特種骨料混凝土的研究進展

劉云鵬，申培亮，何永佳，王發洲

(武漢理工大學,硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

0 引 言

骨料是水泥混凝土的重要組成，約占混凝土體積的60%～75%，主要起到骨架填充、限制膠凝材料在凝結硬化過程中的體積變形，以及充當廉價填充料提高混凝土經濟性的作用。長期以來，天然砂石骨料作為混凝土骨料的主要來源，為推動人類社會經濟快速發展做出了巨大貢獻。然而，隨著天然砂石資源約束趨緊和環境保護日益增強，混凝土骨料行業發生了重大的變化。機制砂石逐漸成為我國建設用骨料的主要來源，某些基本性能、表面狀態與天然砂石骨料有較大差異的特種骨料也逐漸引起人們的重視。

例如，使用輕質/重骨料是滿足高層與大跨結構、橋梁懸臂施工、建筑地基抗浮等重大工程對混凝土特殊密度需求的主要手段。高層、大跨度結構要使用輕骨料配制混凝土以減輕建筑自重，提高技術經濟性，確保建筑安全；而橋梁懸臂施工、復雜水文地質條件的大型建筑地基抗浮設計、放射性防護等工程則需使用密度更高的重骨料配制混凝土。同時，隨著城市發展，老舊建筑、市政設施的拆除正產生著越來越多的廢棄混凝土，將其回收處理制備再生骨料成為廢棄混凝土資源化利用的重要途徑，而再生骨料的品質很大程度上決定著其所制備的混凝土性能。

無論是輕質/重骨料還是再生骨料，在應用過程中都存在某些共性的科學與技術問題: ①骨料基本性能與天然砂石骨料差異很大。例如，輕質/重骨料的密度、力學指標隨密度等級與組成的變化而變化，而再生骨料經破碎后本征缺陷多、骨料強度低、吸水率高。②骨料與水泥石界面過渡區和天然砂石骨料周圍界面過渡區有很大差異。陶粒等輕骨料的吸釋水特性、不同種類重骨料的表面狀態、再生骨料表面附著的大量水泥砂漿等，都會影響到骨料與水泥石的界面過渡區結構，進而影響混凝土的力學與耐久性能。③施工技術難度大。輕質/重骨料與水泥漿體的密度差異加大，帶來混凝土內外分層不均質等問題，難以滿足現代大型工程高程、遠距離泵送施工要求；而再生骨料的吸水率高，對混凝土的工作性能影響較大。

圍繞這些問題，學者們開展了大量的研究工作與工程實踐。在梳理總結前人的工作基礎上，本文綜述了輕骨料混凝土、重混凝土和再生骨料混凝土三種特種骨料混凝土的相關研究進展，主要圍繞骨料的性質與混凝土的設計、骨料與水泥石的界面過渡區結構、混凝土制備與施工技術三個方面進行闡述，為特種骨料混凝土技術的發展提供一定的參考。

1 輕骨料混凝土

輕骨料混凝土是指用輕粗骨料、輕砂(或普通砂)、膠凝材料、外加劑和水配制而成的干表觀密度不大于1 950 kg/m3的混凝土[1]。其中輕骨料是內部具有較多孔隙、表觀密度較低的人造或天然骨料。輕骨料與輕骨料混凝土并不是新的材料，早在古羅馬帝國的Cosa港口(公元前273年)中工程師們就采用了耐久性更優異的天然輕骨料混凝土，而萬神廟(公元126年)直徑43.3 m的穹頂結構也采用了天然輕骨料混凝土以減輕穹頂的自重[2]。在20世紀初期，美國率先實現了膨脹頁巖(黏土)輕骨料的商業化生產，并在二戰期間建造了100余艘輕骨料混凝土船，輕骨料混凝土優異的性能推動其在高層、超高層建筑和大跨橋梁工程中的廣泛應用。輕骨料混凝土根據不同的密度與強度等級可以分為保溫隔熱、結構保溫以及結構用途三大類。目前，我國輕骨料混凝土應用仍以保溫隔熱用途為主，但結構用高性能輕骨料及輕骨料混凝土是行業的重要發展方向。

1.1 結構用高性能輕骨料

輕質高強是結構用輕骨料混凝土的主要優勢。與普通混凝土相比，輕骨料混凝土在保持較高強度的基礎上，可以降低20%以上的自重。目前通過采用700～900級、筒壓強度為5.0～8.0 MPa的輕骨料，基本實現了密度等級1 400～1 900級、強度等級LC30～LC50輕骨料混凝土的穩定制備，并在結構工程中大量應用。圖1顯示了部分文獻中輕骨料混凝土強度與密度的關系?？梢哉f在現有輕骨料的技術水平上，輕骨料混凝土已達到相當高的強度。要想進一步提高輕骨料混凝土的強度，可以通過顯著提高水泥石的強度來實現，如有學者通過使用多元輔助膠凝材料以及膠凝材料緊密堆積的方法得到了強度高于150 MPa的水泥石基體[3]，但更主要的途徑是提升輕骨料的自身性能。此前，學者們圍繞原材料的優選與超細化，在煅燒制度、煅燒氛圍、冷卻制度的優化等方面已經開展了大量的研究工作，輕骨料的吸水率與強度等指標得到較大幅度提升，但與日本等先進技術相比，我國現有高強輕骨料仍存在吸水率高(>5.0%)、強度普遍偏低(筒壓強度<8.0 MPa)等問題[4]，技術水平還有較大的發展與提升空間。

