廢棄混凝土碳化再生磚的初步探索

馮琪

摘要：不同的碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)碳化后的氫氧化鈣試塊的抗壓強(qiáng)度有著顯著影響。文章通過試驗(yàn)改變二氧化碳的養(yǎng)護(hù)時(shí)間來研究氫氧化鈣試塊的碳化性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，碳化試塊的抗壓強(qiáng)度不斷提高;但是當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過24h時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。經(jīng)分析，抗壓強(qiáng)度的提高一方面是由于碳化時(shí)間的延長，氫氧化鈣不斷地與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鹽膠凝材料（碳酸鈣）及體積膨脹填充微小孔隙;另一方面是由于隨著碳化時(shí)間延長，碳化生成的碳酸鈣逐漸由不穩(wěn)定晶型向穩(wěn)定晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變，這樣也使得試塊的抗壓強(qiáng)度提高。而碳化時(shí)間過長，試塊內(nèi)部由于膨脹產(chǎn)生了原始微裂縫，這樣導(dǎo)致了碳化試塊的抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：廢棄混凝土;氫氧化鈣;碳化;二氧化碳;碳酸鈣

中圖分類號(hào)：U416.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.012

文章編號(hào)：1673-4874（2019）10-0040-04

0引言

快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，為城市帶來了繁榮的經(jīng)濟(jì)面貌，而同時(shí)因功能不足、年限規(guī)定和老化等原因，拆除和擴(kuò)建的市政道路也正以同樣的速度為城市帶來數(shù)以億計(jì)的建筑垃圾?；炷劣昧吭黾?，而制備混凝土的砂、石和水泥等建筑材料正在逐年減少。為了緩解資源緊張的情況，各國大都采取“源頭消減”和“產(chǎn)物循環(huán)再生”策略，即在建筑垃圾產(chǎn)生之前就采取相應(yīng)的措施減少其排放量，對(duì)已產(chǎn)生的建筑垃圾則采用科學(xué)手段，制備成具有循環(huán)再利用功能的建筑材料，達(dá)到廢棄處理、資源有效利用、減少污染和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的效果。本文針對(duì)市政道路改擴(kuò)建銑刨產(chǎn)生的廢棄混凝土進(jìn)行“低溫分離”，將分離得到的再生細(xì)骨科和再生細(xì)粉進(jìn)行碳化制備形成再生磚。

礦物固碳作為一種固碳方法已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可，但是目前進(jìn)行的大量研究主要集中在提高礦物碳化效率上，如Ah-Hyung Alissa Park等人通過化學(xué)處理的方式來提高蛇紋石的碳化效率;Andre van Zomeren等人對(duì)鋼渣中礦物的濾取對(duì)碳化效率的影響進(jìn)行了研究。然而這些單純?yōu)榱颂岣咛蓟识M(jìn)行的研究未考慮碳化后產(chǎn)物的利用，必然會(huì)提高礦物固碳的成本。因此，為了充分利用碳化后的產(chǎn)物，本試驗(yàn)首先對(duì)氫氧化鈣進(jìn)行碳化，不僅僅考慮碳化效率這個(gè)指標(biāo)，而且還對(duì)碳化后樣品的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行討論，為碳化制品滿足強(qiáng)度要求提供指導(dǎo)。

1試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料及方法步驟

試驗(yàn)原料有純氫氧化鈣和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%的CO氣體及蒸餾水。

試驗(yàn)所采用的試塊均是在統(tǒng)一的用水量（粉末質(zhì)量的12.5%）及同一種成型壓力（5MPa）的條件下壓制而成，每組成型8個(gè)試塊。碳化過程中反應(yīng)釜中氣體壓力保持恒定（0.25MPa），濕度保持在75%。以不同碳化時(shí)間作為變量，將成型好的試塊碳化至設(shè)定時(shí)間，碳化時(shí)間分別為1min、2min、5min、10min、20min、30min、60min、90min、120min、180min、720min、1d、3d及28d。將碳化好的試塊取3塊進(jìn)行烘干前強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果取測(cè)試平均值。為了避免碳化試塊進(jìn)一步碳化，將另外5塊放入干燥皿中，進(jìn)行低溫烘干（50℃）48h。烘干之后取出試塊對(duì)其中3塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其余試塊留作微觀形貌測(cè)試使用。

1.2 表征方法

本試驗(yàn)主要有：碳化試塊抗壓強(qiáng)度采用WDW-50KN微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，壓力加載速率為2mm/min，同時(shí)還利用環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）對(duì)碳化后的試塊進(jìn)行微觀形貌觀察。

碳化程度用氫氧化鈣碳化轉(zhuǎn)變率來表示，計(jì)算方法如式（1）：

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖1所示為氫氧化鈣碳化轉(zhuǎn)變率隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，氫氫化鈣試塊碳化主要集中在24h內(nèi)，當(dāng)碳化時(shí)間繼續(xù)延長時(shí)，碳化進(jìn)行得非常緩慢，碳化24h與28d的碳化轉(zhuǎn)變率分別為85.14%與92.57%。

試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。隨著碳化時(shí)間的延長，試塊的碳化效率在逐漸提高，隨之試塊的抗壓強(qiáng)度也不斷增加。通過對(duì)不同碳化時(shí)間烘干前后試塊抗壓強(qiáng)度的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，烘干后試塊強(qiáng)度要明顯高于烘干前，而且通過對(duì)比圖2（b）中兩條曲線的斜率可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳化時(shí)間在60min內(nèi)時(shí)，烘干前后試塊抗壓強(qiáng)度變化要比碳化超過100min的試塊明顯。

