再生骨料混凝土力學、變形和耐久性能的研究

吳仕成，嚴捍東

（華僑大學土木工程學院，福建廈門361021）

混凝土是建設行業(yè)不可或缺的重要建筑材料，同時也是主要的固體廢棄物源頭。廢棄混凝土主要來源于舊鋼混構(gòu)筑物拆除廢棄物、混凝土生產(chǎn)、施工或試驗產(chǎn)生的廢棄物等。再生骨料混凝土是指將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗與分級后，按一定的級配要求混合形成的骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成的新混凝土［1］。美國、日本和歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)對廢棄混凝土的再生利用始于20世紀六七十年代，我國基于國家層面的廢棄混凝土再生利用項目始于20世紀末期。國內(nèi)外的研究結(jié)果均表明，對廢棄混凝土進行相關(guān)處理所生產(chǎn)的再生骨料，經(jīng)合理技術(shù)配制的再生骨料混凝土性能可達天然骨料混凝土性能要求。

硬化混凝土力學、變形和耐久性能是決定其是否能夠長期安全使用于建筑構(gòu)件的基本材料性能，本文在對國內(nèi)外有關(guān)再生骨料混凝土性能研究成果系統(tǒng)綜述和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合2010年和2011年相繼頒布的《混凝土和砂漿用再生細骨料》（GB／T 25176）、《混凝土用再生粗骨料》（GB／T25177）和《再生骨料應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T240）提出再生骨料混凝土在結(jié)構(gòu)工程應用方面應注意的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 再生骨料混凝土的力學性能

1.1 抗壓強度

王智威［2］試驗了原強度等級為C20、C35、C40、 C50、C80的廢棄混凝土再生骨料對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，28d時再生骨料混凝土的抗壓強度較普通混凝土均有一定程度的降低，降低幅度為12.5%～9.0%。造成抗壓強度有降低的主要原因是再生骨料表面附著的廢舊水泥砂漿強度較低，在再生骨料與新的水泥砂漿間形成受力的薄弱區(qū)域，另外，再生骨料表面黏附的水泥砂漿吸水率大，在相同用水量時，再生骨料混凝土的流動性降低使得混凝土不易密實成型。筆者認為，再生骨料混凝土抗壓強度降低幅度隨廢棄混凝土原強度等級降低而提高，因廢棄高強混凝土在破碎時砂漿及砂漿與骨料界面結(jié)構(gòu)受損程度小，使得骨料表面黏附砂漿強度高，吸水率低，有利于減小對新拌混凝土流動性和抗壓強度的不利影響。宋瑞旭等［4］的試驗結(jié)果也證明了上述觀點，其再生骨料采用廢棄的C100高強混凝土生產(chǎn)，與相同配比的天然骨料混凝土相比，所配制的C80再生骨料混凝土的抗壓強度不僅沒有降低，反而有所提高，根據(jù)《混凝土和砂漿用再生細骨料》（GB／T25176）和《混凝土用再生粗骨料》（GB／T25177）規(guī)定，再生粗骨料可以分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類3個等級，壓碎指標分別為12%、20%、30%，吸水率分別為3%、5%、8%，而《建設用卵石、碎石》（GB／T14685）的相應規(guī)定分別為，碎石為10%、20%、30%，卵石為12%、14%、16%，吸水率要求為1%、2%、2%，差異較大，在再生混凝土設計時應給予重視。再生細骨料也分為3個等級，壓碎指標要求分別為20%、25%、30%。

Poon等［4］分別使用自然干燥、完全干燥以及飽和面干的3種含水狀態(tài)的再生粗骨料等體積取代（取代率分別為0、50%、80%、100%）天然粗骨料配制C40以上再生混凝土（水灰比為0.57）。試驗結(jié)果表明，自然風干再生粗骨料所配制混凝土的工作性和抗壓強度均優(yōu)于其他2種含水狀態(tài)的再生骨料混凝土的抗壓強度，且再生粗骨料取代率不超過50%時混凝土抗壓強度與天然骨料混凝土抗壓強度并無較大區(qū)別，其結(jié)論與我國《再生骨料應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T240）中所給出的對于Ⅰ類再生粗骨料以及取代率小于30%的Ⅱ、Ⅲ類粗骨料再生混凝土可視其為常規(guī)混凝土這一條文具有較好的相符性。Sim等［5］也通過試驗發(fā)現(xiàn)隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土的抗壓強度逐漸降低，并建議當結(jié)構(gòu)混凝土的天然粗骨料被完全取代時，其砂子也可使用再生細骨料取代，但其等體積取代率不應超過60%。楊寧等［6］的試驗結(jié)果表明，表面噴灑聚乙烯醇溶液外裹水泥漿的再生骨料制備的再生混凝土立方體抗壓強度提高約22%。