圖1 輕骨料混凝土的表觀密度與強度關系*Fig.1 Relationship between apparent density and strength of lightweight aggregate concrete(*說明：圖1中數據主要來自文獻[5]中表1所列文獻以及筆者查閱的部分文獻。圖中抗壓強度均為立方體抗壓強度fcu(150)(150 mm×150 mm×150 mm)。立方體抗壓強度fcu(100)(100 mm×100 mm×100 mm)與fcu(150)的換算關系采用文獻[6]建議公式fcu(150)=1.150 fcu(100)0.94-0.5；國外文獻中采用的圓柱體抗壓強度f(100×200)、f(150×300)與立方體抗壓強度fcu(150)換算關系為 fcu(150)=1.25f(150×300)，fcu(150)=1.21f(100×200)。所列表觀密度均為干表觀密度ρd。濕表觀密度ρcf與ρd的換算依據文獻[7]的建議公式ρd=1.10ρcf -378.5。)

在目前大力推進“雙碳”戰略的大背景下，陶粒窯協同處置固體廢棄物技術不斷成熟[8]，成為輕骨料行業的重要發展趨勢，并且陶粒的高溫燒結過程可以固化穩定絕大多數的重金屬離子[9]，具有較好的危廢處置能力。陶粒的生產原料結構也相應地發生了重大變化，由黏土、頁巖等不可再生資源轉向工業尾礦廢渣、建筑淤泥等固體廢棄物[10]。目前，學者們圍繞粉煤灰、淤污泥、工業尾礦、冶煉尾渣、建筑渣土等不同固廢制備高強輕骨料開展了試驗工作[11-12]，但工業廢棄物組成復雜，其引入給煅燒過程以及輕骨料的物相與微觀結構設計提出了新的挑戰，關于固體廢棄物燒制高性能輕骨料的基礎理論還需要更深一步的研究。高強粉煤灰陶粒是目前應用較為成熟的固廢陶粒，900級粉煤灰陶粒的筒壓強度可以達到20.0 MPa以上，但其吸水率較高，一般在10%～25%[13]。通過提高溫度在骨料表面形成玻璃體減少內部孔隙的連通性[14]，或通過使用約20%(質量分數)的膨潤土作為填料細化孔結構均可以降低粉煤灰陶粒的吸水率[15]。但隨著燃煤電廠的減少以及粉煤灰在混凝土中的大量應用，粉煤灰陶粒的生產呈現下降的趨勢。

除高溫燒結陶粒外，免燒陶粒憑借工藝簡單、節能環保等優勢得到了積極的發展[9]。但免燒陶粒一般密實度較高、強度低、吸水率高、固化時間較長。以SiO2和Al2O3含量較多的粉煤灰、淤污泥等固體廢棄物為主要原料，水泥為膠凝材料的水泥基人造硅酸鹽骨料是免燒陶粒的重要組成，其強度主要源于水泥自身的水化以及與硅鋁質材料的火山灰反應，因此免燒陶粒內部產物、微觀結構與燒結骨料有著較大的差異(表1中a與b)。通過蒸壓養護、包裹殼層增強[16]、核殼結構設計[17]等方式可以提高其強度，如利用廢棄加氣混凝土、電石渣作為主要原料可以制備得到密度等級不高于900級，筒壓強度最高達20.7 MPa的人造硅酸鹽骨料[18-19]。目前寧波中勁新材料有限公司已實現水泥基人造硅酸鹽骨料的工業化生產[10]。雖然免燒陶粒技術已得到快速的發展，但應用于結構工程中必須要考慮其組成的耐水性，特別是在嚴酷環境下長期服役過程中的穩定性，這需要經過大量的實踐驗證。加速碳化技術可以利用工業廢棄物廢物吸收二氧化碳轉化為強度較高的碳酸鈣，得到的碳化骨料往往具有較為明顯的碳化表層/未碳化內核的雙層結構(表1中c),但碳化骨料堆積密度較大(堆積密度1 200～1 300 kg/m3)，不適宜配制輕質混凝土。

表1 燒結輕骨料與免燒輕骨料的微結構[20-23]Table 1 Microstructure of sintered and free-sintered lightweight aggregate[20-23]

續表

1.2 輕骨料與水泥石的界面過渡區

輕骨料混凝土的性能除了受到骨料強度、彈性模量和水泥漿體性能等因素影響，還受骨料-水泥漿體界面過渡區結構的影響[24]。與普通混凝土中的薄弱界面過渡區相比，輕骨料與水泥石的界面過渡區往往更加致密，在相同水灰比下其抗滲性要優于普通混凝土[25]，即使在嚴酷的服役環境中也表現出了良好的耐久性[26-27]。如美國對暴露于海洋環境超過60年的輕骨料混凝土船USS Slema的取樣檢測表明，輕骨料與水泥石有著緊密的黏接，所受腐蝕的程度很低[26]。美國紐約州北部的一座高速公路橋面板，在直接暴露于除冰鹽、行車荷載以及每年60多次凍融循環的復雜環境下服役12年，仍保持密實的界面結構且鋼筋沒有明顯的銹蝕[26]。南京長江大橋輕骨料混凝土服役50年后的芯樣中輕骨料與水泥石之間黏接緊密(圖2(a))，兩者的界面過渡區(ITZ)難以區分[28-29]，輕骨料中也發現了較多的水泥水化產物(圖2(b))，并且界面過渡區的顯微硬度與壓痕模量也高于水泥石基體[29]。

圖2 南京長江大橋服役50年輕骨料混凝土界面過渡區的(a)微觀結構[28]與(b)元素分布[29]Fig.2 ITZ of 50-year-old lightweight aggregate concrete in Nanjing Yangtze River bridge deck (a) ITZ microstructure[28] and (b) element distribution[29]

