基于加速碳化的可循环超高性能混凝土制备研究.pdf

晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂0引言超高性能混凝土（UHPC）是一种新型建筑材料，具有优异的抗压强度、抗拉强度、高韧性和高抗渗性能1-4。为了实现建筑材料的高性能化、绿色化及可持续化发展，需对 UHPC的可靠性和生态性进行进一步优化。首先，通过在 UHPC 中合理引入再生骨料以增强其骨架结构，并达到限制基体变形、降低早期收缩的目的，使 UHPC 具有更好的可靠性和经济性5-7。此外，为了进一步贴合可循环利用以及绿色环保等战略要求，本文将超高性能混凝土制备的再生 UHPC 骨料（C120R）纳入UHPC 体系中。为了提升 C120R 在 UHPC 中应用的稳定性和可靠性，对C120R 进行碳化增强制备碳化再生 UHPC 骨料（C120C）8-11，并利用最紧密堆积原理将 C120R 和 C120C 纳入 UHPC 设计体系，探究加速碳化对 C120R 性能的影响以及 C120R 和C120C 对 UHPC 各项性能的影响。基于加速碳化的可循环超高性能混凝土制备研究李兵1，杨腾宇2，刘浪1，舒本安2，邱文俊2（1.佛山市建盈发展有限公司，广东 佛山528000；2.佛山市交通科技有限公司，广东 佛山528000）摘要：提出了一种基于加速碳化的可循环超高性能混凝土（UHPC）制备方法。对强度达到 120 MPa 的 UHPC 砂浆试块进行破碎筛分得到再生 UHPC 骨料（C120R）；并利用碳化改性对其增强得到碳化再生 UHPC 骨料（C120C）；通过最紧密堆积原理将 C120R 和C120C 纳入 UHPC 设计体系，探究加速碳化对 C120R 性能的影响以及 C120R 和 C120C 对 UHPC 各项性能的影响。结果表明，加速碳化处理可明显优化 C120R 的压碎值，改善其表面力学性能；而利用 C120C 制备的 UHPC 的流动性降低，抗冲击性能基本稳定，抗压强度与体积稳定性略有下降。此外，加速碳化处理可以优化 UHPC 的孔结构。关键词：可循环超高性能混凝土；清洁建筑材料；加速碳化；碳化再生 UHPC 骨料中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）11-0053-05Research on the preparation of recyclable ultra-high performance concretebased on accelerated carbonizationLI Bing1，YANG Tengyu2，LIU Lang1，SHU Ben忆an2，QIU Wenjun2（1.Foshan Jianying Development Co.Ltd.，Foshan 528000，China；2.Foshan Transportation Science and Technology Co.Ltd.，Foshan 528000，China）Abstract：This study proposes a preparation method for recyclable ultra-high performance concrete（UHPC）based on acceler原ated carbonization.Firstly，recycled UHPC aggregates（C120R）were obtained by crushing and sieving UHPC mortar specimens withstrength of 120 MPa.Then，carbonized recycled UHPC aggregate（C120C）was obtained by using carbonization modification to en原hance C120R；On this basis，C120R and C120C were incorporated into the UHPC design system through dense packing theory，thereby exploring the impact of