1.2 抗折強度

徐蔚［7］在相同水灰比條件下，用再生粗骨料以0、30%、50%、70%、100%等質(zhì)量取代天然粗骨料配制混凝土。試驗結(jié)果表明，再生混凝土的抗折強度隨著取代率的增加呈現(xiàn)類似上凸二次拋物線變化，但其壓折較普通混凝土高，且隨著再生骨料取代率的增加而增加。

Padmini等［8］通過試驗發(fā)現(xiàn)，再生骨料混凝土抗折強度比基準混凝土抗折強度低，且與基準混凝土之間抗折強度的差值隨著混凝土強度的降低而逐漸減小。Amnon等［9］也得出了相似的結(jié)論在相同的水灰比條件下，再生骨料混凝土的抗折強度低于天然骨料混凝土。

1.3 劈裂抗拉強度

劉豐等［10］研究了再生粗骨料等質(zhì)量取代0、30%、50%、70%、100%天然骨料配制C20、C30混凝土的劈裂抗拉性能，提出再生骨料混凝土劈裂抗拉強度和抗壓強度間的關(guān)系式為：ft，s＝1.363＋0.046fcu，兩者間線性關(guān)系良好，而普通混凝土劈裂抗拉強度和抗壓強度間的關(guān)系式為：ftk＝0.88αc2×0.395f0.55cu，k（1－1.645δ）0.45［11］，兩者間不具有線性關(guān)系。

Tabsh等［12］根據(jù)ASTM C496方法測定了再生骨料混凝土的劈裂抗拉性能。結(jié)果表明，基準混凝土的強度越低，與基準混凝土相比其劈裂抗拉強度損失率便越大，當基準混凝土達到50MPa時再生骨料混凝土的劈裂抗拉強度與天然骨料混凝土的劈裂抗拉強度已相差不大。Marios等［13］對再生高性能混凝土的研究結(jié)果表明，天然骨料混凝土抗拉強度比再生骨料混凝土抗拉強度高，但兩者相差不超過10%，粉煤灰或硅粉共同摻入可提高再生骨料混凝土的抗拉性能。Evangelista等［14］通過試驗指出，在天然粗骨料被完全取代的條件下，使用再生細骨料的混凝土劈裂抗拉強度隨著再生細骨料摻量的增加而降低，并指出再生細骨料的摻加量以等體積取代率不超過30%為宜。

吳建華等［15］研究了不同摻量的聚丙烯纖維和硅粉對再生骨料混凝土劈裂抗拉強度的影響，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維和硅粉雙摻可以使再生混凝土的劈拉強度提高33.3%，且聚丙烯纖維對混凝土劈拉強度的影響比硅粉大。

結(jié)合《再生骨料應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T240—2011）分析可知，混凝土原強度等級、再生骨料的堅固性、壓碎指標、吸水率、強化與否及取代率均是影響再生混凝土力學性能的重要因素，同時，廣大研究者所提出的粗、細骨料取代率也與此規(guī)范所推薦的50%、30%較吻合［16］。

2 再生骨料混凝土的變形性能

2.1 彈性模量

胡敏萍［17］用再生粗骨料以30%、50%、70%、100%等質(zhì)量取代天然粗骨料進行了再生骨料混凝土彈性模量的試驗，結(jié)果表明，當再生粗骨料的取代率增加時，混凝土的彈性模量逐漸降低，再生粗骨料完全取天然粗骨料時，彈性模量下降23.4%。筆者認為，再生骨料表面黏附砂漿仍是造成混凝土彈性模量降低的主要原因。

Dhir［18］和Mellmann［19］分別研究了再生粗骨料取代率為100%時混凝土彈性模量與抗壓強度的關(guān)系，并分別得到了關(guān)系表達式：Ec＝7.77×103× f0.33cu、Ec＝13 100＋370fcu和Ec＝8 242＋378fcu。其與普通混凝土的經(jīng)驗公式［20］有較大的差異。

根據(jù)《再生骨料應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T240—2011）和《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB50010－2010），再生混凝土彈性模量較基準混凝土彈性模量低，且在C40以下其差值隨著混凝土強度的增大逐漸增大，差值范圍為（0.37～0.62）×104N／mm2［21］，具有較大的波動范圍，在再生混凝土設計施工中應給予充分重視。

2.2 干縮變形性能

水中和等［22］研究了再生粗骨料在不同含水狀態(tài)下（自然干燥、飽和面干、完全干燥）所配制混凝土的干縮變形性能，試驗顯示，由飽和面干狀態(tài)和完全干燥狀態(tài)的再生骨料制備混凝土的干縮值明顯高于自然干燥再生骨料混凝土的干縮值。這是因再生骨料的吸水性強，當其含水過高或過低時都可能導致界面區(qū)微結(jié)構(gòu)的多孔性，從而導致干縮增大。