1.2.1 輕骨料的吸釋水效應

輕骨料混凝土的界面過渡區主要受到輕骨料吸釋水特性、表層火山灰反應以及表面組成影響[26]。其中，輕骨料的吸釋水效應是影響輕骨料與水泥石界面過渡區結構與性質的主要因素。一方面未吸水飽和的輕骨料可以在拌合時吸收水分，減小骨料周圍水分的富集；另一方面，在后期輕骨料中預吸的水分釋放起到養護增強的作用。一般來說，界面過渡區的厚度近似地隨著骨料吸水能力的增加而減小。采用1 h吸水率為2.4%與7.1%的輕骨料制備的混凝土中界面過渡區厚度分別約為60 μm與30 μm，且前者界面處的顯微硬度比后者低100～150 MPa[30]。輕骨料的長期釋水養護特性也使輕骨料混凝土表現出了較高的后期強度增長率，骨料預濕程度越高，混凝土后期抗壓強度增長越快[31]。由于較高的水泥用量與充分的養護，輕骨料混凝土船USS Slema在服役61年后混凝土強度由建造時的34 MPa增長到68 MPa[26]。此外，輕骨料的釋水養護特性也有利于提高混凝土的長期耐久性，隨著齡期增加，輕骨料混凝土抗氯離子滲透能力較普通混凝土有更大的提升空間[32]。

輕骨料的釋水養護作用除了起到增強輕骨料混凝土中的界面過渡區致密性與水化程度外，還可以拓展其他用途。最為常見的是作為內養護劑，減少混凝土的內部濕度損失，緩解高強混凝土濕度降低引起的自收縮[33]。此外，聶帥等[34-35]利用輕骨料的釋水養護作用提高蒸養水泥制品的密實性，解決蒸養帶來的微結構劣化、耐久性差等熱損傷問題。內養護蒸養水泥制品90 d水化程度較基準組可提高11.54%，預濕陶砂與水泥石界面過渡區在90 d后十分致密(圖3)，使蒸養制品毛細吸水系數降低50%以上，抗滲性得到明顯的改善[36]。張高展等[37]通過預濕球形陶砂取代石英砂制備輕質超高性能混凝土(UHPC)，通過在球形陶砂周圍形成拱殼狀界面區提高混凝土的承載能力(圖4)，制備的輕質UHPC干表觀密度低至2 040 kg/m3,28 d 抗壓和抗折強度可達120 MPa和18 MPa，比強度達0.058。

圖3 標準砂(上)和預濕陶砂(下)與蒸養水泥石的界面過渡區(改編自文獻[36])Fig.3 ITZ between standard sand (top)/pre-wet ceramic sand (bottom) and steam-cured cement pastes (modified from Ref.[36]) (圖中ISO sand為標準砂；LWFA為lightweight fine aggregate，即陶砂)

圖4 球形預濕陶砂的拱殼結構界面過渡區[37]Fig.4 Arch-shell structure ITZ formed by spherical pre-wet ceramic sand[37]

受到輕骨料釋水養護增強界面過渡區作用的啟發，結合我國遠海島礁工程建設中面臨的大宗砂石骨料遠距運輸成本高昂的問題，筆者團隊與陸軍勤務學院聯合開發了適用于遠海島礁工程建設的新型混凝土——吸水樹脂混凝土。它是利用球形高吸水樹脂(SAP)的吸水體積膨脹、釋水養護的特點，預吸海水制備特定粒徑的彈性球珠取代天然砂石骨料所制備的混凝土。這一技術思路可以大大減少原材料的運輸量。采用18～20 kg的吸水樹脂可替代1 200 kg的天然砂石，在遠海島礁等骨料缺乏區域有著很好的應用前景。并且，SAP釋水后留下規則的球形孔洞，也賦予了混凝土保溫隔熱、吸聲降噪等功能[38]。

數值模擬表明粒徑為2.4 mm吸水樹脂顆粒釋放的水可以形成2～3 mm的擴散范圍[39]，會明顯促進周圍水泥的水化[40]。在相同水灰比下，SAP周圍界面過渡區水泥石水化程度比基體水泥石水化程度大約提高5%，且相當于0.04水灰比帶來的附加水化效果[41]。這種養護作用使得界面過渡區的孔結構較基體有明顯的優化，顯微硬度較基體也有明顯的提升(圖5、圖6)，因此提高了混凝土的承載力。吸水樹脂混凝土相較于同粒徑分布、同體積摻量聚苯乙烯(EPS)顆粒制備的混凝土，抗壓強度提升約30%～60%[42]。

圖5 SAP周圍界面過渡區與基體區域的孔隙率[40]Fig.5 Porosity of ITZ around SAP and harden cement paste[40] (圖中A為SAP周圍界面過渡區，B為硬化水泥石基體)

圖6 SAP周圍界面過渡區的顯微硬度 (改編自文獻[40])Fig.6 Microhardness of ITZ around SAP (modified from Ref.[40])

