CN116854421A - 利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法以及均匀性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，首先将废弃混凝土块破碎，得到再生细骨料；再将所述再生细骨料投入碳化炉内，抽真空至‑0.1MPa；再通入CO₂至碳化炉内压强为0.1‑0.4MPa，碳化12‑48h，得碳化细骨料；最后以600：240‑360：120‑240：7.5的质量比将水泥、河砂、碳化细骨料、EPS颗粒混合均匀，再按照0.46的水灰比加入水，混合均匀。本发明的显著效果是，通过对废弃混凝土制备的再生细骨料进行碳化预处理来改善再生骨料的性能，为后续碳化预处理再生细骨料的工程应用提供参考依据，能有效回收利用大量的废弃混凝土和聚苯乙烯资源，节约自然砂石资源，有利于环境保护，合理利用建筑固废并进行碳封存，符合绿色、低碳、节能建筑发展的新方向。

Description

利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法以及均匀性 测试方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及建筑废料的回收利用。

背景技术

随着城市化建设以及相关生产活动所产生的建筑物的新建、拆除以及改建工程的推进，大量的建筑废弃物随之产生，产生的废弃混凝土量日益增多，每年以5％-10％的速度增长。这些建筑垃圾无法及时被回收清运处理，不仅对环境造成了一定的危害，同时还制约了城市的发展速度。随着天然资源的不断开发和废弃物数量的增加，建筑废弃物的可持续利用与管理对未来建筑行业绿色发展具有深远意义。

建筑废弃物中主要以废弃混凝土为主，混凝土由天然河砂、碎石、水泥、胶凝材料以及各种添加剂组成。废弃的混凝土经过破碎处理之后，能够得到符合相关规范的粒径的再生混凝土粗骨料(RCA)、再生混凝土细骨料(RFA)以及再生微粉(RCP)。再生骨料主要由65-70％体积分数的天然骨料和30-35％的附着砂浆所组成，并且绝大多数的再生骨料相比较于天然骨料而言，密度较小、表面棱角更多、粗糙度更大。同时，由于再生骨料复杂的界面过渡情况会使经过破碎处理后的骨料上或多或少存在水泥砂浆成分，机械处理过程中也可能使骨料产生一定的裂纹，这就导致再生骨料物理性能相对天然骨料较弱，具有更高的孔隙率、吸水率和压碎指标，从而限制了再生混凝土作为承重结构的应用。因而再生混凝土在未来的发展将会主要在非承重结构方面。

聚苯颗粒(Expanded Polystyrene,EPS)作为一种高分子石油化合物材料被大量生产和使用，聚苯乙烯颗粒作为轻质泡沫墙板材料具备质量轻、保温、隔热、隔音、防潮等特点，其在装配式建筑中作为非承重结构得到了广泛应用。

因而可以预料的是，再生混凝土在聚苯乙烯颗粒墙板领域具有一定的应用前景。

发明内容

本发明采用将再生细骨料碳化改性后再与聚苯乙烯颗粒材料相结合，制备符合相关标准要求的碳化再生细骨料聚苯乙烯混凝土，拓展建筑固废资源化、工业化应用的新途径，推广再生细骨料在工程实际中的应用。

本发明采用的主要技术方案是：

一种利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其关键是按以下步骤进行：

步骤一、制备再生细骨料；

将废弃混凝土块破碎，得到再生细骨料；

首先对废弃的混凝土进行钢筋剥离，得到废弃混凝土块，通过初步破碎得到25-50mm的再生粗骨料，再采用颚式破碎机进行破碎处理，并通过震筛机进行筛分处理得到再生细骨料；

步骤二、将所述再生细骨料投入碳化炉内，抽真空至-0.1MPa；再通入CO₂至碳化炉内压强为0.1-0.4MPa，碳化12-48h，得碳化细骨料；

步骤三、以600：240-360：120-240：7.5的质量比将水泥、河砂、碳化细骨料、EPS颗粒混合均匀，再按照0.46的水灰比加入水，混合均匀。

附图说明

图1为实施例2中碳化炉的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为支撑盘32的结构示意图；

图4为实施例3对应的碳化时间-压强对骨料表观密度影响示意图；

图5为实施例3对应的碳化时间-压强对骨料松散堆积密度的影响示意图；

图6为实施例3对应的碳化时间-压强对骨料紧密堆积密度影响示意图；

图7为实施例3对应的碳化时间-压强对骨料饱和面干吸水率影响示意图；

图8为实施例3对应的碳化时间-压强对骨料压碎指标影响示意图；

图9为实施例3对应的碳化时间-压强对骨料pH影响示意图；

图10为实施例3对应的未碳化的再生细骨料的微观形貌图；

图11为实施例3对应的碳化骨料的微观形貌图；

图12为实施例3对应的相同碳化压强、不同碳化时间的碳化骨料的XRD衍射图谱；

图13为实施例3对应的相同碳化时间、不同碳化压强的碳化骨料的XRD衍射图谱；

图14为实施例3对应的TG曲线图；

图15为实施例3对应的DTG曲线图；

图16为实施例4对应的混凝土干密度-取代率曲线；

图17为实施例4对应的不同碳化条件-取代率混凝土吸水率

图18为实施例4对应的混凝土坍落度-取代率柱状图；

图19为实施例4对应的抗压强度柱状图；

图20为实施例4对应的劈裂抗拉强度柱状图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，按以下步骤进行：