accelerated carbonization on the properties of C120R and the impacts of C120R and C120C on thevarious properties of UHPC.The results indicate that accelerated carbonization treatment can significantly optimize the crushing val原ue of C120R and improve the surface mechanical property of C120C.The flowability of C120C-UHPC decreases；the impact resis原tance is basically stable；and the compressive strength and volume stability slightly decrease.In addition，accelerated carbonizationtreatment can optimize the pore structure of UHPC.Key words：recyclable UHPC，clean building materials，accelerated carbonization，carbonized recycled UHPC aggregate基金项目：交通运输行业重点科技项目（2020-MS1-003）收稿日期：2023-06-13；修订日期：2023-10-07作者简介：李兵，男，1981 年生，硕士，高级工程师，E-mail：libing-。通讯作者：舒本安，博士，高级工程师，E-mail：。中国科技核心期刊53新型建筑材料圆园23援111实验1.1原材料水泥（C）：P O52.5 水泥，表观密度 3144 kg/m3，比表面积449 m2/kg，初、终凝时间分别为 125、210 min，3、28 d 抗压强度分别为 34.2、56.1 MPa，3、28 d 抗折强度分别为 6.6、9.0 MPa，华新水泥投资有限公司生产；硅灰（SF）：加密硅灰，埃肯公司生产；石粉（LP）：东莞新玛特公司生产。胶凝材料的化学成分如表 1 所示。砂（RS）：清洗干净后的普通河砂，表观密度 2630 kg/m3，由 3 种不同的连续粒径（00.6 mm，0.61.25 mm以及 1.252.36mm）的砂按 26颐59颐15 的质量比复合使用。石子：天然碎石（NA），粒径为 2.364.75 mm；再生骨料（C120R）：由强度为 120 MPa 的 UHPC 试块破碎筛分而来，粒径 2.364.75mm；碳化再生骨料（C120C）：将 C120R 放入碳化罐中碳化制备得到，具体碳化参数为；气压 0.3 MPa、温度 20 益、相对湿度50%、时间 24 h，具体制备流程如图 1 所示；减水剂：高性能聚羧酸系减水剂（SP），减水率达 35%，固含量 40%，武汉浩源新材料有限公司生产。水（W）：自来水。表 1胶凝材料的化学成分%图 1C120C 的制备流程1.2配合比通过 MAA 模型，UHPC 体系中的配合比设计如表 2 所示。表 2配合比设计kg/m31.3制备过程试样在行星搅拌机中制备，制备完成后在振动台上振动60 次后刮平，表面覆膜在温度为 20 益左右的条件下养护24 h 后拆模，再移入温度为（20依2）益，相对湿度不小于 95%的标准养护室养护至相应龄期。1.4测试方法（1）使用排液法和茶包法分别对骨料的表观密度和吸水率进行测试；压碎值测试按照 JTG E422005 公路工程集料试验规程 进行。（2）采用基于 EN1015-3 标准的坍落度流动试验来评价UHPC 的流动性能。（3）按照 EN 196-3 标准对 UHPC 的凝结时间进行测试，并评价 C120R 和 C120C 对凝结时间的影响。（4）抗压强度：新拌砂浆混合后倒入模具中，模具尺寸为40 mm伊40 mm伊160 mm。在温度为 20 益的喷水养护室内养护至 28 d，试验方法见 EN 196-1（2005）。