1.2.2 輕骨料的火山灰反應

以硅鋁質原料為主制備的輕骨料表面組成為硅鋁質元素組成的玻璃體，理論上具有潛在火山灰反應活性。有學者認為隨著煅燒溫度的提高，輕骨料中玻璃相活性或者含量增加，火山灰反應活性也會增加[24]，但也有學者認為輕骨料的火山灰反應在標準養護的輕骨料混凝土中較為微弱，甚至不存在[43]。Nie等[44]的工作表明在蒸養條件下輕骨料的火山灰反應會有明顯的增強，在蒸養水泥砂漿制品中硅鋁質陶砂孔隙內發現了大量蜂窩C-A-S-H凝膠(圖7)。根據蒸養混凝土中C-A-S-H凝膠形成的反應模型(圖8)，趙都[45]采用人工化學合成的方式定向合成了蜂窩網狀C-A-S-H凝膠，具有更加豐富的孔結構與更大的比表面積，可以作為光催化材料[46]與重金屬離子吸附劑[47]的良好載體。輕骨料表面礦相組成的變化同樣會影響到界面過渡區的結構，如楊婷婷[48]、張禮華[4]在輕骨料表面形成以β-C2S礦相為主的活性反應層，利用其長周期水化特性，密實界面過渡區，改善輕骨料混凝土的力學與耐久性能。

圖7 生長在陶砂上的蜂窩狀水化產物[44]Fig.7 Honeycomb-like hydration products grown on lightweight fine aggregate[44]

圖8 陶砂表面蜂窩狀C-A-S-H凝膠的生成機理[45]Fig.8 Generation mechanism of honeycomb-like C-A-S-H on ceramic sand[45]

1.3 輕骨料的功能化

輕骨料豐富的孔結構以及骨料組成可設計的特點使輕骨料可以成為良好的功能材料載體，可以根據不同的工程應用場景設計所需要功能的骨料，這賦予了輕骨料新的技術內涵，也使輕骨料混凝土從單一的應用模式有了多元化應用的可能。更為重要的是，這一思路可以減少功能相材料受水泥水化產物、混凝土服役環境的不利影響。根據所引入功能相材料的特點，可以采用直接負載的方式制備功能材料，如浸潤相變材料和混凝土自愈合組分等；也可以將適量功能相摻入骨料生料，采取高溫煅燒成型方式制備，如采用石墨、打印碳粉等制備導電骨料[49]；或者通過機械活化、表面處理等手段使功能材料穩定結合到骨料表層，如通過負載納米TiO2制備得到具有降解有機污染物功能的光催化輕骨料(圖9、圖10)。

圖10 光催化膨脹頁巖的反應機理[50]Fig.10 Catalytic mechanism of photocatalytic expanded shale[50]

1.4 輕骨料混凝土的泵送施工技術

泵送是混凝土在現代大型工程中規?；瘧玫幕疽?。隨著泵送設備和技術的持續發展，天然骨料配制的混凝土泵送高度頻創新高，如天津高銀117大廈泵送高度達621 m。相比于天然骨料混凝土的泵送，輕骨料混凝土的泵送難度大大增加，這主要由于輕骨料在泵壓下的吸水特性以及密度輕、易離析上浮等問題。表2列舉了我國部分泵送輕骨料混凝土工程實例，可以看到最高記錄為2015年武漢中心創造的402.15 m泵送高度。這些工程實例也表明通過合理地選用礦物摻合料，使用吸水率較低(2.0%～6.0%)的陶粒，以及添加專用泵送外加劑等技術手段可以滿足輕骨料混凝土的泵送要求[51]。

表2 我國部分泵送輕骨料混凝土工程實例Table 2 Selected pumping lightweight aggregate concrete (LWAC) projects in China

續表

輕骨料的預先浸水處理(一般24 h以上)是我國輕骨料混凝土泵送施工中最常見的骨料預處理方法。對于某些抗凍耐久性要求不高的地區，采用高吸水率的黏土陶粒(表2中實例3～5)預先飽水處理也可以實現泵送施工[54,65]。只有少數工程考慮到冬期施工(如北京東方廣場工程[66])或抗凍性問題未采用陶粒預濕處理，而是在配合比設計過程中引入泵送所需的附加水分。國外也有采用加壓預濕、真空預濕的方法提高輕骨料的飽水程度，但由于設備限制目前在我國尚未見工程應用報道[67]。采用這兩種方法預濕輕骨料制備的混凝土泵送施工性能得到改善，但分層離析趨勢也會增大[67]，并且加壓預濕方式的輕骨料返水速度快，會影響混凝土的28 d強度以及自養護特性的發揮[68]。

外加劑技術的進步是保證輕骨料混凝土超高程泵送的基礎。通過引入SAP等對水分敏感的材料可以提高輕骨料在面臨水變化時的穩定性，進一步合理復配緩凝組分、消泡引氣組分及減縮組分可以得到超高程泵送輕骨料混凝土專用外加劑[69]。此外，通過優化膠凝材料組成與用量、使用增稠劑等外加組分，可以設計得到自密實輕骨料混凝土，降低施工的難度與復雜性[70-71]。但由于輕骨料粒型不規則、強度低，在配制自密實混凝土時需要大量的水泥漿體來保證所需的和易性與強度指標，自密實輕骨料混凝土的配合比設計仍是需要研究的重點[72]。

骨料預先飽水的方式雖然有助于輕骨料混凝土的泵送施工，但工藝復雜, 并且可能對混凝土的凍融耐久性造成不利影響，開發低吸水率的高性能輕骨料是解決該問題的有效途徑。清華大學的郭玉順、丁建彤教授等[73-74]開發的高性能輕骨料即使在真空或泵壓下, 吸水率僅為4.8%～5.2%，配制的混凝土不經骨料預濕處理也具有優異的工作性能。但過小吸水率的陶粒也犧牲了一定的內養護功能，對改善界面結構不利，且對原材料以及生產工藝的要求較高。因此高性能輕骨料的合理吸水率也是學術界與工程界長期以來爭論的焦點。文獻[75]報道了一種日本新型的輕骨料，其為塑料袋密封的濕包裝，可直接使用，不必再增加浸水流程，并且其浸水是在陶粒燒成后降低到一定溫度進行，水分在陶粒內部得以長期保存，不僅提高了新拌混凝土的性能，也可以起到較好的內養護作用。