3 試驗(yàn)分析

本試驗(yàn)選用擴(kuò)散控制碳化模型，碳化過程如圖3所示。固體礦物碳化開始后，礦物顆粒表面首先與CO接觸，反應(yīng)生成碳酸鈣層將未碳化顆粒包裹，使得碳化進(jìn)程受阻，因此碳化轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散控制。本試驗(yàn)雖然在樣品制備的過程中將氫氧化鈣與水進(jìn)行拌合，但是用水量很小，適用于固體碳化擴(kuò)散控制模型。

根據(jù)上述碳化模型及氫氧化鈣碳化轉(zhuǎn)變率隨時(shí)間變化結(jié)果可知，當(dāng)碳化時(shí)間超過24h后，碳化顆粒表面形成的碳酸鈣產(chǎn)物層阻礙了二氧化碳的擴(kuò)散，這是使得碳化速率下降的主要原因。另一個(gè)導(dǎo)致碳化速率變緩的原因是在整個(gè)碳化過程中反應(yīng)釜內(nèi)的濕度保持在75%左右，隨著碳酸鈣產(chǎn)物層厚度逐漸增加，未碳化部分與水的接觸越來越困難，而在本試驗(yàn)條件下，氫氧化鈣與CO發(fā)生反應(yīng)必須有水存在，因此碳化速率降低。

為了進(jìn)一步解釋試塊抗壓強(qiáng)度隨著碳化時(shí)間延長呈先提高再降低的趨勢(shì)的原因，利用SEM對(duì)碳化試塊的微觀形貌進(jìn)行了觀察。圖4分別為碳化：10min、180min與28d的SEM對(duì)比圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳化時(shí)間為10min時(shí)，生成了不規(guī)則形貌的碳酸鈣，且強(qiáng)度不高，然而對(duì)比烘干前后強(qiáng)度可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，烘干后試塊強(qiáng)度提高了137.5%;而當(dāng)碳化時(shí)間為28d時(shí)，烘干后強(qiáng)度僅僅提高了66.3%。其主要原因是碳化時(shí)間短，生成了不穩(wěn)定的碳酸鈣，在烘干之前強(qiáng)度低，而烘干之后，雖然產(chǎn)物已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的方解石型碳酸鈣，但是特殊形貌的碳酸鈣仍有利于抗壓強(qiáng)度的提高，符合文獻(xiàn)中指出的特殊形貌對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度有著重要影響。

對(duì)比圖4（b）與圖4（C）可以發(fā)現(xiàn)，由于碳化時(shí)間長，圖4（C）中生成的碳酸鈣表面出現(xiàn)了裂縫，這是由于在氫氧化鈣向碳酸鈣轉(zhuǎn)變的過程中體積膨脹了17%。雖然圖4（b）中未發(fā)現(xiàn)裂縫，是因?yàn)樵谔蓟跗?，生成的碳酸鈣產(chǎn)物主要起到填充試塊空隙的作用，而當(dāng)碳化時(shí)間達(dá)到28d時(shí)，根據(jù)前文提出的碳化控制擴(kuò)散模型，碳化由外及至地逐漸進(jìn)行，碳化產(chǎn)物層包裹的氫氧化鈣繼續(xù)碳化將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物層的脹裂，產(chǎn)生原始微裂紋導(dǎo)致強(qiáng)度降低。所以，當(dāng)碳化時(shí)間過長時(shí)，雖然氫氧化鈣的碳化轉(zhuǎn)變率有略微的提高，但是試塊的抗壓強(qiáng)度卻產(chǎn)生了比較明顯的降低。

4 拓展試驗(yàn)

將“低溫分離”得到的再生細(xì)集料和再生細(xì)粉按照質(zhì)量比3：1進(jìn)行混合，加入12.5%的水，在恒定壓力（5MPa）的條件下壓制成型，每組10個(gè)試件。碳化過程中反應(yīng)釜中氣體壓力保持恒定（0.25MPa），濕度保持在75%，碳化時(shí)間為60min。碳化后試樣在（20±2）℃和（50±5）%的相對(duì)濕度下保持24h。按GB/T4111-2013中附錄A（HB<0.6）的要求進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1結(jié)果可得出抗壓強(qiáng)度平均值為7.8MPa，變異系數(shù)為9.5%，抗壓強(qiáng)度最小值為6.7MPa，滿足GB 13545-2003中MU7.5的強(qiáng)度等級(jí)要求。由廢棄混凝土低溫分離工藝得到的再生細(xì)集料和再生細(xì)粉，主要成分是砂、石屑、C-S-H和AFt等，在砂和石屑外層包裹的界面層有少量AFm和CH，通入CO后界面層更好地將砂和石屑進(jìn)行包裹和粘結(jié)，使得再生磚的整體性能更好。

5結(jié)語

通過以上結(jié)果及分析可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)成型壓力為5MPa時(shí)，氫氧化鈣試塊碳化主要集中于前24h，碳化24h與28d的碳化轉(zhuǎn)變率分別為85.14%與92.57%。

（2）氫氧化鈣碳化由外及至在氫氧化鈣顆粒表面形成碳酸鈣產(chǎn)物層，隨著碳化時(shí)間的不斷延長，由于生成的碳酸鈣摩爾體積大于氫氧化鈣，產(chǎn)生膨脹，對(duì)碳酸鈣產(chǎn)物層造成不利影響，導(dǎo)致28d碳化齡期的試塊抗壓強(qiáng)度要低于比其碳化轉(zhuǎn)變率更低的碳化24h的試塊，它們抗壓強(qiáng)度分別為32.1MPa與40.6MPa。

（3）由廢棄混凝土分離得到的再生細(xì)集料和再生細(xì)粉能夠制備形成強(qiáng)度等級(jí)合格的碳化再生磚。