李占印［23］使用弓形螺旋測微器研究了再生粗骨料完全取代天然粗骨料時混凝土的干縮變形性能，得出半年的收縮應變?yōu)椋?10～600）×10－6，較天然骨料混凝土的（600～900）×10－6略小，并指出再生骨料混凝土的齡期、再生混凝土粗骨料及水泥漿基體是影響再生混凝土收縮變形的關(guān)鍵因素。

Valeria［24］使用再生粗、細骨料分別等體積取代30%天然粗、細骨料，并測試了0.40，0.45，0.50，0.55和0.60水灰比條件下再生骨料混凝土的干縮性能，結(jié)果表明，相對于天然骨料混凝土，其180d時的收縮應變分別減少了14%和23%，且其早期收縮應變較低。

2.3 徐變

有關(guān)再生混凝土徐變的研究還比較少見。鄒超英等［25］的研究結(jié)果表明，再生粗骨料的摻加可降低再生混凝土的徐變度，且隨著再生細骨料的增加，徐變度總體表現(xiàn)為增加，其數(shù)據(jù)表明相對于基準混凝土，粗骨料完全被取代的再生混凝土的60、90d徐變度均降低16.6%。Andrzej等［26］通過試驗也得出了相似的結(jié)論——再生混凝土1年的徐變量要比普通混凝土低20%。

Domingo等［27］在相同的水膠比（0.5）條件下，研究了C40以上再生粗骨料不同取代率的再生混凝土徐變性能，結(jié)果顯示，天然粗骨料被完全取代的再生混凝土180d的徐變度較基準混凝土增加了32%，根據(jù)《再生骨料應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T240—2011）分析可知，其水膠比遠大于規(guī)范規(guī)定的0.4，水膠比過大是影響再生混凝土徐變增大的一個主要因素。

3 再生骨料混凝土的耐久性

3.1 抗凍性

崔正龍等［28］以再生粗、細骨料完全替代天然石、砂，測試0.45和0.55兩個不同水灰比時再生骨料混凝土的抗凍融性能。采用水中凍結(jié)溶解試驗方法，凍融循環(huán)300次以上，結(jié)果顯示，相對于天然骨料混凝土，其耐久性指數(shù)分別降低6%和10%，但均滿足混凝土凍融循環(huán)性能要求。《混凝土用再生粗骨料》（GB／T 25177）和《建設用卵石、碎石》（GB／T14685）規(guī)定了再生粗骨料和建筑用石的堅固性指標：對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類粗骨料質(zhì)量損失率限值分別為5%、10%、15%和5%、8%、12%，Ⅱ、Ⅲ類再生粗骨料的規(guī)定限值略有放寬。

Roumiana等［29］研究表明，再生骨料混凝土并不適用于暴露在極端條件下的有抗凍要求的結(jié)構(gòu)中，但當水灰比低于0.55時，可以使用于一般寒冷環(huán)境中。分析認為，高水灰比時再生骨料混凝土的孔隙率較高，力學性能較低，其結(jié)論也直接證明了《再生骨料應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T240—2011）中提倡使用高效減水劑而非提高水膠比這一條文具有較好的科學性。

張雷順等［30］分別對再生骨料分別進行了3種不同處理，即：不處理、飽和面干狀態(tài)以及增漿法（增加設計水泥漿的10%）對飽和面干再生骨料進行預裹漿，采用快速凍融法對3種不同再生骨料混凝土進行了200次抗凍融性能試驗，并與天然骨料混凝土作對比。發(fā)現(xiàn)引氣劑能夠改善再生骨料混凝土的抗凍性能，并且增漿法配制的再生混凝土的抗凍融性能最好，并指出使用強度損失指標能夠更好的衡量再生骨料混凝土的抗凍融性能。

3.2 抗氯離子滲透性

肖開濤等［31］針對不同取代率的再生骨料混凝土按ASTMCl202—97法分別做了2組氯離子抗?jié)B試驗，其分別為使用再生混凝土骨料中的粗骨料（5～20mm）取代天然碎石和細骨料（0.15～5mm）取代天然砂，取代為等質(zhì)量取代，取代率為0、30%、50%、70%、100%。試驗證明，隨著再生混凝土骨料摻量的逐漸增加，再生骨料混凝土的氯離子抗?jié)B性逐漸降低。隨著再生粗骨料取代量的增加，再生骨料混凝土的耐久性逐漸降低，且完全取代天然粗骨料的再生混凝土56d的抗氯離子滲透指標值較天然骨料混凝土增大了86.5%，再生骨料的取代率是影響混凝土抗氯離子滲透性的重要因素。