2 重混凝土

重混凝土主要是指密度大于2 600 kg/m3的混凝土，通常采用普通水泥和密度大的重骨料配制而成[76]。由于其密度大，對X射線和γ射線的防護性能良好；同時，其含較多結晶水和輕元素，對中子射線的防護性能也很好，是原子核反應堆、粒子加速器及其他含放射源裝置常用的防護材料[77-79]。此外，重混凝土也常應用于建筑或構筑物的底板、橋梁配重等，滿足抗浮、配重等要求。

2.1 重混凝土的配合比設計

目前，重混凝土的研究與應用主要集中于防輻射混凝土方面，學者們圍繞不同骨料種類以及膠凝材料組分變化對混凝土力學性能、流變性能與屏蔽性能的影響開展了大量的研究工作[80]，而對不同密度等級重混凝土的配合比設計研究較少。實際上，重混凝土的配合比設計與普通混凝土有著比較大的差異。普通混凝土中砂石骨料的密度比較穩定，配合比設計時采用假定密度方法設計比較準確，往往只需考慮強度、和易性等指標。但重混凝土首先要滿足的是密度要求，不同的抗浮、配重工程往往需要不同密度等級的混凝土。而目前尚不存在以密度為目的的混凝土設計公式，在實際應用時常采用不同密度的重骨料進行合理搭配，以達到需要的混凝土密度。

配制重混凝土的關鍵在于重骨料的選擇，一般情況下可以通過使用重晶石(4 300～4 700 kg/m3)、磁鐵礦(4 900～5 200 kg/m3)、赤鐵礦(5 000～5 300 kg/m3)等不同密度的天然骨料來設計重混凝土，配制的混凝土密度范圍在2 800～3 800 kg/m3。鋼渣也是一種常見的重骨料，其表觀密度一般在3 000 kg/m3以上，可以配制表觀密度不超過3 000 kg/m3重混凝土[81]，但需要注意鋼渣引入帶來的混凝土安定性問題。如要進一步提高混凝土的密度，往往需要引入鐵質骨料，如鋼塊、鋼砂、鐵屑、鋼球等，配制的重混凝土密度可以達到6 000 kg/m3。在上述重骨料中，重晶石在防輻射混凝土中應用最為廣泛[82]，一方面其密度高、結合水含量較多，具有較好的防輻射效果，另一方面我國重晶石產量約占全球的44%[80]，分布廣泛。但重晶石脆性大、硬度小，配制的混凝土強度等級不高，并且重晶石晶型結構存在解理，存在石體分層或板間間隙，其抗滲性和抗凍性要顯著差于普通混凝土。

在合理選擇重骨料的基礎上，綜合考慮重骨料的粒徑與級配，尋求最佳緊密的密實度是重混凝土密度設計的有效方法，但目前僅有極少數關于骨料級配對配重混凝土密度影響的研究[83]，尚無合適的級配及配合比參考設計方案。此外，在重混凝土的配合比設計時，還需要嚴格控制水泥等膠凝材料用量。一方面，防輻射混凝土結構截面尺寸一般比較大，需要考慮水化溫升以及混凝土開裂等問題，以避免出現裂縫成為射線泄漏的通道；另一方面，水泥等膠凝材料密度較小，不能滿足重混凝土的設計密度[84]。因此，在重混凝土設計時應尋求滿足設計強度等級下的最小水泥用量，并摻用礦物摻合料，減少水化熱溫升、減少混凝土的收縮，必要時加入膨脹劑、纖維等抗裂膨脹材料[85]；還可以通過采用重晶石粉、鐵粉部分替代膠凝材料，以降低膠凝材料密度對混凝土密度的影響[84]。

2.2 重混凝土的界面過渡區

如上所述，混凝土微小的縫隙和裂紋是導致高能輻射泄漏的原因之一。實際上，重骨料與水泥石的界面過渡區也是易發生高能輻射泄漏的區域，并且界面過渡區對混凝土的抗滲性等耐久性也有著顯著的影響，但這方面的研究工作尚未引起人們的重視。不同類型重骨料配制混凝土的界面過渡區結構有著很大的差異。例如，鋼渣骨料表面粗糙多孔，水泥漿體能夠緊密包裹鋼渣，其界面過渡區結構較為致密[86]。而鋼球骨料自身表面光滑且不吸水，更易提高界面過渡區的水分含量，引起氫氧化鈣的富集并加寬界面過渡區厚度，劣化界面過渡區結構。因此，鐵球等鐵質骨料引入雖然會提高混凝土的彈性模量與抗壓強度，但對抗拉強度影響很大[87]，并且在取代重晶石或赤鐵礦骨料后會引起抗滲性與抗凍性的明顯下降[88]。

近年來，已有部分學者開展了重混凝土界面過渡區的研究工作，如加入礦粉可以增強界面過渡區的致密性，減小界面過渡區的厚度，可以在一定程度上提高混凝土抗輻射的能力，進一步與廢銅渣復合使用，可以獲得和易性與抗輻射性能優異的防輻射混凝土[89]。通過添加納米材料，如納米碳酸鈣[90]、納米氧化鋅以及納米二氧化硅[91]等可以減小氫氧化鈣的尺寸,降低晶體取向性,密實界面過渡區，提高重混凝土的力學、抗滲與防輻射性能[92]。但由于納米材料不易分散很容易團聚，過量的納米材料對水泥水化有不利的影響，因此，納米材料的摻量需要適量。如圖11(c)、12(c)顯示，過量的納米材料反而會在界面過渡區產生大量的微裂紋與孔隙。

