《Materials》：Uniaxial Compression Constitutive Behavior of Mixed Recycled Brick-Aggregate Concrete After Carbonation
编辑推荐：
由废弃砖块和废弃混凝土破碎后替代天然粗骨料制备而成的混合再生砖骨料混凝土（MRBAC），是实现建筑固体废弃物资源化利用的一种有前景的方法，并具有广阔的工程应用前景。目前，关于加速碳化后MRBAC的单轴压缩本构模型的研究较少，这限制了其结构应用。本研究制作了16
由废弃砖块和废弃混凝土破碎后替代天然粗骨料制备而成的混合再生砖骨料混凝土（MRBAC），是实现建筑固体废弃物资源化利用的一种有前景的方法，并具有广阔的工程应用前景。目前，关于加速碳化后MRBAC的单轴压缩本构模型的研究较少，这限制了其结构应用。本研究制作了16组试件，采用了四种再生砖骨料（RBA）取代率——0%、10%、20%和30%，以及四种加速碳化时长——0 d、40 d、80 d和120 d。研究人员开展了加速碳化试验，测量了MRBAC的碳化深度、立方体抗压强度、弹性模量和单轴压缩本构曲线。试验结果表明，完全120天碳化使MRBAC的立方体抗压强度和弹性模量分别提高了16.07%–32.13%和28.3%–50.1%。碳化深度对峰值应力的影响比RBA含量更强，而强度增长率随碳化进程的推进而降低。峰值应变随碳化深度的增加而减小，但随RBA取代率的提高而增大，并且RBA的掺入改善了混凝土的延性。基于试验数据，研究人员提出了一种同时考虑碳化深度和RBA取代率耦合效应的MRBAC本构模型。该研究为MRBAC在碳化服役环境下的结构设计和推广应用提供了理论依据。
一、研究背景与意义
随着建筑固体废弃物排放量的激增，其中废弃混凝土和烧结粘土砖占据主导地位。将建筑垃圾破碎后制成再生骨料用于生产混凝土，既能减少废料堆放对环境造成的污染，又能遏制天然原材料的过度开采，并降低混凝土生产过程中的碳排放。因此，利用废弃混凝土和废弃砖块制造混合再生粗骨料是解决建筑固废处置困境的有效途径。然而，混凝土在暴露于大气CO2时会发生碳化反应，降低内部碱度并逐渐破坏钢筋钝化膜，导致钢筋锈蚀、体积膨胀，进而引发保护层开裂、构件承载力下降甚至失效。目前，针对单一类型再生骨料混凝土力学性能和抗碳化性能的研究较多，但对于混合再生砖骨料混凝土（MRBAC）的研究很少，且尚无文献建立碳化后MRBAC的应力-应变本构模型。为填补上述研究空白，本研究系统开展了MRBAC的加速碳化试验和单轴压缩试验，旨在揭示再生砖骨料（RBA）含量与碳化深度对MRBAC抗碳化性能、抗压强度、弹性模量及单轴压缩应力-应变行为的耦合机制，并建立考虑双因素的碳化MRBAC唯象单轴压缩本构模型。该研究可为利用建筑垃圾制备的MRBAC的工程应用提供基础数据和理论参考。论文发表于《Materials》。
二、主要技术方法
研究人员采用全因子试验设计，设置了4种RBA取代率（0%、10%、20%、30%）和4种加速碳化时长（0 d、40 d、80 d、120 d），共16组试件。原材料方面，水泥采用安徽海螺集团生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料包括来自南京寿嘉再生资源利用有限公司的再生混凝土骨料（RCA）和再生砖骨料（RBA），均采用连续级配，粒径小于25 mm；细骨料采用天然河砂。所有MRBAC配合比固定水灰比为0.52，目标强度等级C25，并对再生骨料的高吸水性采取预湿和附加水处理。试件制备包括100 mm立方体试件（每组12个）用于测定碳化深度和立方体抗压强度，以及100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件（每组6个）用于获取弹性模量及单轴压缩应力-应变曲线。养护条件为：拆模后在20±2°C、相对湿度60%±5%的环境中喷雾养护7 d，再自然室外养护至28 d总龄期后进行加速碳化。加速碳化试验严格遵循GB/T 50082-2024标准，采用HTX-1600G型自动混凝土碳化箱。碳化深度采用1%酚酞酒精指示剂法测量。立方体抗压强度试验和棱柱体单轴压缩试验均按GB/T 50081-2019执行，测试装置包括液压加载框架、荷载传感器、纵向位移传感器、应变片和高速度动态数据采集系统。