杜婷等［32］使用ASTM C1202法將天然骨料混凝土與摻入了粉煤灰、礦粉等微細礦物摻合料和加入高效減水劑的再生骨料混凝土進行了對比試驗。結(jié)果表明，粉煤灰、礦粉等礦物摻合料可以改善再生骨料混凝土的氯離子滲透性，但再生骨料混凝土的抗氯離子滲透性仍比天然骨料混凝土差，不過其抗氯離子滲透性較好。

3.3 耐磨性

關(guān)于再生混凝土耐磨性研究的成果并不多。陳建良［33］用再生混凝土粗骨料以0、25%、50%、75%、100%（質(zhì)量比）取代天然粗骨料配制再生骨料混凝土，并按國標JTGE30－2005進行耐磨試驗。結(jié)果顯示，再生骨料混凝土耐磨性能與天然骨料混凝土相差不大，當完全取代時再生骨料混凝土的耐磨性下降了16.5%，并指出摻入20%（與水泥的質(zhì)量比）的粉煤灰可以提高再生骨料混凝土的后期耐磨性能。

3.4 抗碳化性

葉禾［34］使用天然碎石、傳統(tǒng)工藝制備的普通再生骨料，以及在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上增加了機械磨損和水沖洗兩道工序制備的高品質(zhì)再生骨料分別配置C20～C30混凝土，并進行了28d抗碳化對比試驗。結(jié)果顯示，普通再生骨料混凝土骨料和高品質(zhì)再生骨料混凝土較天然再生骨料混凝土的碳化深度分別有了9%的增加和2%的減少。筆者認為，再生骨料砂漿微粉含量過高是造成再生混凝土抗碳化性能等耐久性降低的一個重要原因。

崔正龍等［35］使用再生粗、細骨料的置換率均為50%（質(zhì)量比例）進行配制C30再生骨料混凝土，其中鈣系膨脹劑的摻量為20kg／m3，利用加速碳化試驗方法進行碳化試驗。結(jié)果顯示，再生骨料混凝土與天然骨料混凝土碳化深度相差不大。分析認為是由于混凝土中添加了鈣系膨脹劑后的水化產(chǎn)物在一定程度上填充了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微小的毛細孔，從而增強了混凝土的抗碳化能力。

Claudio等［36］通過使用再生混凝土骨料的細骨料以0、20%、30%等體積取代天然細骨料，配制再生混凝土，并放在工業(yè)區(qū)的天然環(huán)境中進行310d和620d的再生骨料混凝土的碳化試驗。結(jié)果顯示，再生骨料混凝土與天然骨料混凝土的抗碳化性能基本一樣。《混凝土和砂漿用再生細骨料》（GB／T 25176）和《建設用砂》（GB／T14684）規(guī)定了再生細骨料和建筑用砂的堅固性指標：對于Ⅰ、Ⅱ類細骨料質(zhì)量損失率均不能超過8%、10%，而對于Ⅲ類細骨料《建設用砂》（GB／T14684）規(guī)定為10%，《混凝土和砂漿用再生細骨料》（GB／T 25176）規(guī)定為12%，且不宜用于配制結(jié)構(gòu)混凝土。

4 結(jié)語

（1）再生骨料在原材料、性能、工程應用方面與天然骨料略有不同。《混凝土和砂漿用再生細骨料》（GB／T 25176）、《混凝土用再生粗骨料》（GB／T25177）中對再生骨料的壓碎指標、堅固性、吸水率等性能的相關(guān)規(guī)定對再生骨料至關(guān)重要，同時其針片狀含量指標也偏于嚴格，擴大再生骨料的工程應用范圍，其前提必須能夠更好地解決再生骨料的制備、強化等問題。

（2）有關(guān)再生混凝土的力學、變形和耐久性能的研究均顯示其具有較好的工程應用性，但有關(guān)再生骨料對混凝土各項性能影響機理的研究還不夠透徹，應加強再生骨料——砂漿黏附界面機理的微觀研究。

（3）相對于廣大研究者進行的單軸抗壓、劈裂抗拉、抗折的簡單應力情況下的力學試驗，工程應用中的混凝土往往處于復雜應力狀態(tài)下，因而加強再生混凝土在復雜應力作用下的研究具有重要意義。

（4）再生混凝土的變形性能較基準混凝土具有較大變化，再生骨料的取代率、含水率以及水泥漿基體是影響再生混凝土變形性能的主要因素，同時，在再生混凝土設計施工中對再生混凝土的變形性能應給予充分考慮。

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