圖11 不同納米氧化鋅摻量對界面過渡區微結構的影響[93]Fig.11 Effect of nano-zinc oxide content on the ITZ microstructure[93] (圖中ASFS為aggregate of steel furnace slag，鋼渣骨料；Z0.0、Z1.5、Z2.5分別代表納米氧化鋅的 摻量為0%、1.5%、2.5%，質量分數)

圖12 納米二氧化硅與納米碳酸鈣改性鋼渣重混凝土界面過渡區[90]Fig.12 ITZ in nano-silica and nano-calcium carbonate modified steel slag heavyweight concrete[90] (圖中S0.0C0.0、S3.0C2.0、S3.0C3.0分別代表納米二氧化硅與納米碳酸鈣的摻量為0%、3.0%、2.0%，質量分數)

2.3 重混凝土的泵送施工技術

長期以來，人們普遍認為重混凝土密度大、產生阻力大，難以進行泵送。實際上，如果能在泵管表面形成一層潤滑膜，降低混凝土與泵管之間的摩擦系數，實現重混凝土的泵送仍是可能的[94]，泵送的主要難點在于如何避免由于重骨料下沉引起的離析、堵管等情況。提高重混凝土的可泵性可以從混凝土材料體系設計以及攪拌、施工工藝改進等方面著手。在原材料選擇時，需要保證原材料良好的級配，盡量采用同一種或密度相近的粗細骨料，以最大程度保證混凝土的均質性[95]。在外加劑的選擇方面，可以通過使用保塑增稠組分提高水泥漿體的黏度，避免重骨料在泵送及振搗過程中的離析、分層；通過適當引氣(4%～5%)起潤滑作用，減少重混凝土泵送的阻力。在攪拌工藝方面，需要合理選擇攪拌工藝及攪拌時間。如重晶石質脆，攪拌時間過長易造成重晶石粉碎和混凝土的離析[96]，或者可以通過先拌和砂漿再投入重骨料的砂漿裹石法攪拌工藝來減少離析、泌水等現象的發生[97]。

重混凝土在入模振搗后對模板的側壓力很大，因此水平構件和梁柱的支撐體系應有足夠的承載能力和剛度[98]，并且骨料的沉實過程比普通混凝土長，骨料下沉漿料上浮現象更為明顯，這可以通過豎向結構排除浮漿、二次裝填集料密實施工技術改善結構的均勻性。重混凝土中骨料分布的均質性直接影響混凝土的屏蔽效果。伍崇明[99]提出了定性、定量測試混凝土密度以及通過射線經混凝土屏蔽前后劑量率值計算測點混凝土密度兩種方法，并提出密度均勻性評定指標，可以用來判斷施工后重混凝土的實體工程質量。

表3列舉了我國部分泵送重混凝土的工程實例，可以看到目前已經實現了密度范圍2 800～5 500 kg/m3重混凝土的泵送施工。其中，內蒙古包商銀行總部大樓施工過程中，容重3 200 kg/m3的重混凝土最遠泵送距離達到了280 m。重混凝土在防輻射結構、建筑物、橋梁等構筑物抗浮配重中應用有比較好的技術經濟優勢。例如大體積防輻射重混凝土相較于“通用高強混凝土+厚鉛板”技術可以在確保防護效果的基礎上大幅節省投資。秦皇島火車站采用泵送工藝20 d澆筑6 000 m3配重混凝土(密度3 500 kg/m3)，趕在雨季來臨之前完成了整體工程的抗浮配重，既節約了近兩個月工期，又減少了由于打樁帶來的環境污染。

表3 我國部分泵送重混凝土工程實例Table 3 Selected pumping heavyweight concrete projects in China

3 再生骨料混凝土

再生混凝土骨料是指將廢棄混凝土經過破碎、篩分和去雜質等工序，并使用化學強化和物理強化方法制備而成的骨料[110]。將不同級配的再生混凝土骨料部分或全部取代天然砂石骨料，按照普通混凝土配合比設計方法，在充分考慮再生混凝土骨料孔隙率大、吸水率大和壓碎值高等問題的基礎上，制備得到的混凝土稱為再生混凝土[111-112]。再生骨料及再生混凝土的制備與利用早在二戰之前已在前蘇聯、美國和日本等國家展開，20世紀90年代陸續制定相關法律和規范，推動實現在道路工程和建筑工程中使用，目前建筑固體廢棄物資源化率高達90%以上[113]。然而我國廢棄混凝土的處理方式較為單一，絕大多數被填埋或者堆放，資源利用率不足10%[114]。再生骨料混凝土的生產和應用是實現建筑固體廢棄物資源化的主要途徑之一，不但可以減少廢棄物占用土地和帶來的土壤、空氣和水體等污染，而且可以緩解天然砂石資源短缺的困境，是混凝土未來重要的發展方向。

3.1 再生骨料混凝土設計

再生骨料混凝土的配合比設計目前沒有統一的標準，仍使用普通配合比的設計程序來設計[115-116]。與天然骨料相比，再生骨料由于存在來源的復雜性、表面裹覆水泥砂漿和制備工藝差異性大等問題，導致其機械性能、化學性能和幾何特征存在較大變異性[117-119]。具體表現為再生骨料表面粗糙、棱角多和界面多(如圖13所示)，與天然骨料相比，其表觀和堆積密度低，吸水率和壓碎值大。因此再生骨料混凝土設計時，需要充分考慮如下情況：