步骤一、制备再生细骨料；

本试验选自砖混结构中民用建筑的柱、梁结构构件，首先对废弃的混凝土进行钢筋剥离，并通过人工或机器将其初步破碎得到25-50mm的再生粗骨料，后续采用颚式破碎机进行破碎处理，并去除木屑、铁丝等杂质成分，通过震筛机进行筛分处理得到不同粒径的再生细骨料；

步骤二、将所述再生细骨料投入碳化炉内，抽真空至-0.1MPa；再通入CO₂至碳化炉内压强为0.1-0.4MPa，碳化12-48h，得碳化细骨料；

对于骨料的碳化反应而言，骨料的含水率较小会导致二氧化碳气体无法及时溶解参与碳酸化反应，较大的含水率会导致骨料表面的水分产生聚集现象，造成大量钙离子溢出骨料外表面无法及时参与碳酸化反应对骨料的孔隙率产生影响，所以适宜的骨料含水量率有益于碳化反应的进行。

因而优选的方式是，在进行碳化前，先将所述再生细骨料放置于温度为23℃、湿度为45-55％的室内环境中静置7d，再将其投入碳化炉内进行碳化处理。

进一步的优选方案是，在所述步骤二中，向所述碳化炉内通入CO₂至压强为0.4MPa，碳化时间为48h。

步骤三、以600：240-360：120-240：7.5的质量比将水泥、河砂、碳化细骨料、EPS颗粒混合均匀，再按照0.46的水灰比加入水，混合均匀。

实施例2：

如图1、2、3所示，一种碳化炉，所述碳化炉包括罐体1和密封扣合在该罐体1上的罐盖2，所述罐体1和所述罐盖2上分别设有相互匹配的法兰盘，在所述法兰盘上设有连接螺栓的孔洞；在所述罐体1的外壁设有至少三个支脚4。所述支脚4将所述罐体1架空；

所述罐体1内壁的底部为弧形面，所述弧形面的凹面朝上，在所述罐体1的底部连接有排污管11和CO₂进气管12，所述CO₂进气管12竖向设置，所述CO₂进气管12的上部伸入所述罐体1内，所述CO₂进气管12的上端端口封闭，在所述CO₂进气管12的上部管壁上设有侧向进气口，在所述罐体1的上部连接有负压抽吸管13；所述排污管11上设有排水阀，在所述CO₂进气管12上设有减压阀；

所述排污管11竖向设置，所述排污管11的上端与所述弧形面的最低处连接，所述排污管11的上端管口与所述罐体1连通；在所述罐体1内对应所述排污管11的上端还设有管口挡罩14，该管口挡罩14罩扣在所述罐体1底部，该管口挡罩14的边缘与所述罐体1的内壁固定连接，所述管口挡罩14上有若干小孔；

在所述罐盖2上设有温度表21、安全阀22和排空管23，所述排空管上23安装有压力表。

在所述罐体1内竖向分布有若干支撑托盘组件；所述支撑托盘组件包括至少三个支撑块31和一个支撑盘32，所述支撑块31固定在所述罐体1的内壁，所述支撑盘32平铺在所述罐体1内，所述支撑盘32的边缘搭接在对应的所述支撑块31上，在所述支撑盘32的边缘开设有让位缺口，该让位缺口与所述支撑块31一一对应；

所述支撑盘32可以是细密的网状结构，这样可以将再生细骨料直接堆积其上；所述支撑盘32也可以是粗大的网格结构，再生细骨料盛装于网兜内，再放置在支撑盘32上。

实施例3：

选取同一批次的再生细骨料，随机分成若干份，并按照以下表1的参数配置对再生细骨料进行碳化：

表1、再生细骨料碳化参数

根据标准GB/T 14684-2011，测定以上各组碳化细骨料的骨料密度(包括表观密度、松散堆积密度和紧密堆积密度)、饱和面干吸水率、压碎指标、pH，并与原始未经碳化处理的再生细骨料进行对比，结果如图4-9所示；

从图4、5、6可以看出：采用碳化处理能够提高再生细骨料的密度。相比较于未经过碳化预处理的再生细骨料，在同一碳化时间处理条件下，碳化压强从0.1MPa增加到0.4MPa，其表观密度随之得到了提高。在0.1MPa压强条件下处理24h后的骨料表观密度改善效果不及0.2MPa、0.4MPa，这可能是由于在0.1MPa低压条件下，二氧化碳与骨料表面孔隙中的水分、氢氧化钙等物质反应生成的碳酸钙以及其他碳化反应产物阻碍了后续气体进入骨料内部，从而降低了后续骨料的碳化反应程度，使得该碳化条件下的骨料表观密度改善效果不及其他碳化条件。而随着碳化压强从0.1MPa增加到0.2MPa、0.4MPa，其表观密度能增加27.51-94.13kg/m³。在0.4MPa条件下具有最佳的碳化效果，其表观密度最大，为2650.42kg/m³。