（5）收缩测试：波纹管法用于确定 UHPC 的自收缩变化，使用半径为 2.5 mm、端距为 42 mm 的波纹管，测试环境温度为（20依2）益，相对湿度为（60依5）%，将 UHPC 的终凝时间定义为自收缩的起始点。（6）抗冲击性能测试：本研究的抗冲击采用自制的自由落锤实验来进行，实验装置如图 2 所示。按照式（1）计算冲击过程中的能量。W=Nmgh（1）其中：W冲击耗能，J；N冲击次数；m冲击锤质量，取 4.59 kg；g重力加速度，取 9.8 N/kg；h冲击锤下落的高度，取 0.448 m。图 2抗冲击实验装置示意（7）微观结构：使用低场核磁对 C120R-UHPC 和 C120C-UHPC 的微观孔结构进行分析。为了进一步研究C120C 对UHPC 中骨料和基体之间界面的影响，对试样进行了纳米压痕测试。项目CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgO Na2OP2O5SO3K2OLOIC64.93 19.20 4.183.321.610.090.093.350.782.49SF0.36 94.65 0.250.150.470.130.170.690.842.29LP54.06 0.190.080.092.89-0.010.02-42.62编 号CSFLPNA C120R C120CWSPNA-UHPC7211681035525540017035C120R-UHPC 7211681035520500017035C120C-UHPC 7211681035520050717035RS李兵，等：基于加速碳化的可循环超高性能混凝土制备研究54晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂在电磁波的作用下，水受到电磁波的作用。去除外部电磁波后，水分子的振动恢复到原来的状态。这个恢复时间称为弛豫时间。研究认为1，界面现象增强了孔隙中的流体弛豫，即流体分子与孔隙界面的相互作用导致了弛豫速率的变化。UHPC 本质上是一种含水多孔介质。核磁共振对UHPC 孔隙中水的研究可以借鉴其他多孔材料的核磁共振理论和方法。因此，UHPC 浆体中水分子的弛豫可归因于多孔介质中受限流体的弛豫，通过研究水在混凝土块体中的共振可以推断其孔隙分布。UHPC 试块切成 20 mm伊20 mm伊50 mm 大小的样品，真空饱水机饱和 20 h 后放入 Niumag MesoMR12-060H-1低场核磁共振分析仪中。设置参数如下：SW 为 250，RFD 为0.02，TE 为 0.1 ms，NECH 为 6000，TW 为3000，NS 为 16。2实验结果与分析2.1骨料的基本性能（见表 3）表 3骨料的基本性能由表 3 可以看出，相对于 C120R，C120C 的吸水率降低了11.11%、压碎值降低了 21.76%、表观密度提高了 1.34%。碳化对 C120R 吸水率和表观密度的优化并不明显，只对压碎值有明显的优化效果。这可以归因于 C120R 的结构致密，CO2难以渗透到骨料内部，限制了碳化反应对内部孔隙的优化。最终使得碳化处理只对骨料表面进行强化，使骨料获得了更加致密的外壳，增强了骨料的强度12。2.2骨料对 UHPC 浆体工作性能的影响（见表 4）表 4骨料对 UHPC 浆体工作性能的影响由表 4 可以看出：（1）C120R 的加入使 UHPC 的扩展度降低了 15.88%。而C120C 的加入使 UHPC 的扩展度降低了6.31%。可以看出再生骨料碳化处理对 UHPC 的流动性有一定的优化效果，但是C120C-UHPC 的流动性依旧要低于 NA-UHPC。（2）C120R 的加入明显缩短了 UHPC 的凝结时间，而C120C 的加入又明显延长了 UHPC 的凝结时间。原因在于，C120R 表面粗糙度大，具有较高的吸水率，使得早期参与水化的水量有所降低，并最终缩短了凝结时间。C120R 碳化后，吸水率有所降低，使得 UHPC 浆体凝结时间延长。2.3骨料对 UHPC 抗压强度的影响（见表 5）表 5骨料对UHPC抗压强度的影响由表 5 可以看出，与天然骨料相比，加入C120R 和 C120C的 UHPC 7 d 抗压强度分别提高了 4.01%、10.09%，28 d 抗压强度分别降低了 4.11%、2.50%。