(1)由于再生骨料孔隙率大、吸水率高，要實現與普通混凝土相同和易性，部分替代和全部替代天然骨料時造成混凝土用水量增加[120]，因此，設計配合比時要將用水量分為再生骨料吸附水和拌合水，根據不同替代比例，增加吸附水的量[121]。

(2)由于再生骨料的多孔性，其不斷吸水過程造成新拌再生混凝土坍落度損失大[120]，對施工性能產生不利影響，在配合比設計時應充分考慮坍落度損失的變化，調整用水量[122-123]。

(3)再生混凝土的強度一般低于相同配合比的天然骨料混凝土[124-126]，為了達到相同的強度等級，其水膠比應有所降低。

(4)由于再生混凝土孔隙率高，且裹覆舊水泥砂漿與新砂漿間存在界面，造成骨料界面過渡區薄弱和寬度增加、滲透通道增加，使得離子和有害介質容易侵入再生混凝土內部，造成其抗碳化、抗凍融、抗氯離子和抗硫酸鹽侵蝕性能均低于普通混凝土[127-131]。因此，配合比設計時應充分考慮建構筑物的耐久性要求，調整膠凝材料和水的用量。

3.2 再生混凝土的界面過渡區

再生混凝土界面過渡區結構因再生骨料的存在變得更加復雜，如圖14所示，其組成主要包括舊骨料與新漿體、舊骨料與舊漿體、舊漿體和新漿體之間的界面過渡區。與普通混凝土相比，新水泥漿體與再生骨料的黏結作用弱，界面過渡區孔隙率更高、厚度更寬，嚴重影響其力學性能和耐久性能[134-135]。肖建莊等[136]研究發現再生混凝土破壞時，微裂紋的出現和擴展往往首先出現在新舊混凝土界面過渡區。因此，再生混凝土的界面過渡區是影響其結構性能和耐久性能的關鍵因素，研究和改善再生混凝土界面過渡區微觀結構，提高其黏結性能，有助于提升再生混凝土性能。

圖14 再生混凝土界面過渡區結構圖[125,134]Fig.14 ITZ structure of recycled aggregate concrete (RAC)[125,134]

再生混凝土界面過渡區改性常用的方法包括物理法和化學法[116]，具體的處理方法如表4所示，可以分為去除水泥砂漿法、裹覆法、礦物外加劑法、碳化法和攪拌法等。在這些方法中，去除再生骨料裹覆的水泥砂漿可以顯著提高其自身的品質，但無論用物理方法還是酸處理等化學方法，都存在成本高、能耗高和資源浪費的特點[137-139]。而裹覆法主要通過有機物浸泡和水泥基材料裹覆等，在再生骨料表面增加涂層，改善表面孔結構和填充微裂紋，進而增強界面過渡區性能[140-142]。同時裹覆層往往具有火山灰活性，可以與再生骨料表面的氫氧化鈣等反應，生成二次水化產物，填充界面過渡區孔隙，進一步改善界面過渡區結構[133,143]。二氧化碳碳化處理再生骨料是近年開發的一種新型界面過渡區強化方式，碳化法不但可以有效改善再生骨料自身強度、降低孔隙率，也可以有效提高再生混凝土的力學性能[125,144]和耐久性能[145-147]，具有重要的應用前景。

表4 再生混凝土界面增強的主要技術方法[148-149]Table 4 Techniques for improving the ITZ of recycled aggregate (RA) concrete[148-149]

3.2.1 碳化再生骨料界面強化效應

二氧化碳作為水泥制備過程中排放的主要廢氣不僅可以與水泥熟料發生化學反應，而且可以與硬化水泥漿體中的氫氧化鈣、C-S-H、鈣礬石等水化產物發生反應，生成碳酸鈣及無定形硅鋁膠等產物[163-164]。再生骨料表面的水泥漿體可以參與此反應，生成的產物固相體積增大[165]，填充孔隙和裂紋，改變水泥漿體微觀結構，降低骨料吸水率，同時提高再生骨料表觀密度、力學性能和抗滲性能[143,166]。據Fang等[167]研究發現,與未碳化相比，經2 h碳化骨料孔隙率可降低35.6%，骨料內部大于200 nm的大孔消失，20～50 nm的中孔減少，凝膠孔增多。將碳化再生骨料用于制備混凝土，其界面過渡區顯微硬度如圖15所示，與普通再生骨料相比，界面過渡區的顯微硬度顯著提高，且厚度顯著降低。因界面過渡區的改善和骨料自身性能的提升，改善了再生混凝土的工作性能[168]，提高了再生混凝土的力學性能、抗氯離子侵蝕性能、抗碳化性能，并且減少了混凝土干燥收縮變形[168-170]。

圖15 碳化處理對再生混凝土界面過渡區顯微硬度的影響[125]Fig.15 Effects of carbonated treatment on ITZ microhardness of RAC[125] (圖中NRCA為再生骨料)