相比较于未经过碳化预处理的再生细骨料，同一碳化压强处理条件下，碳化时间从12h增加到24h、48h，其表观密度增加了8.62-127.50kg/m³。在48h条件下具有最大的改善效果，最大表观密度为2683.79kg/m³。

对于松散堆积密度而言，不同碳化压强影响较小，在0.4MPa压强条件下预处理24h后的堆积密度仅增加14.94kg/m³；在0.4MPa压强、不同碳化时间条件下预处理过后的堆积密度最大仅增加17.44kg/m³。对于紧密堆积密度而言，随着碳化压强从0.1MPa增加到0.2MPa、0.4MPa，其表观密度能增加76.1-114.56kg/m³，相比较于未经过碳化预处理的再生细骨料分别改善了5.73％、6.37％以及8.63％，在0.4MPa-24h碳化处理条件下的堆积密度最大，为1442.13kg/m³。随着碳化时间从12h增加到24h、48h，其紧密堆积密度能增加94.63-138.00kg/m³，相比较于未经过碳化预处理的再生细骨料分别改善了7.13％、8.63％以及10.39％，在0.4MPa-48h碳化处理条件下的堆积密度最大，为1465.57kg/m³。这是由于碳化反应生成了碳酸钙以及其他碳化反应产物使得骨料表面孔隙得到填充、骨料致密化，使得在相同体积单位条件下，再生细骨料的质量分数就更大。与表观密度具有相似的结论，随着碳化时间的增加，碳化作用对于再生细骨料的堆积密度改善效果得到提高。

从图7可以看出：在相同的碳化时间条件下，再生细骨料的吸水率随着碳化压强的增加呈现下降趋势，碳化压强从0.1MPa增加到0.2MPa、0.4MPa，再生细骨料的吸水率分别下降了16.97％、24.51％以及29.31％，其中对于再生细骨料吸水率改善效果最佳的碳化压强为0.4MPa，骨料的吸水率为7.50％。在相同的碳化压强条件下，再生细骨料的吸水率随着碳化时间的增加呈现下降趋势，碳化时间从12h增加到24h、48h，再生细骨料的吸水率分别下降了15.55％、29.31％以及31.67％，其中对于再生细骨料吸水率改善效果最大的碳化时间为48h，骨料的吸水率为7.25％。本试验最佳碳化条件对再生细骨料吸水率降低效果达到了31.67％。

从图8可以看出：经过碳化预处理的再生细骨料压碎指标值小于未经过碳化预处理的再生细骨料。在相同的碳化时间条件下，再生骨料的压碎指标值随碳化压强的增加呈现减小趋势。当碳化时间控制为24h时，碳化压强从0.1MPa增加为0.2MPa、0.4MPa，压碎指标值相比较于未经过碳化预处理的再生骨料压碎指标值分别下降了3.23％、6.45％、19.35％，在24h-0.4MPa条件下碳化处理的再生骨料具有最小的压碎指标值为25％。在相同的碳化压强条件下，再生骨料的压碎指标值随碳化时间的增加呈现减小趋势。当碳化压强控制为0.4MPa时，将碳化时间从12h增加到24h、48h后，压碎指标值分别下降了9.68％、19.35％、25.81％，在48h-0.4MPa条件下碳化处理的再生骨料具有最小的压碎指标值为23％。碳化预处理能够有效降低再生骨料的压碎指标。碳化预处理对于再生骨料压碎指标的改善效果主要是通过碳酸化反应产生了碳酸钙晶体以及其他碳化反应产物填充了细骨料表面微观孔隙结构，在一定程度上提高了骨料自身的强度等级，使得其相比较于未经过碳化处理的再生骨料具有更大的强度值，从而降低了它的压碎指标值。

从图9可以看出：在相同的碳化时间条件下，发现再生细骨料的吸水率随着碳化压强的增加而呈现下降趋势。碳化压强从0.1MPa增加到0.2MPa、0.4MPa后，再生细骨料的pH值分别下降了24.75％、27.68％以及28.52％，其中对于再生细骨料pH值改善效果最佳的碳化压强为0.4MPa，骨料的pH值为8.52。在相同的碳化压强条件下，发现再生细骨料的pH值随着碳化时间的增加呈现下降趋势。碳化时间从12h增加到24h、48h后，再生细骨料的pH值分别下降了24.66％、28.52％以及28.86％，其中对于再生细骨料pH值改善效果最佳的碳化时间为48h，骨料的pH值为8.48。

