再生骨料混凝土基本性能與微觀形態分析綜述

陳剛，魏忠，馬坤，張新勝，馬世豪

（1. 河南中建西部建設有限公司，河南 鄭州 451450；2. 河南鄭東新區管委會安監局，河南 鄭州 451450）

技術版

再生骨料混凝土基本性能與微觀形態分析綜述

陳剛1，魏忠1，馬坤2，張新勝1，馬世豪1

（1. 河南中建西部建設有限公司，河南 鄭州 451450；2. 河南鄭東新區管委會安監局，河南 鄭州 451450）

再生骨料混凝土及再生道路材料的研究應用不僅將建筑垃圾有效資源化，而且對社會可持續發展具有重要意義。本文主要針對破碎、處理后的原生骨料的形態和性質進行分析，探討了再生骨料混凝土的抗壓強度、彈性模量、耐久性能等基本性能，分析了再生骨料和砂漿界面微觀結構，為高強再生骨料混凝土的研發應用提供了理論依據。

再生骨料；影響因素；基本性能；微觀結構

0 引言

目前我國正處在大興土木、基礎設施建設快速發展時期，各種砂石料等建筑材料需求量巨大，資源能源匱乏問題日益嚴重，同時因大量拆遷工程產生的廢棄混凝土也越來越多。資料顯示[1]，我國每年僅因拆遷、改建、擴建等工程所產生的廢棄混凝土就高達.3～0.4億噸。將建筑垃圾回收，經清洗、破碎、篩分以及強化處理后按照一定比例配制而成的新制混凝土即為再生骨料混凝土[2-4]（Recycled Aggregate Concrete, RAC）。再生骨料混凝土技術的研究和應用一方面可以降低建筑垃圾對環境的污染，保護自然環境；另一方面可以減少工程建設對自然資源的開采，在一定程度上解決能源資源匱乏問題。

目前再生骨料混凝土的研究主要集中在抗拉、抗壓和彈性模量方面的力學性能研究[5-7]。經破碎處理后的再生骨料中含有殘留的水泥石和附著水泥砂漿的原生骨料，相比天然骨料，具有高孔隙率、高吸水率、低容重等特性。再生骨料混凝土受骨料來源、強度等級、形態、性質等方面影響，其力學性能存在較大的離散性。本文著重分析了再生骨料的形態和性質，探討了再生骨料混凝土基本力學性能和機理，并對再生骨料與砂漿界面微觀結構進行分析。

1 再生骨料的形態及性質

原結構構件在分解、破碎生產過程中，因力學撞擊、震壓等作用使骨料內部產生較多微裂縫，使得再生骨料孔隙率變大，骨料結構疏松，密實度降低。文獻指出[8]，再生骨料受原生混凝土配合比、強度等級、服役年限、使用條件等因素影響，其堆積密度較難控制。經分解處理后的再生骨料一般包含粘附原水泥漿的骨料和水泥膠砂，膠砂因表面粗糙、棱角較多、空隙率大等因素使得其堆積密度和表觀密度較低，再生骨料和天然骨料密度參數關系如表1 所示[9-10]。

表1 再生骨料和天然骨料密度參數關系

再生骨料因其特有的性質和結構，其吸水速率快且吸水率遠高于原生骨料，再生骨料粒徑在5～20mm時吸水率在4%～9.5% 之間，隨著粒徑范圍的增加其吸水率逐漸降低，在 16～32mm 時吸水率最低可達3.8%[11]。影響再生骨料吸水率因素較多，主要有膠砂附著率、水泥石含量、加工方法以及原生混凝土強度等因素。研究表明[12]，再生骨料吸水率同壓碎指標密切相關，壓碎指標越大，骨料表面水泥砂漿附著量越多，從而骨料空隙率值越大，因此再生骨料吸水率變大。