3.2.2 碳化再生骨料表面結構和反應活性

實際上，再生骨料與二氧化碳接觸后，表層漿體快速碳化生成碳酸鈣和非晶態硅鋁膠，隨著再生骨料表面水泥漿體的碳化，碳化產物不斷堵塞孔隙，影響二氧化碳的遷移，因此碳化程度和碳化產物呈梯度分布，經過碳化后形成如圖16所示的核殼型結構，最表層為碳酸鈣，次表層為非晶態硅鋁膠，再次為碳酸鈣、硅鋁膠及碳化不完全的水化產物的混合物，內部為未碳化水泥漿體。由于碳化處理后再生骨料表面為碳酸鈣晶體和非晶態硅鋁膠，理論上在水泥漿體中具有潛在的化學反應活性，其表層碳酸鈣與水泥漿體中鋁相發生反應生成單碳水化鋁酸鈣(monocarboaluminate)，硅鋁膠火山灰反應活性高，可以與界面過渡區的氫氧化鈣發生反應，生成C-S-H或C-A-S-H凝膠。這兩種水化產物均填充界面過渡區孔隙，降低孔隙率，另外，Ouyang等[171]還發現碳化RA表面覆蓋的方解石可以為C-S-H的生長提供成核位點，促進C-S-H的成核和生長，這也導致了碳化RA表面附近界面過渡區的致密化。界面過渡區的致密化可以改善再生骨料混凝土的力學性能和耐久性能[172-173]。

圖16 碳化再生骨料混凝土界面過渡區微結構改善機理[173]Fig.16 Enhancement mechanism on microstructure of carbonated recycled aggregate ITZ[173] (圖中LC為liquid carbonation，濕法碳化；PC為pressurized carbonation，壓力碳化)

3.2.3 再生骨料快速法碳化

再生骨料碳化往往在特定的容器中進行，并通過控制內部濕度和二氧化碳壓力加速其碳化過程[125,143]，這種碳化過程需要花費數天實現濕度平衡和達到理想碳化程度(圖17(a))，同時對設備密封等要求高且耗能大，不利于工業化生產，限制了碳化再生骨料的實際應用[145,174]。實際上水泥基材料的碳化可以在水溶液中快速進行，在固體-液體環境下，二氧化碳的傳輸和擴散將不再影響碳化進程，與加壓碳化法相比，碳化速率增加10倍以上，可以在1 h內基本碳化完全(90%以上)，因此Liu等[173]和Shen等[175]提出濕法碳化的技術思路和方法快速碳化再生骨料，將不同尺寸的再生骨料放入水溶液中攪拌，并通入富含二氧化碳的氣體。研究發現，由于碳化產物如碳酸鈣、硅鋁膠的快速形成，再生骨料的性能在經過10 min碳化后明顯改善，并在1 h左右達到加壓(0.1 MPa)碳化24 h的強化作用，具體表現為吸水率顯著下降，表觀密度增加，如圖17(b)所示。同時，在再生骨料表面快速形成碳酸鈣層、硅鋁膠層和碳化加強層，這三層分布于再生骨料的最外層起到“蛋殼”的作用，形成類“核殼”結構，不但提高再生骨料自身性能，還形成以方解石和硅鋁膠為主的反應活性層，可以密實界面過渡區，由薄弱的界面過渡區變為密實增強區，大幅提高再生骨料混凝土的力學性能和耐久性能[173]。

圖17 濕法碳化速率和效果Fig.17 Rate and efficiency of wet carbonation

3.3 再生骨料混凝土施工技術及應用

由于再生混凝土骨料具有吸水率高、雜質較多和幾何尺寸尖銳等特點，混凝土拌合物的和易性受到顯著影響[168,178-179]，尤其是隨著再生骨料不斷吸水，造成坍落度降低速度快，不利于遠途運輸和工作性能要求高的建筑工程。因此，再生骨料混凝土適用于道路工程等工作性能要求較低的領域，且現場攪拌施工更佳。另外在設計過程中，需要充分考慮再生骨料吸水率的變化，盡量使用碳化等方法處理的再生骨料，降低其對工作性能的影響[180]，避免因工作性能變化帶來施工不便。為了推動再生混凝土的應用，國家相關部委頒布了一系列政策和法規，如《促進綠色建材生產和應用行動方案》和《循環經濟推進計劃》等。同時，為了保障工程應用的安全性，頒布了一系列國家標準和行業標準，主要包括《混凝土和砂漿用再生細骨料》(GB/T 25176—2010)和《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)等，以推動再生骨料混凝土的快速發展和推廣。

4 展 望

與天然砂石配制的普通水泥混凝土相比，特種骨料混凝土尚有較多的科學與技術問題仍待探索。隨著土木工程建設技術的逐步發展以及人們對特種骨料混凝土認識的深入，特種骨料混凝土技術有著很大的提升空間，其設計方法、制備與工程應用技術開發仍是未來研究的重點。

(1)輕骨料混凝土的高性能化與超高性能化是重要的發展方向，這有賴于高性能輕骨料的技術進步。特別是充分利用輕骨料生產環保利廢的優勢，開展固廢燒制高性能輕骨料的基礎理論研究，開發綠色高性能輕骨料是輕骨料行業的重要目標。此外，輕骨料的吸釋水以及可設計特性為根據不同應用場景開發功能輕骨料提供了可能性。

(2)重混凝土目前尚缺乏不同密度等級混凝土的配合比設計方法，并且其泵送施工以及混凝土均質性控制難度很大，是需要重點攻關的技術難題。除考慮通過混凝土配合比設計以及外加劑技術提高重混凝土均質性外，新型專用攪拌設備與工藝的開發也是重要的著力點。此外，目前對于重混凝土性能要求多局限于強度、密度等指標，其耐久性研究也是未來需要考慮的重點。

(3)碳化再生骨料混凝土不但為建材行業二氧化碳減排和固化提供了新的解決思路，并且碳化過程顯著提高了再生骨料和再生骨料混凝土的力學性能和耐久性能，但是目前常規碳化處理速度較慢，是需要重點攻關的問題，需要根據再生骨料的特點，開發低成本、快速的碳化增強技術。