采用扫描电镜观测再生细骨料和碳化骨料表面微观形貌，结果分别如图10和图11所示。

如图10，观察到未经过碳化预处理的再生细骨料表面的砂浆成分结构疏松，存在较为明显的宽缝，反观图11中经过碳化预处理的再生骨料的界面过渡区变得更加致密。未碳化的水泥砂浆中呈现出疏松多孔的结构，表面有大量白色物质分布。发现碳化水泥浆体表面含有大量的白色颗粒状物质团聚，整体结构相比较于未碳化的浆体显的更加紧密，孔隙结构得到显著降低，许多较大的孔隙逐渐被碳化反应所生成的物质填充，变成较小的孔隙结构。这主要是由于：一方面，二氧化碳进入再生骨料表面孔隙并溶解于水中，进而与砂浆中的氢氧化钙产生碳化反应，生成碳酸钙、硅胶等碳化反应产物填充于再生细骨料表面孔隙结构于微裂缝中，使得其界面结构致密化，从而达到对于再生细骨料物理性能的改善提高。同时观察到砂浆中存在有一定的针状钙矾石晶体、C-S-H胶凝材料相互交织，但是其孔隙结构较多，界面过渡区存在较大的缺口。另一方面，再生细骨料表面存在一定再生微粉，在水化过程中再生微粉不仅会起到填充间隙的作用还可以发挥一定的火山灰效应，使得界面过渡区生成更多的水化产物，使得界面过渡区得到一定改善提高。

采用XRD衍射仪分别测定在0.4MPa的相同碳化压强条件下，碳化时间从12h增加至24h、48h条件下的碳化骨料的衍射图谱，结果如图12；

在24h的相同碳化时间条件下，碳化压强从0.1MPa增加至0.2MPa、0.4MPa时的碳化骨料的衍射图谱，结果如图13；

图12、13反映了不同碳化处理条件下对于再生细骨料中衍射峰强度变化情况。可以看出：经过碳化处理过后，观察到氢氧化钙、钙矾石的衍射峰强度显著降低，碳酸钙的衍射峰强度显著增加。

0.4MPa相同碳化压强条件下，碳化时间从12h增加至24h、48h，碳酸钙衍射峰强度略微提升但并不显著。但相对于固定24h时间条件而言，压强从0.1MPa增加至0.2MPa、0.4MPa时，能够观察到衍射峰提高。

测定不同碳化处理条件下的TG曲线以及DTG曲线，结果分别如图14、15所示，从图14、15可以看出：第一个峰值变化区间在5-200℃，对比发现在这个范围内的物质损失量差异性较为显著，未处理的再生骨料质量变化为7.43％，经过碳化处理的质量损失仅为1.98％。主要是由于原骨料中含有一定量的水化铝酸钙、AFt、C-S-H等水化产物中结合水的水分分解导致。第二个峰值变化位于350-550℃范围内，其主要是氢氧化钙产物分解。观察到碳化前后的氢氧化钙物质变化情况有显著差异，这主要是由于碳化反应消耗了骨料内部氢氧化钙所导致，经过碳化处理过后的骨料质量损失最高仅为0.91％。第三个峰值变化是在550-800℃范围内，发现其质量变化程度差异性较大，尤其是碳化前后的骨料质量损失。随着碳化时间的增加，质量损失依次为39.69％、44.92％以及48.67％；随着碳化压强的增加，质量损失依次为39.17％、39.87％以及44.92％；未经过碳化预处理的再生细骨料的质量损失仅为10.27％，碳化处理显著改变了在550-800℃范围内的质量变化情况。其质量损失可能是由于生成了不同结晶程度的碳酸钙物质所导致。在550-700℃范围内可以认为是结晶不良的碳酸钙晶体分解损失，在700-800℃范围内主要是结晶良好的碳酸钙分解所引起的质量变化。其结论与XRD试验结果具有类似结论，都指出在一定碳化压强条件下，随着时间增加，早期碳化反应所产生的碳化反应产物能够有效改善骨料表面孔隙结构降低其吸水率增强骨料性能。但在另一方面，其形成的碳酸钙以及相应的碳化反应产物在骨料表面致密化，阻碍了二氧化碳气体进入参与后续反应，因而可以观察到图中随着碳化时间增加，其质量损失差异性并不显著。

再生细骨料碳化机理分析：当发生碳化反应时，首先二氧化碳气体进入骨料表面以及内部，溶解在骨料水分中形成碳酸。随着碳酸化反应的进行，骨料原孔隙中的溶液pH值发生改变，逐渐呈现中性化。原砂浆中存在的钙矾石(AFt)、单硫酸盐(AFm)、氢氧化钙等相关物质都能够发生碳化反应。在pH＝11.6时，AFm开始分解形成氧化铝和AFt；在pH＝10.6时，AFt开始分解形成硫酸根离子和氢氧根离子，为后续碳化反应提供了原材料。碳酸与原骨料的砂浆中氢氧化钙进行碳酸化反应，生成碳酸钙晶体，反应生成的碳酸钙以文石、球霰石和方解石三种形态存在，这些碳酸钙最终都将转化为结晶良好的方解石稳定存在。其中C-S-H以及其他可碳化物质也会与二氧化碳反应生成一定含量的碳酸钙和胶凝物质，这些胶凝物质与氢氧化钙生成的碳酸钙晶体团聚在一起，成块生长，依附于骨料外表面和界面过渡区上，从而增加了骨料的密度，降低骨料吸水率。这种碳化机制使得在早期能够显著改善骨料的表观密度，降低15.55％-31.67％的吸水率；降低3.23％-25.81％的压碎指标；pH值降低24.66％-28.86％。但是当其碳化条件进一步改变，增加碳化时间，增加碳化压强时，发现碳化增益效果逐步降低。这主要是由于早期的碳化增益使得生成的碳化反应产物附着于骨料表面以及界面过渡区形成了一层相对致密的薄膜，阻碍了后续二氧化碳气体进入骨料空隙内部发生后续碳化反应。

