再生骨料透水性混凝土研究綜述

李子成 黨曉海 張愛菊

（石家莊鐵路職業(yè)技術學院1） 河北石家莊 050041 中國石油天然氣管道局2） 河北廊坊 065000）

再生骨料透水性混凝土研究綜述

李子成1）黨曉海2）張愛菊1）

（石家莊鐵路職業(yè)技術學院1）河北石家莊 050041 中國石油天然氣管道局2）河北廊坊 065000）

再生骨料透水性混凝土是新興的減輕環(huán)境負荷型混凝土，簡要介紹了再生骨料透水性混凝土的研究進展與應用。總結了再生骨料的生產及改性工藝的研究現(xiàn)狀，并對再生骨料透水性混凝土研究尚需解決的關鍵問題進行了分析，并對其應用前景進行了展望。

再生骨料 改性 透水性混凝土

1 前言

隨著人們環(huán)境意識的增強，傳統(tǒng)混凝土硬化路面的負面影響越來越受到人們重視。傳統(tǒng)路面大多采用瀝青、混凝土、石板材或預制磚鋪設，故被稱為硬質路面。優(yōu)點是整齊耐用，但是最大的缺點是不透水，降雨時地面積水要靠地下污水管道，雨水直接作為污水被處理，使得城市雨天積水內澇，弱化城市環(huán)境的呼吸功能，造成“熱島效應”，同時也加劇了城市地面揚塵等空氣質量問題[1]。而透水性路面則很好地解決了這些問題。同時隨著新型工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，每年拆除廢舊混凝土的數(shù)量巨大。將廢棄混凝土制成再生骨料的開發(fā)和應用，解決了大量廢棄混凝土的處理困難；同時用廢棄混凝土循環(huán)再生骨料替代天然骨料，可以減少建筑業(yè)對天然骨料的消耗[2-4]。再生骨料透水性混凝土的研發(fā)及應用符合可持續(xù)發(fā)展的要求，同時將其應用于道路鋪裝，也是發(fā)展海綿城市的重要基礎材料。國務院辦公廳《關于推進海綿城市建設的指導意見》（國辦發(fā)[2015]75號）指出：通過海綿城市建設，綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，將70%的降雨就地消納和利用。到2020年，城市建成區(qū)20%以上的面積達到目標要求；到2030年，城市建成區(qū)80%以上的面積達到目標要求。鋪裝透水性路面則是達到目標要求的重要基礎材料。在可持續(xù)發(fā)展等思想的指導下，美國、日本及歐洲各國等一些發(fā)達國家在上世紀80年代就開始了透水混凝土的研究與開發(fā)工作。已將其應用于道路鋪裝工程、園林工程和環(huán)境工程等多個領域，取得了良好的效果。國內對透水性混凝土的研究取得一定的成果，尤其是再生骨料透水性混凝土領域尚處于起步階段，因此，本文對再生骨料的性能研究、透水性混凝土應用存在的問題及發(fā)展趨勢等方面的進行總結，為再生骨料透水性混凝土的深入研究與應用提供參考。

2 再生骨料研究現(xiàn)狀

再生混凝土骨料（Recycled Concrete Aggregate，RCA）簡稱再生骨料（Recycled Aggregate），是指將建（構）筑物廢棄中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等經過破碎、清洗與分級后，接一定比例與級配配合而成。顆徑不大于4.75mm的顆粒稱為再生細骨料，顆徑大于4.75mm的顆粒稱為再生粗骨料。作為部分或全部骨料重新拌制的混凝土稱其為再生混凝土。近年來，隨著世界范圍建筑業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，混凝土用量不斷增大，開采天然砂石骨料造成的環(huán)境破壞和資源枯竭己日趨嚴重。同時隨著上世紀中后期建筑物的日漸淘汰更新，以廢棄混凝土為主體的建筑垃圾的產生和排出數(shù)量也在快速增長，據(jù)統(tǒng)計，我國每年因拆除舊建筑產生的固體廢棄物有2億噸以上，僅廢棄混凝土大約有1億噸左右，其巨大處理費用和由此引發(fā)的環(huán)境問題十分突出[5]，而且廢棄混凝土骨料顆粒形態(tài)、工作性能及力學性能差別很大，為此，2010年出臺了相應的國標GBT25176-2010《混凝土和砂漿用再生細骨料》和GBT25177-2010《混凝土用再生粗骨料》，用以規(guī)范再生骨料的性能及應用。

