再生骨料高性能混凝土的性能研究現狀

秦憲明 項斌峰 王靈秀 張利俊 韓小華 邱洪華 蔡素燕

（1中國建材檢驗認證集團北京天譽有限公司，北京 100113；2北京鐵建永泰新型建材有限公司，北京 101113）

1 前言

根據推算以及結合目前已有的多家產業發展報告綜合，近幾年我國每年建筑垃圾的排放總量約為14億噸～24億噸之間，占城市垃圾的比例約為40%。目前我國對絕大部分的建筑垃圾廢棄物的主要處理方式是堆放與填埋，實際進行循環再生利用的還不足10%[1]。而堆放與填埋的處理方式有著許多危害：不但大量土地因此長期被占用，而且消耗了大量的處置經費，同時對土壤、水源、河道等與我們生活環境息息相關的生態系統造成嚴重危害[2][3]。

另一方面，隨著國家城鎮化和現代化建設的發展，對于建筑材料的人均消耗日益增加，2017年我國商品混凝土累計產量為22.98億立方米。假定混凝土容重為2400kg/m3計，則混凝土總產量約為55億噸。骨料是混凝土材料中體積比重最大的組分（約占70%），因此2017年我國消耗骨料約為39億噸。長期以來，由于砂石料的來源廣泛和價格低廉，人們對其濫采、濫用，造成了嚴重的資源枯竭和環境污染。

綜合以上兩個方面，將建筑垃圾加工成再生骨料生產再生混凝土 （Recycled Concrete， RC），可以減少對砂石等天然資源的消耗，同時可以綜合利用建筑垃圾固體廢棄物和工業廢渣，符合國家對于建筑垃圾資源化利用的發展方向[4]。

但是再生骨料自身孔隙率高、吸水量大、強度低，導致制備的再生混凝土工作性能、力學性能和耐久性能與同條件的普通混凝土相比較差[5-6]，對再生混凝土的推廣應用造成了不利影響，為了滿足實際性能需要，建筑垃圾再生骨料在RC中的摻量一般在15%～30%。針對RC存在的性能差、質量難以控制等的問題，將再生混凝土高性能化，即制成再生骨料高性能混凝土，可在提高建筑垃圾再生骨料使用率的同時，材料又能滿足高耐久性、高工作性、較高的強度和高體積穩定性等特征[7]，是未來發展綠色混凝土[8]的主要途徑之一。

本文結合國內外對于再生骨料混凝土的性能研究，以及本單位制備的再生骨料高性能混凝土材料性能研究[北京市通州區科技計劃項目（KJ2018CX022）]，綜述了再生骨料高性能混凝土的工作性能、力學性能、耐久性能和變形性能的研究進展，為我國的再生骨料高性能混凝土的發展應用提供參考依據。

2 再生骨料高性能混凝土性能研究進展

2.1 工作性能

混凝土拌合物的黏聚性、流動性以及保水性統稱為混凝土的工作性。前面已經提到再生骨料顆粒表面粗糙、孔隙多、吸水率大，所以再生混凝土拌合物的黏聚性和保水性要優于普通混凝土，而流動度及其經時損失則較弱[9]。Qasrawi H[10]研究發現再生粗骨料部分或全部取代天然粗骨料會對新拌混凝土的工作性和含氣量造成不利影響；隨著再生粗骨料摻量的增加，再生混凝土的坍落度值下降[11-12]，但是秦擁軍等[13]對影響再生混凝土工作性能的影響因素進行了研究，認為水灰比影響最大、然后才是再生粗骨料取代率，而李麗生[14]等則認為再生粗骨料不同取代率對于混凝土拌合物的流動性影響不大，但對黏聚性和保水性有較為明顯的改善作用，肖開濤[15]的研究也證明了這一點；邱懷中[16]等、葉躍忠[17]等、Kurda R[18]等通過加入高效減水劑和磨細粉煤灰可以提高新拌再生混凝土的流動性，在100%再生集料替代的情況下坍落度仍可達160mm左右；采用骨料預吸水飽和制備的再生混凝土會有少許泌水現象，但是在骨料干燥狀態下配置再生混凝土工作性更優異[19]。中國建材檢驗認證集團北京天譽有限公司承擔北京通州科委科研項目（KJ2018CX022）中制備的再生骨料高性能混凝土，采用骨料預濕、高效減水劑和礦物摻合料，在再生骨料替代50%和0.38水灰比的情況下，新拌混凝土的初始坍落度在230±10mm，1小時經時損失不超過20mm，混凝土不泌水。

綜合上述研究，可以發現對于再生混凝土工作性能中坍落度研究較多，而骨料取代對于再生混凝土的流動性和經時損失影響大，對于黏聚性和保水性還能起到改善作用，在滿足工作性要求的條件下，再生骨料取代量一般不超過60%。