与 C120R 相比，C120C 可以进一步提高 UHPC 的抗压强度。这是由于在碳化过程中，C120R 表面形成了纳米碳酸钙。而 CaCO3比 C-S-H 凝胶具有更强的 Ca2+结合能力，这为 C-S-H 凝胶提供了大量的成核位点。碳酸钙对 C-S-H 凝胶成核的促进作用提高了新型砂浆与 C120C 界面之间的粘结强度13-15。2.4骨料对 UHPC 基体自收缩性能的影响（见表 6）表 6骨料对 UHPC 基体自收缩性能的影响由表 6 可以看出，加入 C120C 的 UHPC 的自收缩值最大，为 911.6 伊10-6，相对于加入 C120R 增大了 25.15%。原因有以下 2 点：首先，UHPC 自身基体非常致密，从而使得碳化对C120R 吸水率的优化效果并不明显，这就使得 C120R-UHPC基体和C120C-UHPC 基体中参与水化反应的总水量基本是一致的，不影响相对水胶比。其次，C120C 表面存在的碳化处理产生的纳米碳酸钙等活性物质，将会明显增大水化加速期的水化速率，提高 UHPC 基体的毛细孔负压，最终导致了C120C-UHPC 基体自收缩增大14。2.5骨料对 UHPC 抗冲击性能的影响（见表 7）表 7骨料对 UHPC 抗冲击性能的影响由表 7 可以看出，与天然骨料相比，加入 C120R 使 UHPC冲击破坏所需要的能量下降 49.92%，这将导致 UHPC 的抗冲击性能大幅度下降。而掺入 C120C 的 UHPC 试样冲击破坏所需要的能量与掺入天然骨料的 UHPC 试样基本一致。上述现象表明，高压碎值的 C120R 的加入导致了 UHPC 的抗冲击性能下降。而在进行碳化处理后，C120C 骨料的压碎值减小，使得 UHPC 的抗冲击性能与天然骨料 UHPC 相当。2.6UHPC 基体的微观结构通过纳米压痕试验，分析 C120R 和 C120C 对 UHPC 弹项 目NA-UHPCC120R-UHPCC120C-UHPC冲击能量/伊105J6.053.036.35项 目NAC120RC120C吸水率/%1.323.062.72表观密度/（g/cm3）2.472.232.26压碎值/%12.6416.8613.19项目NA-UHPCC120R-UHPCC120C-UHPC扩展度/mm初凝时间/min终凝时间/min239.3282317201.3260290224.2280310项 目NA-UHPCC120R-UHPCC120C-UHPC抗压强度/MPa7 d92.295.9101.528 d124.0118.9120.9项目NA-UHPCC120R-UHPCC120C-UHPC自收缩值/（伊10-6）690.0728.4911.6李兵，等：基于加速碳化的可循环超高性能混凝土制备研究55新型建筑材料圆园23援11性模量的影响，结果如图 3 所示。图 3（a）为纳米压痕试验的位置选择和数据处理方法，并在图中添加一条平均线进行统计分析，图 3（b）为 C120R 和 C120C 与 UHPC 基体之间 ITZ区域的弹性模量对比。图 3C120R 和 C120C 对 UHPC 弹性模量的影响由图 3 可以看出，C120R 与 UHPC 基体之间的界面弹性模量小于 C120R 与 UHPC 基体的弹性模量，存在先减小后增大的界面过渡区。同时，与 C120R-UHPC 基体相比，C120C-UHPC 基体的 ITZ 平均弹性模量分别提高了 12.16%，消除了C120R 引起的部分界面缺陷。这是因为经过碳化处理后，C120C 表面存在纳米碳酸钙，这些活性物质可以促进 C120C表面水泥的水化，提高 C120C 与 UHPC 基体之间 ITZ 的平均弹性模量16。此外，碳化处理有利于改善 C120R 与 UHPC 基体之间的界面，从而直接改善 UHPC 的力学性能。此外，为了分析 C120R 和 C120C 的加入对 UHPC 孔结构的影响，本研究采用低场核磁（LF-NMR）方法对 UHPC 基体进行测试，结果如图 4 所示。图 4骨料对 UHPC 孔结构的影响文献4中提出横向长度弛豫时间（T2）与孔隙大小成正比，而核磁信号强度（T2峰面积）代表孔隙率。通常，较大的核磁信号强度意味着 UHPC 基质的孔隙率较高。