三、研究结果
3.1 MRBAC的碳化深度
研究表明，对于所有MRBAC配合比，碳化深度随碳化时间的延长单调增加。在相同龄期下，RBA含量越高，碳化深度越大。例如，碳化80 d后，MRBAC30的碳化深度比MRBAC0高出约13%。这是因为砖骨料孔隙率高、界面过渡区（ITZ）疏松，为CO2扩散提供了更多通道，加速了碳化进程。
3.2 碳化MRBAC的立方体抗压强度
试验结果显示，MRBAC的立方体抗压强度随RBA取代率增加而普遍下降，但随碳化时间延长而增长。完全120 d碳化后，各组的强度增幅为16.07%–32.13%。碳化产物填充了新鲜砂浆和ITZ中的孔隙，提高了基体密实度，从而提升了强度。对于高RBA含量的试件，碳化带来的强化效果更为显著，表明碳化可部分抵消砖骨料引入的不利力学影响。
3.3 碳化MRBAC的弹性模量
研究发现，无论RBA取代率如何，弹性模量均随碳化时间单调增加。从未碳化到完全碳化，各组弹性模量增幅为28.3%–50.1%。相同碳化龄期下，弹性模量随RBA含量增加而单调递减，降幅达31.8%–41.4%。这是由于砖骨料自身弹性模量较低（约20–30 GPa），其掺入降低了混凝土的整体刚度。碳化产物对多孔砖骨料及其周围ITZ的填充效应，使得高RBA含量试件的弹性模量增量更大。
3.4 碳化后棱柱体MRBAC试件的单轴压缩试验
3.4.1 试件破坏过程
碳化后的MRBAC破坏过程与普通骨料混凝土（NAC）相似，但最终破坏形态更破碎松散，易缺角。裂纹优先沿薄弱的砖-砂浆ITZ扩展，碳化后ITZ被致密化，改变了裂纹路径，增加了材料脆性。
3.4.2 实测应力-应变曲线
应力-应变曲线显示，碳化时间越长，峰值应力点向上移动，上升段整体左移，峰值应变减小，表明碳化提高了MRBAC的刚度并削弱了塑性特征。RBA含量越高，曲线初始斜率越小，弹性阶段非线性越早出现。完全碳化的试件下降段更陡，表明碳化降低了延性；而高RBA含量则使下降段更平缓，改善了应力传递能力和延性。
3.4.3 峰值应力与峰值应变
峰值应力随RBA取代率增加显著下降（MRBAC0比MRBAC30高20%），但随碳化加深，各组峰值应力差距缩小，完全碳化后各组峰值应力均接近31 MPa。碳化深度对峰值应力的影响比RBA含量更显著。峰值应变随RBA取代率升高而明显增大（MRBAC30比MRBAC0高31.5%），但随碳化深度增加而逐渐降低，碳化后期各组峰值应变差异缩小（差值从31.5%降至17.3%）。
3.4.4 MRBAC的单轴压缩应力-应变模型
研究人员基于Luo提出的再生骨料混凝土应力-应变模型，对形状参数进行了修正，建立了适用于MRBAC的本构模型。上升段形状参数a和下降段形状参数b的拟合公式均以碳化深度和RBA取代率为自变量，决定系数R2分别为0.97。通过与Zhu和Xu等人的已有试验数据对比验证，该模型对于低强度MRBAC在不同碳化条件下具有良好的适用性，但在高碳化深度和大应变条件下可能高估延性。
四、结论总结
（1）MRBAC的立方体抗压强度随RBA取代率增加而降低，但随碳化时间延长持续上升。完全120 d碳化后，立方体抗压强度增幅为16.07%–32.13%。碳化补偿了砖骨料引起的强度损失，并缩小了不同RBA用量配合比之间的力学性能差异。
（2）弹性模量随碳化时间单调增加，早期碳化阶段刚度提升更快。完全碳化使弹性模量提高28.3%–50.1%，而30% RBA取代率使弹性模量比不含RBA的MRBAC降低约38%。
（3）碳化显著提高了峰值压应力（完全碳化后平均增长43.1%），并降低了峰值应变（平均降低20.75%）。RBA掺入增加了峰值应变并使峰后下降段趋于平缓，改善了MRBAC的延性。
（4）提出了综合考虑RBA取代率和碳化深度对曲线形状系数耦合影响的碳化MRBAC单轴压缩应力-应变本构模型。通过与已发表试验数据的独立验证，确认该模型对低强度混合再生砖骨料混凝土在不同碳化条件下具有可靠的适用性。需注意，该经验模型适用于水灰比0.52、C25强度等级、RBA取代率0–30%、碳化深度0–50 mm范围内的MRBAC，不建议外推至上述范围之外的参数。
