基于廢磚骨料再生混凝土研究進展

王輝珉，王曉彬，李江偉

（中航建設集團有限公司，北京 101500）

隨著我國經濟和科技近年來高速蓬勃發展，各地建筑產業如房地產建設、棚戶區改造、新農村建設等也在如火如荼地進行。這些建設使得基礎建設設施不斷增加，相應建筑材料（如水泥、鋼筋、磚塊等）的使用也在不斷上升，隨之而來的便是一系列難以處理的建筑廢料。我國主要的建筑廢料包括廢舊的混凝土（10%）、廢土（30%）和廢磚（60%）。“十三五”期間，國家提出了綠色可持續發展的生態低碳戰略理念，這便要求最大限度和效率地利用已有資源來進行綠色建設發展模式。從這個角度出發將這些廢料進行利用變得十分重要。若是能妥善將這些材料再利用，既降低了建筑廢棄物對于環境的影響又緩解了對于天然資源的需求。當下的廢棄混凝土和廢磚可以通過破碎或其他手段處理后利用骨料進行生產。本文將從再生骨料的角度進行分析，探討再生混凝土的現狀、所存在的問題及未來發展方向。

1 再生混凝土

城鎮化快速推進導致了大量的建筑廢棄物，它們的隨處堆放不只需要土地堆放，還對環境造成粉塵等污染。同時天然砂石資源的日益缺少和過度開采也在破壞生態環境。若是能將這些建筑廢棄物進行再利用，不僅節約資源還能解決因大量建筑物拆除所產生的廢料混凝土處理困難及其造成環境污染問題。

經由簡單的破碎、清洗和分級再生，可以利用廢棄材料（如混凝土和廢棄混凝土、廢磚）中含有的硬化漿砂再次生產出新的混凝土，稱為再生混凝土或再生骨料混凝土（RCA）［1］。這種材料的出現是建筑垃圾資源再利用的重要途徑，將為實現資源與環境協調可持續發展帶來可能，并且它所帶來的經濟效益和環境改善也值得研究者高度重視。

RCA含水量大、強度低、彈性模量低，各種抗性也較普通混凝土弱，并且由于在預處理過程中因內部結構損傷易產生大量微裂紋，使得骨料自身的孔隙率、吸水率、堆積孔隙率和壓碎指標都較大。RCA的性能與天然骨料相比差異性較大，同時通過破解的過程所生產的RCA品質低，較差的力學性能與耐久性直接影響了配置混凝土的性能，限制了RCA的應用。

為了充分利用這些廢棄資源使得建筑行業開啟資源再利用可再生之路，必須提高RCA骨料強度，對RCA進行再次強化處理。當下，關于RCA性能及應用技術的研究頗多，主要為在普通環境下以RCA材料或基礎構建的短期力學性能研究為主，得出其主要的受力特點和性能規律，然而并不能完全替代實際工程中所遇到的各類復雜環境以及不能滿足各種條件下的工作性能。例如在長期濕熱交替的環境中有害介質侵蝕或是負載的持續干擾，這些便是混凝土在長期工作中不可避免的運行環境，這是RCA大范圍開產與應用中不可避免的難關與研究的重點。其中抗凍融性、抗碳化性、抗氯離子滲透性等都是長期工作中必需提高的性能。目前，RCA材料主要是通過化學和物理強化法對再生骨料進行強化處理來提高再生骨料的品質。

2 再生混凝土強化處理方法

2.1 聚合物乳液強化法

通過聚乙烯醇和硅基疏水性聚合物等乳液，可將RCA表層砂漿中的細微孔隙進行填充，還可以在RCA表層形成一層疏水性薄膜層，從而降低RCA的吸水性［2］。而硅基聚合物中如硅烷聚合物、硅氧烷聚合物以及其混合物中硅烷和硅氧烷的平均粒徑較小。Kou等［3］對PVA的濃度和干燥方式等對RCA性能的影響進行研究，發現改性后的RCA吸水率的確與PVA濃度呈反比，在PVA濃度較高時，吸水性較低，在PVA為10%時RCA的吸水率最低；而通過自然風干后的RCA也較普通烘箱進行烘干后的吸水率下降。

2.2 硅酸鈉溶液強化法

通過凝膠反應，硅酸鈉可與RCA中的氫氧化鈣反應生成C-S-H凝膠，從而從分子角度將RCA表層老砂漿的孔隙裂縫進行填充，改善RCA性能。研究表明可以通過控制硅酸鈉的濃度、RCA的浸泡時間、干燥方式和反應溫度來對RCA吸水性進行調控。經由硅酸鈉所處理的RCA材料，外表面可形成致密且牢固的外層，并且RCA材料的吸水率與硅酸鈉濃度呈反比，即RCA材料在濃度越大的硅酸鈉中浸泡所得到的吸水率越小。而浸泡時間的增加使得RCA材料的吸水率呈現先降低再保持穩定的趨勢。

2.3 微粉強化法

利用火山灰泥漿在預處理時浸泡RCA材料，可以使得火山灰中微小的活性顆粒直接將RCA的孔隙進行填充，并且還可以與RCA中的氫氧化鈣反應生成水化合物進一步對孔隙填充，從而提高RCA密實度，且降低了吸水率。這對于ITZ界面過渡區的顯微硬度、強度和耐久性十分有益。Tam等［4］研究發現，可以通過兩步混合法在RCA表面包覆一層硅粉改性的水泥砂漿，這樣填充了RCA表層老砂漿的薄弱區域，還能夠在RCA材料表面形成更為致密的ITZ界面過渡區。Kong等［5］基于上述的兩步混合法開發出了三重混合法，可以進一步改善RAC的微觀結構。另外，這些由粉煤灰、硅粉和礦粉所促成的表層有助于構成最大填充密實度，對于RAC材料的強度有所提高。