实施例4：

基于实施例3中得到的各碳化骨料(C1T24、C2T24、C4T12、C4T24、C4T48)，按照以下表2的比例配制聚苯颗粒混凝土：

表2、聚苯颗粒混凝土配制表(kg/m³)

上表2中，以第N组未添加再生细骨料/碳化骨料为基准，其河砂用量为480kg/m³；以再生细骨料/碳化骨料按照不同的取代率(25％、50％、75％、100％)替换部分/全部河砂；

取代率＝(再生细骨料用量/碳化骨料用量)/480*100％。

根据GB/T 50081-2019《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》，以表2中的各项配比的混凝土为原料，试验设计制备100mm×100mm×100mm的聚苯颗粒再生细骨料混凝土标准试件进行混凝土力学性能测试。由于再生细骨料具有更高的骨料吸水率，在进行混凝土制备时需要进行饱和吸水处理以避免直接加水所导致混凝土存在局部水灰比不同的情况影响作用，因而需要根据图的制备流程进行混凝土制备。首先将天然骨料和再生细骨料搅拌均匀，放入1/3的水使其进行饱和处理，同时进行2min的搅拌，再放入水泥以及剩下1/2的水进行3min搅拌，最后加入余下的水搅拌3min，胶浆搅拌充分后均匀放入EPS颗粒搅拌5min。再将拌合均匀的混凝土材料分层装入钢试模内部，并采用人工插捣方式使其均匀分布，装入模具后及时进行覆膜处理，在20±5℃，相对湿度大于50％的环境中养护24h后进行脱模处理，将试样彼此间隔10-20mm，放入20±2℃，相对湿度95％以上的标准恒温恒湿养护箱进行标准养护。经过28d标准养护后，及时取出，放入105±5℃的红外鼓风干燥箱进行烘干处理，留以待用。

参考规范GB/T 50081-2019测试混凝土的干密度，结果如图16所示；

从图16中可以看出，随着再生骨料取代率的增加，再生细骨料聚苯颗粒混凝土的干密度随之降低。当再生细骨料取代率从25％增加到100％，其干密度从1323.83g/cm³降低到1311.37g/cm³；当采用C4T24碳化再生细骨料时，采用碳化再生细骨料的混凝土干密度从1339.97g/cm³降低到1318.10g/cm³。碳化预处理提高了混凝土的干密度值，但是提升效果并不显著，最大仅在25％取代率条件下对混凝土的干密度值提高了1.22％。采用C4T48碳化再生细骨料时，混凝土干密度从1346.23g/cm³减少到1320.86g/cm³，其密度增加略高于C4T24对照组，同样在25％取代率条件下提高最大为1.69％。碳化时间增加使得混凝土密度得到了增加，提升效果来源于碳化预处理使得再生细骨料的表观密度得到了增加，相同体积状态下，经过碳化处理的再生骨料表面具有更多的碳酸钙晶体以及碳化反应产物，增加了骨料的质量分数，进而提高了混凝土的干密度值。

参考规范GB/T 50081-2019测试混凝土吸水率，结果如图17所示。图17中RCA包括表2中R25、R50、R75、R100四组吸水率；C4T24包括表2中C4T24R25、C4T24R50、C4T24R75、C4T24R100四组吸水率；C4T48包括表2中C4T48R25、C4T48R50、C4T48R75、C4T48R100四组吸水率。从图17可以看出，未碳化预处理的再生细骨料混凝土的吸水率普遍高于碳化组。其中24h碳化预处理过后混凝土的吸水率相比较于未碳化对照组分别下降了35.49％、34.97％、29.13％以及23.29％，其中在细骨料取代率为25％时具有最小的吸水率值，为10.99％。随着碳化时间从24h提升至48h，混凝土吸水率值呈现下降趋势，但其变化程度并不显著，不同取代率条件下相对于24h碳化组而言分别下降了5.88％、4.00％、4.33％和5.65％。由于碳化反应抑制作用的存在，在相同碳化条件下，吸水率随着碳化时间的增加而增加，但其后期改善效果并不显著。

参考规范GB/T 50080-2002测试混凝土的坍落度，结果如图18所示；

根据图18所示的混凝土坍落度试验结果，在水灰比相同的情况下，随着再生细骨料取代率的增加，混凝土的流动性能随之降低，坍落度下降，其中在100％全再生骨料取代率条件下坍落度仅为116mm，相比较于天然对照组其坍落度下降了38.95％。碳化预处理后，混凝土的流动性能得到了改善，碳化预处理再生细骨料提高了混凝土的坍落度。观察到采用C4T24这种碳化处理条件下的再生细骨料，其改善效果在0-50％低取代率下较小，分别为185mm、180mm；在50-100％取代率条件下改善效果显著，在75％、100％再生细骨料取代率条件下的流动性能为167mm、149mm。其中100％全再生碳化再生细骨料混凝土相比与未经过碳化处理的对照组，性能改善达到了28.45％。