2.1 再生骨料種類及生產工藝

再生骨料主要來源于建（構）筑物廢棄中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等塊狀材料經加工分級而成。因此，根據(jù)主要來源的不同，目前使用的再生骨料主要有如下幾種：

（1）廢棄混凝土再生骨料。這是使用量最大及應用最為廣泛的再生骨料。目前對廢棄混凝土的再生利用方面，重點是在對再生骨料和再生混凝土基本性能的研究。包括對新拌混凝土的和易性及硬化混凝土的物理性能、力學性能和耐久性等。研究資料表明再生混凝土基本能滿足普通混凝土性能的要求，將其應用于工程結構是可行的。

（2）廢棄磚瓦再生骨料。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，針對上世紀中后期主要是磚混結構的建筑物垃圾來說，大量廢棄磚瓦的再次利用問題不可忽視，張?[6]采用大粒徑廢磚再生粗骨料、廢混凝土再生細骨料制作再生混凝土預制墻板，表明建筑垃圾廢磚再生粗骨料強度較低，不適用于配制對強度要求較高的普通混凝土，但可用于配制對強度要求不高的墻板類構件或其他墻體材料的混凝土；廢混凝土再生細骨料除吸水率較大外其他性能與天然砂相近，采取一定措施后可替代天然砂配制混凝土。謝玲君等研究了磚瓦再生骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度與磚瓦再生粗骨料的級配、強化處理方法等，認為廢棄磚瓦再生骨料經過處理可以用于混凝土的生產。

（3）廢棄瀝青混凝土再生骨料。目前我國已進入各等級公路建設與翻修的并存期，尤其是高等級公路大多為瀝青混凝土路面。如果重新鋪筑這些老化路段的瀝青混凝土，將需要大量的瀝青和石料。瀝青混合料再生技術能最大限度的利用廢舊瀝青，節(jié)省大量的砂石料，并能有效節(jié)約開采砂石料和廢棄舊料占用的大量土地資源。目前主要是采用廠拌熱再生的方式對廢棄瀝青混凝土進行在加工處理[7-8]。

（4）廢棄陶瓷再生骨料。廢棄陶瓷再生骨料與水泥石界面粘結問題是限制廢建筑陶瓷廣泛應用于再生混凝土的關鍵[9]。毋雪梅[10]利用經破碎篩分的廢棄陶瓷再生砂代替天然砂配制砌筑砂漿與混凝土，證明廢棄陶瓷再生砂性能良好，完全可以替代天然砂配制建筑砂漿和混凝土，具有良好的環(huán)境與經濟效益。

（5）廢棄玻璃再生骨料。廢棄玻璃特有的色澤及透光性使得廢棄玻璃再生骨料具有良好的裝飾及特殊環(huán)保性能，可以制成透明及半透明混凝土，2010年上海世博會意大利館采用透明混凝土可以形成不同透明度的漸變，還能折射室外的自然光，減少室內燈光的使用，從而節(jié)約能源。谷倩等人采用廢棄多孔玻璃制備出具有良好保溫性能的輕質混凝土[11]。

2.2 再生骨料的改性

再生骨料由于來源的特殊性，使其具有與天然骨料諸多不同的性能。用量最大的再生混凝土骨料表面由于包裹著部分硬化水泥砂漿（又稱附著砂漿），許多性能與天然骨料存在著差異，由于機械加工而成導致再生骨料顆粒棱角多且表面粗糙，同時組分中還含有硬化水泥砂漿，再加上混凝土破碎損傷累積在內部造成大量微裂紋，其差異主要表現(xiàn)在視密度、堆積密度、空隙率、吸水率、吸水速度和壓碎指標等參數(shù)的不同。為了提高再生混凝土的性能，有必要對再生骨料進行性能改善處理。而再生骨料的壓碎指標和吸水率較高對再生混凝土性能影響較大，再生骨料——水泥石界面層是再生混凝土最薄弱區(qū)域，對再生骨料的改性主要集中在從顆粒形態(tài)、表面狀態(tài)及降低吸水率等方面。