根据文献12可知，UHPC 中的孔隙可以分为凝胶孔、毛细孔和宏观孔，而凝胶孔和毛细孔的数量占总孔数的近 90%。与此同时，凝胶孔的 T2时间主要分布在 0.011.34 ms，毛细孔的 T2时间分布在 1.346.7 ms。一般在水泥基材料中凝胶孔和毛细孔的孔径范围为 110 nm 和 10100 nm。通过计算各个 T2时间段核磁信号的峰面积，分别计算出样品单位体积的凝胶孔与毛细孔的孔隙体积变化。不同骨料 UHPC 基体的毛细孔及凝胶孔的分布情况见表 8。表 8不同骨料 UHPC 基体的毛细孔及凝胶孔的分布由表 8 可以看出，与天然骨料相比，C120R 的加入使凝胶孔体积增加了 137.73%，毛细孔体积降低了 15.77%。加入C120C 的 UHPC 基体相对于加入 C120R 凝胶孔体积降低了10.22%，毛细孔体积降低了 70.18%。原因在于，C120R 属于砂浆骨料、自身结构中存在大量砂浆孔，而碳化对凝胶孔的优化也更难深入到骨料内部，使得 C120C-UHPC 凝胶孔体积没有明显降低。而砂浆骨料与基体的结合要优于天然骨料与基体的结合，减少了骨料与基体界面处的毛细孔体积，最终使得C120R-UHPC 基体的毛细孔体积低于天然骨料 UHPC。其次，碳化处理既优化了 C120R 自身的毛细孔又在骨料表面生成了纳米碳酸钙等活性物质对界面进行了强化，进一步减少了UHPC 基体中毛细孔体积。3结论（1）加速碳化处理对 C120R 的吸水率和表观密度的优化效果较弱，而对 C120R 的压碎值的优化效果则较为明显。（2）相较于使用天然骨料制备的 UHPC，利用 C120C 制备的 UHPC 的流动性能降低了 6.31%，抗冲击性能基本稳定，7 d 抗压强度提高 10.09%，28 d 抗压强度降低 2.50%。此外由于C120C 表面的碳化产物存在促进水化的作用，使得 C120C制备的 UHPC 的自收缩相对于加入 C120R 增大了 25.15%。（3）碳化处理提高了C120C 与基体的 ITZ 的弹性模量，改善了 UHPC 的表面力学性能。此外，加速碳化处理优化了UHPC 的孔结构，使凝胶孔和毛细孔体积较 C120R-UHPC 基体分别降低了 10.22%、70.18%。项 目NA-UHPCC120R-UHPCC120C-UHPC凝胶孔 T2峰面积118.0323.0290.0毛细孔 T2峰面积260.0219.065.3李兵，等：基于加速碳化的可循环超高性能混凝土制备研究56晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂（上接第 29 页）5结语随着建材行业各个细分行业绿色工厂评价标准的陆续发布实施，为行业开展绿色低碳工作提供了新的思路与方法。后期越来越多的建材生产企业会加入绿色工厂创建工作中来，行业节能减排、绿色低碳发展必将迎来新的高潮。但是，绿色发展，任重道远。创建绿色工厂 是一项长期任务，是企业迈向高质量发展的重要途径。在“碳达峰、碳中和”的历史趋势下，企业应以创建绿色工厂为契机，贯彻新发展理念，瞄准新方向，确立新目标，实施新技术，坚定信念、持续努力，在绿色转型的新征程上不断进取。参考文献：1韩鑫.我国绿色制造体系基本构建N.人民日报，2023-03-29.2GB/T 361322018，绿色工厂评价通则S.3祝君壁.建材业绿色低碳水平全面提升N.经济日报，2022-10-15.4张晋，尹靖宇，武庆涛，等.水泥行业绿色工厂环境绩效指标评价研究J.中国水泥，2017（8）：119-123.5刘亚丹,鞠丽，符敬慧，等.关于编制 绝热材料行业绿色工厂评价要求 的研究J.中国建材，2022（1）：128-131.6尹靖宇，张晋，王胜杰.从标准谈水泥行业创建绿色工厂的关键问题J.中国水泥，2017（8）：119-123.蒉参考文献：1Yu R，Spiesz P，Brouwers H.Development of an eco-friendlyUltra-High Performance Concrete（UHPC）with efficient cementand mineral admixtures usesJ.Cement&Concrete 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