壓碎指標是反映骨料強度的重要參數，壓碎值越小代表骨料抗壓破壞強度能力越強，抗壓強度越高。再生骨料在破碎處理過程中往往會產生大量的微裂縫，增大了再生骨料的壓碎值，使之與天然骨料相比更易破碎，堅固性和耐久性降低。另外水泥石、水泥膠砂附著的原生骨料等材料，這些凝膠材料強度較低且在撞擊、震壓過程中對原生骨料造成一定的損害，降低了再生骨料的整體強度。文獻指出[13]，壓碎指標受原生混凝土強度、水泥石及水泥膠砂脫落程度影響，原生混凝土強度等級越高，水泥石及膠砂脫落的越多，其壓碎指標就越小。根據國標 GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》規定，壓碎指標與骨料等級分類如表2 所示。

表2 壓碎指標與骨料等級分類

文獻表明[14-17]，再生骨料壓碎指標范圍在 14.2%～20.4% 之間，滿足 C30～C60 強度等級混凝土有關抗壓、抗滲和耐久性能等指標要求，符合Ⅱ類骨料有關標準規定，可將其應用于大多數混凝土工程的實際生產。

2 再生骨料混凝土基本性能

2.1 再生骨料混凝土抗壓強度

再生骨料因具有孔隙率大、表面粗糙、棱角多、內部含有微裂縫等特性，其力學性能影響因素更加復雜，難以控制，如原生混凝土強度等級、骨料取代率、碳化深度、加工工藝、水灰比等因素，原生混凝土強度、骨料取代率是影響再生骨料混凝土抗壓強度的主要因素。

研究表明，等級較高的原生混凝土破碎處理后作為等級較低的再生混凝土的骨料時，再生骨料混凝土破壞時裂縫發生在再生骨料與新拌砂漿界面過渡區，其強度等級與普通混凝土相差不大，再生混凝土砂漿強度與再生骨料取代率是控制再生混凝土強度的主要因素；等級較低的原生混凝土破碎處理后作為同等級的再生混凝土骨料時，再生骨料混凝土破壞時裂縫發生在原生骨料與舊砂漿界面區，其強度等級與普通混凝土相差較大，再生混凝土新拌砂漿強度及附著率是控制再生混凝土強度的主要因素。

再生骨料取代率是影響再生混凝土強度的重要參數，國內外學者對再生骨料混凝土取代率為 20%、40%、50%、60%、80%、100% 的力學性能做了大量試驗研究，結果表明再生骨料混凝土力學性能存在較大差異，試驗數據離散性較大。總體來說，再生骨料混凝土抗壓強度數據結果可以歸為三類：第一種是再生骨料混凝土強度隨再生骨料摻量的增加而降低，降低幅度在0%～30%；第二種是再生骨料混凝土強度隨再生骨料摻量的增加而增加，但增加幅度無明顯規律；第三種是再生骨料混凝土在一定摻量條件下其強度與普通混凝土相當，超過一定的摻量，其強度隨摻量的增加而降低，再生骨料混凝土強度增加或降低無明顯規律。

2.2 再生骨料混凝土彈性模量

彈性模量是進行材料變形性能、構件變形計算、構件力學性能研究的主要指標[18]。再生骨料混凝土彈性模量和混凝土內部孔隙結構密切相關，同樣受粉煤灰、減水劑、膨脹劑等多種因素影響，再生骨料混凝土彈性模量隨粉煤灰的增加而增大，隨減水劑的增加而減小，隨骨料取代率及膨脹劑的增加呈先增大后減小的趨勢[19]。再生骨料取代率較低時，一方面因再生骨料棱角較多、表面粗糙，在一定程度上增加了骨料之間的鑲嵌力，從而使彈性模量有一定提升；另一方面舊水泥砂漿遇到新拌水泥漿后與新的水泥漿共存，從而使水化產物界面區更加密實。當取代率繼續增加時，再生骨料微裂縫增多，混凝土內部結構疏松。彈性模量主要受混凝土空隙率影響，隨再生骨料取代率的增加而降低，使混凝土延性變大，有利于混凝土構件的抗震性能。