（1）顆粒形態(tài)改性。再生骨料的顆粒形態(tài)直接影響到新拌混凝土的和易性及硬化混凝土的強度及耐久性。對顆粒形態(tài)的改性主要是機械強化法，目的在于破壞弱的再生松散碎石顆粒，打碎針片狀顆粒，除去粘附于顆粒表面的水泥砂漿等。國內外采用的再生骨料機械強化方法主要有立式偏心輪高速研磨法、臥式強制研磨法、加熱研磨法以及磨內研磨法等幾種方法[12]。

（2）表面狀態(tài)改性。目的是提高再生骨料——水泥石界面層連接性能。一種是物理方式改性。郝先成等人從骨料表面狀態(tài)入手，配制了一種再生骨料改性外加劑，外加劑中引入部分超細粉料，堵塞骨料表面的空隙，減少孔隙較大帶來的工作性難以控制的問題[13]。另一種普遍采用的是化學處理方法，利用化學漿液對再生骨料進行浸漬、淋洗、干燥等處理，或直接填充再生骨料的孔隙；或與骨料中某些成分反應的生成物能填充再生骨料的孔隙；或漿液能將再生骨料本身微細裂紋粘合等[14]。用機械強化與化學強化相結合的方法處理再生粗骨料，也可明顯提高再生粗骨料的品質。

（3）降低吸水率。主要有預浸漬水分、聚合物浸漬、加入膨脹劑改性等工藝。池漪[15]先用3 %HCl處理，再用1 %PVA處理得到的再生粗骨料。其吸水率為2.7 %，壓碎指標為7 %，與處理前相比分別降低了50 %和56 %。再生骨料混凝土中摻入膨脹劑，與僅使用硅酸鹽水泥的再生骨料混凝土相比，抗壓強度有明顯提高[16]。

3 再生骨料透水性混凝土研究

再生骨料透水性混凝土就是由間斷粒級的再生粗骨料、水泥、水、少量的砂及混合材進行適當調配，進行攪拌、澆注、養(yǎng)護而形成的一種生態(tài)混凝土。其粗骨料表面包覆著一薄層膠凝材料，使粗骨料彼此相互粘結，內部含有大量的連通孔隙。作為透水路面材料主要應用于廣場、步行街、道路兩側和中央隔離帶、公園內道路以及停車場等。在下雨或路面積水時，水能沿著這些貫通的孔隙通道順利地滲入地下或存于路基。與傳統(tǒng)硬化混凝土路面相比，再生骨料透水性混凝土作為路面材料在增加城市的透水、透氣空間，對調節(jié)城市微氣候、保持生態(tài)平衡等方面有著廣闊的應用前景，對于促進國民經濟建設和低碳經濟發(fā)展也有著非常重要的經濟效益和社會效益。利用廢棄的混凝土加工代替天然骨料的再生骨料混凝土屬于減輕環(huán)境負荷型混凝土[17]，能節(jié)省天然礦物質資源，同時減輕固體廢渣對環(huán)境的污染，在資源和環(huán)境保護方面具有不可估量的社會效益。再生骨料透水性混凝土具有普通混凝土不具備的特殊功能，這些功能無一不與環(huán)境保護和生態(tài)環(huán)境建設有關。但是存在一些亟需解決的關鍵問題：

（1）再生骨料性能穩(wěn)定性差。從材料角度來看，透水性混凝土與普通混凝土很大的不同是對骨料的要求，尤其是采用再生骨料生產透水性混凝土。再生骨料強度也是影響透水性混凝土的關鍵因素，根據(jù)《鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程》(CECS03:88)第六章6.06條規(guī)定，單個構件或單個構件的局部區(qū)域可取芯樣試件混疑土強度換算值中的最小值作為其代表值。采用鉆芯方法可以有效確定預選廢棄混凝土強度。

（2）復合膠凝材料活性差。多數(shù)文獻中都指出了加入粉煤灰，硅灰，鋼渣等作為摻合料替代部分膠凝材料，而且摻合料的引入對于提高透水性混凝土綜合性能也有一定的貢獻。但應用大多數(shù)局限于達到利用工業(yè)廢棄物、降低成本的目的， 還是以大量水泥為主要成分。有關工業(yè)廢棄物潛在水活性激發(fā)機理，多種潛在活性摻合料復合為主導的膠凝材料的引入對于提高透水性混凝土的協(xié)同增強效應規(guī)律還需深入研究。