观察到采用C4T48这种碳化处理条件下的再生细骨料，其改善效果在25％低取代率下较小，为187mm；在50-100％取代率条件下改善效果显著，在50％、75％、100％再生细骨料取代率条件下的流动性能为184mm、175mm、156mm。其中50％全再生碳化再生细骨料混凝土相比与未经过碳化处理的对照组，性能改善达到了40.00％。

对相同压强条件、不同碳化时间处理的再生细骨料对照组的工作性能分析，发现经过48h碳化的再生细骨料组具有更大的坍落度值，相比较于24h碳化组在25％-100％取代率条件下有1.08％-4.79％不同程度的提高，在相同水灰比条件下具有更大的流动性能。

未经过碳化处理的再生骨料由于破碎过程中极易造成骨料表面较多的棱角、微裂缝以及再生微粉、泥块和其他物质的存在，导致混凝土需水量增加，在相同水灰比条件下，使用再生细骨料的混凝土中的自由水减少，降低了混凝土的流动性能。这种流动性能的改善主要得益于碳化反应能够在骨料表面形成致密的碳酸钙晶体成分填充孔隙，降低了再生骨料的吸水率，使得在进行混凝土制备过程中能够使骨料表面有更多的自由水存在，大幅增加了拌合物的流动性。

参考规范GB/T 50081-2019测试混凝土立方体抗压强度，结果如图19所示；

结合图19可以看出，使用再生细骨料的混凝土总体强度要低于使用天然河砂骨料的对照组，这主要是再生细骨料附着砂浆和自身孔隙结构造成的。再生细骨料中含有大量的废弃砂浆，本身强度较低，在与新砂浆共同作用形成混凝土时产生了较大的界面过渡区，从而导致混凝土抗压强度不及普通混凝土。同时考虑到再生细骨料经过机械破碎方式处理过后，其本身骨料上会存在大量的微裂缝，对混凝土抗压强度也会产生不利影响。再者考虑到再生细骨料采用的机制砂级配与天然河砂存在一定区别，再生细骨料中的微粉、砂浆等成分会在制备混凝土过程中吸收一定的水分造成局部水灰比发生改变，阻碍水泥水化作用影响混凝土强度增长。

随着再生细骨料取代率的增加使的混凝土抗压强度总体呈现下降的趋势，其中采用再生细骨料的混凝土抗压强度均低于使用天然骨料的普通对照组混凝土。同时也发现，采用碳化再生细骨料的混凝土都普遍高于未经过碳化处理的混凝土对照组，这得益于加速碳化处理产生了大量的碳酸钙晶体和其他反应产物，对原有再生骨料以及附着砂浆的整体起到了强化作用。

再生细骨料混凝土与普通混凝土具有相似的强度发展规律，再生细骨料混凝土的抗压强度随养护时间增加呈现增长趋势，混凝土3-7d早期强度增长相比较于7-28d增长更为明显。采用未经过碳化预处理的再生细骨料的混凝土在3-7d早期强度增长在4.88％-9.15％，其中当取代率为50％时强度增长达到最大为9.15％；在7-28d早期强度增长在3.46％-8.63％，其中当取代率为50％时强度增长达到最大为8.63％。碳化预处理显著改善了这一增长变化情况，采用C4T24碳化再生细骨料的混凝土在早期3-7d强度增长能够达到7.36％-13.16％的强度增长，其中取代率条件为50％时强度增长能够达到最大为13.16％；在7-28d强度增长能够达到6.97％-11.74％，其中取代率条件为50％时强度增长能够达到最大为11.74％。采用C4T48碳化再生细骨料的混凝土在早期3-7d强度增长能够达到11.00％～13.76％，其中取代率条件为50％时强度增长能够达到最大为13.16％；在7-28d强度增长能够达到6.97％-11.74％，其中取代率条件为50％时强度增长能够达到最大为11.74％。

将同龄期采用未碳化预处理的再生细骨料混凝土与采用不同碳化处理条件的再生细骨料混凝土进行比较后发现：采用C4T24碳化预处理的混凝土在3d、7d以及28d时，其抗压强度分别有0.38％-2.68％、2.74％-5.88％和5.33％-7.49％的改善提高效果，最大抗压强度值为9.61MPa。发现采用C4T24对于混凝土的强度改善提高效果主要在3-28d之间，对于3d的强度改善效果并不显著。采用C4T48碳化预处理的混凝土在3d、7d以及28d时，其抗压强度分别有1.25％-8.89％、6.52％-13.49％和5.45％-9.62％的改善提高效果。改善效果要优于相同碳化压强条件下24h的碳化对照组，其中50％取代率条件下强度增长分别为8.89％、13.49％以及9.62％，达到最大抗压强度9.80MPa。因此建议最佳的再生细骨料取代率为50％。

采用碳化处理后，混凝土抗压强度得到了明显提高。这得益于碳化技术使得再生细骨料中产生了大量的碳酸钙晶体对骨料孔隙结构进行了改善，使再生细骨料更加致密化。其碳化反应产物以及水化作用产物可以有效填充再生骨料与新砂浆之间的界面过渡区，进而提高混凝土的抗压强度。但就比较两种不同碳化条件下的抗压强度发现碳化时间从24h增加到48h对于混凝土抗压强度改善提升效果并不显著，28d混凝土抗压强度仅提高了0.11％-1.98％。在相同的碳化压强条件处理下，随着碳化时间从24h增加到48h，其对于抗压强度的改善并不明显。

