化碳通过孔隙等进入再生混凝土内部与碱性物质发生反应生成难溶于水的碳酸化合物的过程 . 随着龄期的不断增加, 二氧化碳会不断的同再生混凝土中碱性物质发生反应而增加其碳化深度, 但是在反应的过程中, 由于吸收二氧化碳和水, 使得再生混凝土内部原本的体积增大将一些孔隙填实, 增强了再生混凝土的密实度, 使二氧化碳进入再生混凝土内部的阻力增大, 减小了再生混凝土的碳化速率, 增大了再生混凝土本身的抗碳化性能, 所以随着时间的增加, 再生混凝土的碳化速率会越来越从图 2 可以看出: 再生混凝土碳化深度随着水灰比的增加而增加, 并且再生混凝土碳化深度曲线随水灰比的增加而越来越平缓, 通过曲线估计, 再生混凝土碳化深度与水灰比呈幂函数的关系, 根据实验数据, 拟合得到水灰比、 碳化时间与再生混凝土碳化深度的关系式为Y =1 3. 1 2 4 ( W / C )1. 2 8 2t0. 3 5 2 ,(1 )式中:Y 为水灰比因素影响下再生混凝土碳化深度, mm ;t 为碳化时间, d ; W / C 为水灰比 .

2. 2  粗骨料取代率对再生混凝土碳化深度的影响图 3 为不同粗骨料取代率情况下再生混凝土碳化深度的比较, 可以看出: 粗骨料取代率越大, 再生混凝土碳化深度越大 . 这主要是由于在粗骨料的表面附着着大量水泥浆, 增加了混凝土的孔隙率, 减小了混凝土的密实度, 所以粗骨料取代率越高,其本身密实度越小, 碳化深度越大, 但随着时间的增加, 碳化反应的进行, 混凝土密实度增加, 减缓了碳化速率 .根据再生混凝土中再生粗骨料取代率对碳化深度的影响的试验数据进行回归分析, 拟合得到粗骨料取代率、 碳化时间与碳化深度的关系式为Y = ( 0. 5 5 4 R c +5. 4 8 3 ) t0. 3 5 1 ,(2 )式中 R c 为粗骨料取代率

2. 3  水泥用量对再生混凝土碳化深度的影响图 4 为不同水泥用量下再生混凝土碳化深度比较 .图 4  不同水泥用量下再生混凝土碳化深度F i g . 4 C o m p a r em e a n so f c a r b o n a t i o nd e p t ho fr e c y c l e dc o n c r e t e i nd i f f e r e n t c e m e n t c o n t e n t从图 4 中可以看出: 当水泥用量为 3 0 0~3 5 0k g时, 随着水泥用量的增加, 再生混凝土抗碳化能力会有一定的提高, 其主要原因是水泥作为一种胶凝材料, 不仅能够密实混凝土内部空间, 而且水泥在水化过程中产生的碱性物质起到了重要的抗碳化作用, 所以随着水泥用量的增加, 再生混凝土越密实, 产生的水化物越多, 其本身的碱性越强, 抗碳化能力也越强 . 而当水泥用量为 3 5 0~5 0 0k g 时,随着水泥用量的增加, 再生混凝土的抗碳化性能略有降低 . 上述试验现象的主要原因是: 在水灰比一定的情况下, 水泥用量越大, 水的用量也越大, 沙石等其他材料的用量会随之减少, 未参加水化反应的剩余水量也越多, 剩余水量在被蒸发的过程中留下的孔隙也就越多 . 同时随着用水量的增加, 在搅拌过程中会产生过多的水泥浆导致再生混凝土的和易性、 保水性等性能变差, 从而影响再生混凝土的密实度, 导致二氧化碳有更多的通道进入混凝土内部与水泥水化物反应, 所以当水泥用量增加到一定程度时, 抗碳化能力略有降低 . 因此, 考虑实际工程中水泥的用量范围和模型拟合度, 得到水泥用量、龄期与碳化深度的关系式为Y =1 3. 0 0 9 C -0. 1 3 7 t0. 3 5(C ≤3 5 0 ) ,0. 5 3 3 C0. 3 9 5t0. 3 3 4(C >3 5 0{) ,(3 )式中 C 为水泥用量, k g .