2.2 力學性能

通過查閱資料可知國內外對于再生混凝土的力學性能研究較多，其中再生混凝土的抗壓強度被研究最多。一般認為再生混凝土的抗壓強度隨再生粗骨料取代率和水膠比的增加而降低[20]，而再生骨料高性能混凝土的抗壓強度稍低于普通混凝土[21-23]，劉立等[24]通過實驗證明高性能再生混凝土隨著水膠比的降低，抗壓強度穩步提高，且再生骨料在40%～80%范圍內不會降低抗壓強度；肖建莊[25-26]教授通過測試得出水灰比、再生粗骨料取代率、養護時間和表觀密度對于再生混凝土抗壓強度有密切關系。Rasheeduzzafar[27]得到再生混凝土抗壓強度與水灰比呈拋物線關系，低水灰比情況下，再生混凝土強度隨水灰比增大而增大。杜宗岳[28]等通過試驗發現再生骨料混凝土的抗壓強度比一般骨料的高性能混凝土低30%左右，但是加入再生細骨料有助于提高再生混凝土的抗壓強度。為了提高再生混凝土力學性能，通常加入粉煤灰、礦粉、硅灰等混凝土摻合料取代部分水泥以提高抗壓強度，同時一般以上兩種復摻效果要好于單摻[29-31]。肖建莊[32]通過對再生混凝土的長齡期強度試驗發現長齡期下再生混凝土抗壓強度與普通混凝土基本一致甚至高于普通混凝土，但在28天齡期抗壓強度是隨著再生粗骨料取代量的增高而降低的。

在再生骨料高性能混凝土的其他力學性能研究方面，Ravindrarajah R S[33]根據試驗發現在抗壓強度相同的情況下，再生混凝土的彈性模量為普通混凝土的70%左右；Gómez-Soberón J M V[34]將再生粗骨料分別取代0%、15%、30%、60%、100%的天然粗骨料，通過對比發現再生混凝土的彈性模量均低于普通混凝土，并隨著再生骨料取代量的增加而降低；Panda K C[35]通過再生骨料取代0%～40%的天然骨料，發現再生混凝土的抗壓強度、拉伸強度和劈裂抗壓強度都是隨著再生骨料取代量的增大而降低的；總體來說，再生骨料高性能混凝土的28天抗壓強度一般在40MPa～65MPa之間，抗折強度可達5MPa以上，劈裂抗拉強度在3MPa以上，彈性模量在20～40GPa之間，再生骨料取代80%以下對于再生骨料高性能混凝土的影響較小，只有取代100%時會導致力學性能的降低，降幅在5%～30%之間。

2.3 耐久性能

耐久性能作為再生混凝土的主要性能之一，研究已較為完備。再生骨料高性能混凝土的耐久性能的研究一般包括抗氯離子滲透性、抗碳化性、抗凍性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗水滲透性等，通過研究可知，再生骨料的取代率、水灰比、礦物摻合料等都會對再生骨料高性能混凝土的耐久性能造成影響。

2.3.1 抗氯離子滲透性能

再生混凝土中的再生骨料顆粒上含有大量微裂縫，增加了氯離子的滲入通道，降低了再生混凝土的抗氯離子滲透性，韋慶東[36]、Evangelista L[37]、Iii Wil V S[38]通過試驗發現再生混凝土的氯離子遷移系數隨再生骨料取代率的增加而升高，呈線性關系；水灰比對于再生混凝土抗氯離子的滲透的影響大于再生骨料[39]，而低水灰比可以提高再生混凝土抗氯離子滲透性[40-41]；再生骨料高性能混凝土中加入混凝土摻合料可以改善混凝土的性能，粉煤灰、礦渣、硅灰等單摻或復摻可以提高再生骨料高性能混凝土的抗氯離子滲透性[42-44]；此外，外界條件如干濕循環、二次攪拌、再生骨料強化等都會對再生骨料高性能混凝土的抗氯離子滲透性能造成影響。

2.3.2 抗碳化性能

再生骨料高性能混凝土的碳化主要是CO2通過擴散通道，與水和混凝土中的堿性物質發生反應，生成難溶于水的碳酸鹽化合物，使碳化深度不斷增加，而再生骨料由于有很多微裂紋，引起更多的擴散通道，再生骨料高性能混凝土的抗碳化性隨再生骨料取代率的增加而降低[45-47]，碳化深度高于普通混凝土；Otsuki N[48]、Thomas C[49]等發現再生混凝土的碳化深度隨水灰比的增大而增大，低水灰比情況下再生混凝土抗碳化性要優于普通高性能混凝土；孫浩[50]、Katz A[51]通過試驗證明礦渣粉、粉煤灰、鋼渣粉復摻可明顯減小再生骨料混凝土的碳化深度。在施工工藝方面，二次攪拌工藝同樣可以提高再生混凝土的抗碳化性能。

2.3.3 抗凍融性能

鄒超英[52]、陳德玉[53]等通過試驗證明再生混凝土抗凍性隨再生骨料取代率和凍融循環的增加而降低；Rohi M S[54]、尹興偉[55]等通過研究礦物摻合料對再生骨料高性能混凝土的影響發現粉煤灰在一定摻量下可以提高抗凍性能；減小水灰比也可改善再生混凝土抗凍性能。除此之外，加入引氣劑和骨料改性也可以改善抗凍性。對于再生混凝土抗凍性的研究多采用標準規范中給出的質量損失率或相對動彈模量損失來評價抗凍性，但是再生骨料高性能混凝土的凍融循環質量損失或相對動彈模損失均小于普通混凝土，但是強度損失遠大于普通混凝土，所以有學者建議采用強度損失來表征再生混凝土的抗凍性，但是強度損失評價方法是否可行還有待商榷。