这也从另一方面解释了碳化效果会受到碳化时间的影响，使得碳化效果在一定程度上并不是随时间增加而呈现增加趋势，其改善效果会受到早期碳化改善的影响，致使后期碳化时间增加但后续二氧化碳无法充分进入再生骨料内部提供碳化反应原料使得改善效果逐渐下降。因此建议最佳的碳化时间为24h。

根据GB/T 50081-2019测试混凝土劈裂抗拉强度，结果如图20所示；

如图20所示，使用再生骨料的混凝土劈裂抗拉强度都明显小于使用天然河砂作为细骨料的混凝土。随着再生骨料取代率的增加，混凝土的劈裂抗拉强度呈现逐渐下降的趋势，但是碳化预处理使得混凝土的强度得到了提高。随着取代率增加，再生细骨料混凝土的劈裂抗拉强度相比较于天然河砂混凝土对照组分别降低了9.40％、16.98％、23.23％和32.45％；使用碳化再生细骨料的混凝土下降程度分别为7.26％、16.04％、22.73％和25.0％。碳化处理对于再生混凝土劈裂抗拉强度的提升在0.53％-8.09％之间，其中对于100％全再生细骨料混凝土的改善效果最佳，达到了8.09％。因此建议最佳的再生细骨料取代率为25％。机理分析：再生细骨料混凝土的劈裂抗拉强度低于天然细骨料混凝土对照组，采用经过碳化预处理的再生细骨料混凝土劈裂抗拉强度大于未经过处理的再生细骨料混凝土对照组。其中随着骨料以及碳化骨料取代率的增加，再生混凝土的劈裂抗拉强度呈现下降趋势。再生骨料由水泥砂浆和天然骨料所组成，其中再生砂浆具有较大的孔隙结构具有较大的吸水率。同时再生细骨料在制备过程中会含有较多的再生微粉、泥块等物质存在，使得再生细骨料的吸水量增加，导致拌合过程中参与水化反应的自由水用量减少，阻碍了水泥参与水化反应，降低了水泥胶浆与骨料的粘结程度，进而影响了混凝土劈裂抗拉强度。采用经过碳化预处理的再生细骨料后，发现其劈裂抗拉强度得到了提高。这是由于碳化作用在骨料表面以及孔隙中生产成了大量的碳酸钙晶体和碳化产物，降低了在拌合过程中再生细骨料需水量，使得拌合过程中能够存在较多的自由水充分与水泥进行水化反应，增加了水泥浆体与骨料的粘结能力，从而达到提高混凝土劈裂抗拉强度的目的。

实施例5：

一种聚苯颗粒混凝土的均匀性测试方法，按以下步骤进行：

根据GB/T 50081-2019《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》，以表2中的各项配比的混凝土为原料，按照实施例1的方法制备直径为150mm，高度为300mm的圆柱试样。由于再生细骨料具有更高的骨料吸水率，在进行混凝土制备时需要进行饱和吸水处理以避免直接加水所导致混凝土存在局部水灰比不同的情况影响作用，因而需要根据图的制备流程进行混凝土制备。首先将天然骨料和再生细骨料搅拌均匀，放入1/3的水使其进行饱和处理，同时进行2min的搅拌，再放入水泥以及剩下1/2的水进行3min搅拌，最后加入余下的水搅拌3min，胶浆搅拌充分后均匀放入EPS颗粒搅拌5min。再将拌合均匀的混凝土材料分层装入钢试模内部，并采用人工插捣方式使其均匀分布，装入模具后及时进行覆膜处理，在20±5℃，相对湿度大于50％的环境中养护24h后进行脱模处理，将试样彼此间隔10-20mm，放入20±2℃，相对湿度95％以上的标准恒温恒湿养护箱进行标准养护。经过28d标准养护后，及时取出，放入105±5℃的红外鼓风干燥箱进行烘干处理，留以待用；

再沿所述圆柱试样的轴截面将其对半切割成均匀的两份，露出其剖面，并剖面进行图像采集；将采集到的图像进行人工裁剪，保留有效部分；

再将裁剪的图像进行二进制转化，将图片类型从RGB转化为8-bit，同时进行降噪处理，得到分析图像；

将分析图像沿平均裁剪成5份，导入Image J软件对内部聚苯颗粒进行识别分割处理；

通过软件分析计算，提取图像中聚苯颗粒数量以及位置分布相关信息参数。

经过对24h、48h不同碳化时间以及25％、50％、75％、100％不同再生细骨料取代率条件下聚苯颗粒在混凝土中均匀性分布情况研究，发现再生细骨料的聚苯颗粒混凝土中的颗粒数量均匀性指标参数普遍低于天然河砂对照组，其主要原因是再生细骨料的高吸水性、不规则形貌以及棱角。