（3）再生骨料透水性混凝土高透水性與高強度的矛盾。李鑫等人提出用建筑垃圾再生混合骨料配制透水性混凝土的方案，并從強度和透水性兩個方面對配制的透水性混凝土進行了試驗研究。王瓊，嚴捍東等學者通過對以建筑垃圾再生骨料為原材料的透水性混凝土試驗，明確了以再生骨料為基礎的透水混凝土的力學性能，并進行了配合比的探索，改進了透水試驗裝置，提出出科學的孔隙率計算模型。透水性混凝土的特殊性能（高孔隙率、高透水性等）決定了硬化后的結構主要由水泥石、界面過渡區(qū)和集料三部分組成，其中界面過渡區(qū)的性質對透水性混凝土的結構強度起著決定性的作用。因此，針對再生骨料的界面特性，并深入研究透水性混凝土界面過渡區(qū)的結構對于解決透水性混凝土高強與高透水性的矛盾起到關鍵性作用。目前急需進行有關透水性混凝土微觀界面結構表征、界面結構設計的研究。

（4）耐久性差。目前為了解決高強度與高透水性的矛盾，研究者通常采用較高強度等級的普通硅酸鹽水泥作為主要膠凝材料（部分文獻以瀝青或其他高分子樹脂為膠結材料），不摻或摻入少量摻合料，采用單一粒級的粗骨料，不用或少用細骨料配制的多孔混凝土。為保證混凝土的強度，需添加一定量的高效減水劑以達到較低的水灰比，工程上也叫無砂大孔混凝土。這類混凝土強度較高，透水性好，貫通孔較多。但是成本較高，廢棄物利用率低，經濟效益及社會效益較差。而且含有較多的尺寸較大連通孔隙，由溫濕變化造成的體積穩(wěn)定性差。所以作為路用鋪裝材料， 降低混凝土收縮變形，提高耐磨性和抗凍性是要解決的關鍵問題。

4 結語

在 GB/T 50378-2006《綠色建筑評價標準》對室外場地的鋪裝要求中，明確地提出要推廣透水材料：公共建筑方面“室外透水地面面積比大于等于40%”，在住宅區(qū)“室外透水地面面積比大于等于45%”。增強地面透水能力，對儲留地下水、滋養(yǎng)草木、降塵、防噪、凈化空氣、調節(jié)氣候等都起著十分積極的作用[18]。目前我國對再生骨料透水性混凝土的研究尚處于試驗室階段，至于形成產業(yè)規(guī)模化和可持續(xù)性發(fā)展，還需要在再生骨料研究及透水性混凝土研究領域做深入的創(chuàng)新試驗和研究探討，制定符合我國國情的行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范和政策條例，為我國今后的環(huán)境和資源節(jié)約作出貢獻。

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Review on the Research of Recycled Aggregate Water-Permeable Concrete

LI Zi-cheng1）DANG Xiao-hai2）ZHANG Ai-ju1）
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1）Shijiazhuang Hebei 050041 China Petroleum Pipeline Bureau2）Langfang Hebei 065000 China)

Recycled aggregate water-permeable concrete is a new type of concrete reducing the environmental burden, the thesis briefly introduces the research progress and application of recycled aggregate water-permeable concrete, summarizes the research status of the production and modification process of recycled aggregate, analyzes the main problems to be solved in the study of recycled aggregate water-permeable concrete, and forecasts its application prospects.

recycled aggregate modification water-permeable concrete

A

1673-1816(2016)04-0067-05

2016-03-28

李子成（1979-），男，河北秦皇島人，博士，副教授，材料學碩士生導師，研究方向新型建筑材料及工業(yè)固體廢棄物資源化的研究工作。

河北省高等學校科學技術研究青年項目（項目編號QN2015177及項目編號QN2016250），河北省科技計劃項目（項目編號15211504）及石家莊市科學技術研究與發(fā)展計劃項目（項目編號161160131A）。