2.3.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

混凝土中的水化產物如水化鋁酸鈣、氫氧化鈣、CSH凝膠等會與硫酸鹽發生反應生成膨脹性鹽引起膨脹導致開裂破壞，而再生骨料的微裂縫會提供硫試驗酸鹽進入混凝土內部的通道，加速侵蝕，葉躍忠[56]等通過試驗發現不摻混合材情況下普通混凝土和再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力很差，而硅灰和粉煤灰混摻加入后有大幅度的增強；阮明和[57]等則發現再生粗細骨料同時取代天然骨料有利于增強再生骨料高性能混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能；謝本怡[58]通過研究證明在合理范圍內，水膠比越低再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能越好，再生混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能隨再生骨料取代率的增加而降低，且內摻加一定量的粉煤灰能提高抗硫酸鹽侵蝕能力。

2.3.5 抗滲性能

再生混凝土的抗滲性通過降低一定的水灰比、添加礦物摻合料等措施都能有所提高，再生骨料由于本身存在大量孔隙和裂縫，嚴重降低其抗滲性能，Limbachiya M C[59]、劉數華[60]、張健[61]等通過摻入礦粉和粉煤灰、減小水灰比等制備再生骨料混凝土，抗滲性良好，并發現再生骨料取代量的增加會導致抗滲性有所降低。

中國建材檢驗認證集團北京天譽有限公司承擔北京通州科委科研項目（KJ2018CX022）中制備的再生骨料高性能混凝土，采用骨料預濕、高效減水劑和礦物摻合料，在再生骨料替代50%的情況下，56天氯離子遷移系數小于2.0×10-12m2/s，電通量小于700C，28天碳化深度小于3.5mm，F300次凍融循環質量損失率小于2.5%，相對動彈模量下降小于80%，抗水滲透性達到P12。

通過以上研究可知，對于再生混凝土的耐久性能研究已較為完備，制備的再生混凝土也基本能滿足性能指標的要求，但是以上研究只是在單因素影響下的耐久性，而在實際中再生混凝土受多因素耦合影響的研究以及對于再生骨料高性能混凝土微觀層次耐久性的研究較少。

2.4 變形性能

再生混凝土的收縮變形大于普通混凝土[62]，A.Domingo-Cabo[63]、K Amnon[51]等研究發現再生混凝土的收縮值隨著再生集料取代率的增大而增大，當取代率達到100%時，再生混凝土干燥收縮值一般增大50%～70%；郭遠臣[64]、SHI-CONG K[65]等發現20%粉煤灰等量取代水泥可以有效的抑制再生混凝土的干燥收縮變形，GAO Lin[66]、陳欣[67]等通過研究再生骨料經過化學溶液浸泡或機械攪拌預處理、預濕處理、凈漿裹石處理后對再生混凝土干燥收縮性能的影響，發現凈漿裹石的改善效果最佳，可以減少干燥收縮應變約15%，而預濕法對改善再生混凝土自收縮效果最好，可減少自收縮應變約30%；封金財[68]等建立適用于再生混凝土的收縮預測模型，指出再生骨料品質和摻量是高性能再生混凝土的主要影響因素。中國建材檢驗認證集團北京天譽有限公司通過骨料預濕、膨脹劑、礦物摻合料等措施制備低收縮再生混凝土，28天齡期干縮率達到4×10-4以下，抗壓強度則在60MPa以上。

混凝土的開裂80%以上都是混凝土收縮引起的，而再生混凝土的收縮和徐變更大，調整水灰比、摻入摻合料、再生骨料強化、加入膨脹劑、纖維等都可以改善再生混凝土收縮性能能，低水膠比和再生集料取代率的增加都會加大開裂風險，但是再生骨料高性能混凝土的收縮開裂概率要低于普通混凝土，還需要對于再生骨料高性能混凝土的收縮開裂趨勢和微觀機理進行更深一步的研究。

3 結論

本文分析了再生骨料高性能混凝土的各項性能試驗研究現狀，并和本單位的研究情況進行對比分析，得出了對于各項性能的影響因素和規律以及存在的不足，得出如下結論：

1） 礦物摻合料如粉煤灰、硅灰、礦粉等可以改善再生骨料高性能混凝土的各項性能使其滿足實際工程的需要，適合摻量的摻合料可以提高耐久性能和體積穩定性；

2） 再生骨料對于再生骨料混凝土的工作性、力學性能、耐久性能和體積穩定性存在較大影響，但是缺乏對其影響在微觀機理層次的深入研究和解釋；

3） 目前對于再生骨料混凝土主要是再生粗骨料的取代，對于再生細骨料或再生粗細骨料混合取代研究較少，還不夠完善；

4） 對于多種環境因素耦合影響下再生骨料高性能混凝土的各項性能變化規律還鮮有研究，進行此方面的研究更符合工程實際需要，具有重要的意義。