而碳化处理的碳化骨料则有效改善了聚苯颗粒在混凝土中的分布，在碳化骨料聚苯颗粒混凝土中，随着骨料取代率增加，混凝土各项均匀性指标参数绝对值呈下降趋势。碳化处理填充了骨料表面的孔隙结构、降低了骨料的吸水率。在相同水灰比条件下，浆体与骨料处于较好的裹挟状态，在一定程度上缓解了未碳化再生细骨料砂浆与聚苯颗粒之间的团聚效应，优化了聚苯颗粒在混凝土中的分布。

比较24h、48h碳化预处理条件下聚苯颗粒混凝土的均匀性量化指标参数发现，48h碳化预处理组的均匀性能指标参数绝对值普遍低于24h碳化组，因此建议在考虑到聚苯颗粒均匀性分布因素后，建议最佳的碳化时间为48h。

有益效果：本发明的技术方案通过对废弃混凝土制备的再生细骨料进行碳化预处理来改善再生骨料的性能，为后续碳化预处理再生细骨料的工程应用提供参考依据，能有效回收利用大量的废弃混凝土和聚苯乙烯资源，节约自然砂石资源，有利于环境保护，合理利用建筑固废并进行碳封存，符合绿色、低碳、节能建筑发展的新方向。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其特征在于按以下步骤进行：

步骤一、制备再生细骨料；

将废弃混凝土块破碎，得到再生细骨料；

首先对废弃的混凝土进行钢筋剥离，得到废弃混凝土块，通过初步破碎得到25-50mm的再生粗骨料，再采用颚式破碎机进行破碎处理，并通过震筛机进行筛分处理得到再生细骨料；

步骤二、将所述再生细骨料投入碳化炉内，抽真空至-0.1MPa；再通入CO₂至碳化炉内压强为0.1-0.4MPa，碳化12-48h，得碳化细骨料；

步骤三、以600：240-360：120-240：7.5的质量比将水泥、河砂、碳化细骨料、EPS颗粒混合均匀，再按照0.46的水灰比加入水，混合均匀。

2.根据权利要求1所述的利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其特征在于：所述步骤二中，先将所述再生细骨料放置于温度为22-28℃、湿度为45-55％RH的室内环境中静置7d，再将其投入碳化炉内进行碳化处理。

3.根据权利要求1所述的利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其特征在于：在所述步骤二中，向所述碳化炉内通入CO₂至压强为0.4MPa，碳化时间为48h。

4.根据权利要求1所述的利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其特征在于：所述碳化炉包括罐体(1)和密封扣合在该罐体(1)上的罐盖(2)，在所述罐体(1)的底部连接有排污管(11)和CO₂进气管(12)，在所述罐体(1)的上部连接有负压抽吸管(13)；

在所述罐盖(2)上设有温度表(21)、安全阀(22)和排空管(23)。

5.根据权利要求4所述的利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其特征在于：在所述罐体(1)内竖向分布有若干支撑托盘组件；

所述支撑托盘组件包括至少三个支撑块(31)和一个支撑盘(32)，所述支撑块(31)固定在所述罐体(1)的内壁，所述支撑盘(32)平铺在所述罐体(1)内，所述支撑盘(32)的边缘搭接在对应的所述支撑块(31)上，在所述支撑盘(32)的边缘开设有让位缺口，该让位缺口与所述支撑块(31)一一对应。

6.根据权利要求1所述的利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其特征在于：所述CO₂进气管(12)竖向设置，所述CO₂进气管(12)的上部伸入所述罐体(1)内，所述CO₂进气管(12)的上端端口封闭，在所述CO₂进气管(12)的上部管壁上设有侧向进气口。

7.根据权利要求1所述的利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其特征在于：所述罐体(1)内壁的底部为弧形面，所述弧形面的凹面朝上；

所述排污管(11)竖向设置，所述排污管(11)的上端与所述弧形面的最低处连接，所述排污管(11)的上端管口与所述罐体(1)连通；

在所述罐体(1)内对应所述排污管(11)的上端还设有管口挡罩(14)，该管口挡罩(14)罩扣在所述罐体(1)底部，该管口挡罩(14)的边缘与所述罐体(1)的内壁固定连接，所述管口挡罩(14)上设有若干小孔。

8.根据权利要求1所述的利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其特征在于：所述罐体(1)和所述罐盖(2)上分别设有相互匹配的法兰盘。

9.根据权利要求1所述的利用碳化再生细骨料配制聚苯颗粒混凝土的方法，其特征在于：所述排污管(11)上设有排水阀，在所述CO₂进气管(12)上设有减压阀，所述排空管上(23)安装有压力表；

在所述罐体(1)外设有至少三个支脚(4)。

10.一种聚苯颗粒混凝土的均匀性测试方法，其特征在于按以下步骤进行：

首先按照权利要求1-3任一项所述方法制备直径为150mm，高度为300mm的圆柱试样；

再沿所述圆柱试样的轴截面将其对半切割成均匀的两份，露出其剖面，并剖面进行图像采集；将采集到的图像进行人工裁剪，保留有效部分；

再将裁剪的图像进行二进制转化，将图片类型从RGB转化为8-bit，同时进行降噪处理，得到分析图像；

将分析图像沿平均裁剪成5份，导入Image J软件对内部聚苯颗粒进行识别分割处理；

通过软件分析计算，提取图像中聚苯颗粒数量以及位置分布相关信息参数。