2.3 再生骨料混凝土耐久性能

再生骨料因具有內部結構疏松、孔隙率高、表面棱角多、吸水率大等特性，其耐久性相比普通混凝土稍差。不同水灰比的再生骨料混凝土抗凍融性與普通混凝土基本相當，且抗凍融性與再生骨料取代率之間關系不大[20]。當水灰比較低時，再生骨料混凝土滲透性能較差，隨水灰比的增大，其滲透性逐漸接近普通混凝土。再生骨料混凝土碳化深度受水灰比影響，水灰比越大，碳化深度增加。受再生骨料取代率影響，當再生骨料取代率小于 30% 時，再生骨料混凝土與普通混凝土抗硫酸鹽侵蝕性相差不大，隨取代率的增加，再生骨料混凝土抗硫酸鹽侵蝕性降低，但差別不大。可以通過摻加礦物摻合料、調整水灰比、添加外加劑等措施改善再生骨料混凝土孔隙結構密實性，提高其耐久性能。

3 界面過渡區微觀形態分析

界面過渡區將不同性質的骨料和水泥漿體材料膠結為一體，在骨料、水泥石和界面過渡區三相體系中，界面過渡區是混凝土的主要薄弱環節，是影響再生骨料混凝土與普通混凝土性能差異性的主要因素。再生骨料混凝土是由水泥漿體、砂、天然骨料、再生骨料等拌制而成的混合物，與普通混凝土相比，其內部結構、微觀結構及界面過渡區更加復雜。再生骨料混凝土界面過渡區主要包括原生骨料與新拌水泥界面、舊水泥砂漿與新拌水泥界面以及原生骨料與原砂漿界面，如圖1所示。研究表明[21]，在界面過渡區，尤其是舊水泥漿與新水泥漿界面處富集大量垂直板狀或層狀的 Ca(OH)2晶體和鈣礬石結晶，板狀結晶層與層之間摩擦較小，直接影響到再生骨料混凝土力學性能和耐久性能。孫連波等[22]采用掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）技術觀測了再生骨料混凝土微觀形態特征，研究表明，斷裂界面主要是碳酸鈣和碳酸鎂不規則顆粒，再生骨料表面和水泥漿粘接程度低是造成試樣劈裂強度下降的主要原因。萬慧文等[23]采用掃描電鏡（SEM）研究了界面過渡區的結構與性質，指出新拌漿體水化產物與舊混凝土表面膠結較差，有明顯裂縫。

雖然再生骨料混凝土界面過渡區較為薄弱，但配制的再生骨料混凝土強度可能與普通混凝土相當甚至更高。其原因可能有：

（1）再生骨料棱角較多、表面粗糙，在一定程度上增加了骨料與新拌砂漿界面的鑲嵌力，有利于界面過渡區整體性能提升。

（2）再生骨料孔隙率大、吸水性好，在攪拌過程中可以大量吸收新拌砂漿中多余水分，從而降低了水灰比使水泥石強度和界面膠結性能得到強化。

（3）再生骨料微觀裂縫會吸入新的水泥顆粒，水化后形成致密的界面結構。

（4）界面過渡區改善措施主要有：降低水灰比，減少用水量，提高水泥用量；摻入活性摻合料；選擇合理骨料；改善攪拌工藝等。

圖1 再生骨料與砂漿界面過渡區

4 結語

再生骨料混凝土不僅可以將廢棄建筑垃圾再資源化，減少自然資源和能源的消耗，而且可以降低建筑垃圾對環境的污染，響應社會經濟的可持續發展戰略要求，具有顯著的社會經濟效益。由于再生骨料的形態和性質較天然骨料存在一定的差異，再生骨料混凝土在抗壓強度、彈性模量、耐久性能等方面較普通混凝土稍差，但仍滿足大多數實際工程的需要。通過對再生骨料與砂漿界面過渡區微觀結構的分析，探討再生骨料混凝土力學性能與普通混凝土之間存在差異的主要影響因素，有利于對高性能再生骨料混凝土的研發和應用。

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陳剛（1967—），男，教授級高級工程師，河南中建西部建設有限公司董事長，主要從事綠色建材高性能混凝土的生產與經營管理。

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