2. 4  温度对再生混凝土碳化深度的影响图 5 为不同温度下再生混凝土碳化深度比较,从中可以看出: 温度为 1 0~2 0℃ 时, 随着温度的升高, 碳化深度增加, 这主要是由于在 2 0 ℃ 以下时,随着温度的升高, 分子的热运动加快, 二氧化碳的扩散速率增加, 也就是说单位时间内进入混凝土内部的二氧化碳含量增加, 从而增加了再生混凝土的碳化深度 . 而 2 0~3 0℃ 时, 二氧化碳在水中的溶解度降低对碳化的影响大于了其他两个因素的影响 .3 0℃ 以后, 温度过高, 混凝土内部游离态水蒸发过多, 致使混凝土孔隙率增大, 导致碳化深度增加 . 因此, 碳化深度随着温度的变化曲线都经历了一个先增大后减小再增大的过程, 从图形来看, 较为符合三次函数关系 . 根据实验数据对再生混凝土在不同温度下对碳化深度影响的均值进行非线性回归, 拟合得到温度、 碳化时间与碳化深度的关系为Y = [ 1 1. 8 3 4 ( T / 2 0 )3 -4 5. 0 2 8 (T / 2 0 )2 +5 1. 8 9 2 ( T / 2 0 ) -1 1. 8 0 6 ] t0. 3 6 1 ,(4 )式中 T 为碳化温度, ℃.

2. 5  极差分析与方差分析极差、 方差分析是把观测总变异的平方和及自由度分解为对应于不同变异来源的平方和及自由度, 以此获得不同来源变异的估计值, 从而发现各个因素在变异中的重要程度 . 其实质上是关于观测变异原因的数量分析, 在很大程度上能够弥补直观分析产生的误差 . 根据上述试验结果, 对各影响因素进行极差分析和方差分析, 方差分析结果见图6. 极差、 方差越大, 说明该因素对碳化深度影响越显著 . 从图 6 可以看出, 碳化龄期一定时, 温度对再生混凝土碳化深度影响最大, 水灰比次之, 粗骨料取代率对混凝土碳化的影响最小, 说明温度是影响混凝土碳化的最主要因素 .

3  再生混凝土碳化深度预测模型现有普通混凝土碳化深度预测模型都是在碳化深度与时间的关系上乘以了一个关于一个或者多个因素的常系数 [1 1 - 1 3 ] .目前国内外对于再生混凝土碳化速率的研究还不够深入, 再生混凝土碳化深度预测模型较少, 故本文根据普通混凝土现有模型结合实验实测数据, 建立再生混凝土碳化深度预测模型为Y = K W / C K R K T K C C 0 t ,(5 )式中: K W / C 为水灰比影响系数;K R 为粗骨料取代率影响系数; K T 为温度影响系数;K c 为水泥用量影响 系 数; C 0 为 二 氧 化 碳 浓 度, 本 实 验 设 定 为2 0%.根据前面的各单因素影响规律的分析, 并将实验数据进行回归分析, 得出再生混凝土碳化深度预测模型为Y =0. 8 2 3 ( W / C )1. 1 6 7 (0. 0 2 9 R C +1. 0 6 2 ) ×0. 8 2 1 C0. 4 3 5 [2. 4 4 5 ( T / 2 0 )3 -9. 2 2 7×(T / 2 0 )2 +1 0. 5 2 1 (T / 2 0 ) -2. 2 8 6 ] t0. 3 4 2 ,(6 )式中:W / C 试验取值范围 0. 4 5~0. 6 ; C 试验取值范围 3 5 0~5 0 0k g ; T 试验取值范围 1 0~4 0℃.

4  模型计算结果与试验结果对比通过式(6 ) 所建立的再生混凝土碳化深度预测模型, 计算再生混凝土碳化深度, 将模型计算值与实测值进行对比如表 3 所示 . 表中正误差为实测值大于理论值, 负误差为理论值大于实测值 . 图 7 是以 A 3 组试件的碳化深度实测值与模型计算值的对比 . 由表 3 及图 7 可看出, 试件的碳化深度实测值与模型计算值相差不大, 预测模型拟合度较高 .

5  结 论

1 )再生混凝土抗碳化性能随着水灰比的增大而减小, 随着粗骨料取代率的增加而降低, 当水泥用量小于 3 5 0k g 时, 随着水泥用量的增加, 再生混凝土抗碳化性能增强; 当水泥用量大于 3 5 0k g 时,随着水泥用的了增加, 再生混凝土抗碳化性能有所降低 . 同时随着碳化龄期的增加, 再生混凝土碳化速率减小 . 2 ) 1 0~2 0 ℃ 情况下, 再生混凝土的抗碳化性能随着温度的增加而减小,2 0~3 0 ℃ 时, 抗碳化性能随着温度的增加而增大,3 0~4 0 ℃ 时, 抗碳化性能又随着温度的增加而减小 .3 )温度因素是影响再生混凝土碳化的主要因素, 其次为水灰比、 水泥用量及粗骨料取代率 .4 )再生混凝土碳化深度随时间的增加而增大, 经试验数据的回归分析, 考虑温度、 水灰比、 水泥用量及粗骨料取代率等因素, 再生混凝土碳化深度预测模型如式(6 ) 所示 .

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