2.4 CO2碳化強化法

水泥中的水化產物氫氧化鈣與C-S-H凝膠質量分數可占總質量的20%與70%。高濃度的CO2氣體與兩者反應可生成難溶性的碳酸鈣和硅膠。在反應后固相體積可以增加11.8%和23%。在進行碳化過程后可產生相應的固相產物，它將會對RCA材料中的孔隙進行填充提高密實性和強度，從而降低RCA的孔隙率和吸水性。而碳化時間與CO2氣體壓力對于RCA材料的吸水性具有一定作用。在增加到一定程度后，吸水率將會下降。值得一提的是，在24 h后吸水率下降的幅度不再明顯。另一方面，RCA材料中所存在的適量水分可促進氫氧化鈣溶解民CO2滲透，而偏高或是偏低的水分均將對RCA碳化速率和效果產生影響，進而降低碳化對于RCA材料吸水率的效果。碳化后的RCA材料大孔數量可明顯減小，并能改善RCA材料內部的新老ITZ區，這樣便使得RCA的強度和耐久性有所改善。

3 廢磚骨料再生混凝土

在建筑廢棄物中，除了廢棄混凝土，還有廢磚所占的比例也較大，存在一定資源再利用的潛力。現研究中以破碎混凝土為粗骨料的研究較多，而以廢磚骨料的應用還沒廣泛研究。

3.1 取代率與水灰比對廢磚骨料再生混凝土性能影響

取代率對于廢磚骨料RCA材料的研究主要集中在抗壓和抗折性能、收縮變形等一系列力學性能上。廢磚骨料取代率對抗壓強度影響可分為四個階段：當取代率在30%以下時，抗壓強度下降較為明顯；在40%~70%時力學性能與穩定性較為優異；而超過80%之后抗壓強度會大大超過設計所用強度；另外在超過90%后，對于抗壓強度的影響幅度會減小。宗蘭等［6］研究表明立方塊體的抗折形式與一般的混凝土形式大致相同；而抗折強度隨著取代率的增加，先升高后降低；并且通過線性回歸分析，得出抗壓的平方與抗折的平方存在較好的線性關系。趙愛華等［7］研究表明，由廢磚骨料取代的RCA的應力-應變曲線存在階段與一般混凝土基本一致，都存在上升和下降的極限值以及臨界值。另外，RCA的靜力彈性模量與取代率存在很好的線性關系。

水灰比是影響RCA材料性能的另一影響因素。由于廢磚RCA材料的吸水率較大，在生產RCA材料時應考慮適當的水分補充來保證工作性能不受影響。水灰比與附加用水的使用量對于廢磚RCA材料和一般混凝土的力學性能影響大致相同。隨著水灰比的比重增大而力學性能減弱。對于一些不考慮附加水的研究中，較高的吸水率可以使得自由水占比降低，因此較低的水灰比可以提高力學性能。

3.2 外摻材料對廢磚骨料再生混凝土性能影響

由于RCA材料中骨料性能較弱于一般混凝土，需要向RCA中添加一些粉煤灰、礦粉等各類纖維外摻材料來提高它的力學性能［8］。郭光玲等［9］通過四因素四水平正交實驗法，實驗結果表明，隨著再生骨料、粉煤灰含量的增加，材料的抗壓強度下降；在礦粉添加量15%~25%時，抗壓強度下降最明顯，且在含量增加后力學性能穩定。礦粉、粉煤灰等材料的摻雜量可以有效改善孔隙結構從而降低孔隙率［10］，它們最佳的摻雜量為15%~20%。另外，外摻材料的加入可以增加二次水化，產物將對RCA材料的微觀結構進行優化。另一類摻雜材料，鋼纖的加入如同混凝土內部添加鋼筋，能夠有效控制裂縫發展。

4 再生混凝土所存在的問題

從國內外研究情況來看，我國對于RCA材料的研究還處在實驗室階段，主要為對生產工藝、RCA材料強化改性、RCA材料配置比設計等方面的研究，研究相較于發達國家仍然處于落后狀態，難以進行工業化，主要存在如下幾方面問題。

（1）對于RCA材料的生產工藝方面是研究難點，首先為如何對建筑廢棄物進行妥善的垃圾分類處理（保留廢棄材料與去除有害雜質）；然后是對于大塊的廢棄混凝土進行破解破碎，來滿足RCA材料的生產要求。這嚴重限制了RCA材料的開發與大規模利用。

（2）對于RCA材料的研究中，僅僅局限于實驗室中人工對廢棄材料進行破碎，而對于真正來源于建筑廢棄物的RCA材料研究較少，使得難以將實驗與實際進行聯系，將研究實體化較為困難。

（3）對于RCA材料的物理力學特性研究還不夠深入系統。RCA材料中有大量不利于生產的微觀結構，如棱角性、多孔性、多裂紋，使得在生產過程中易形成片狀結構。在RCA材料的強化和改性研究中，應該對于各個特性進行深入研究，做到趨利避害，對不利的特點和結構進行調整改性。另外，大多研究中對比試驗不足，數據不充分可靠，難以對研究形成系統性歸納。

（4）RCA材料的出現根本目的是配合生產工藝研究來面向實際應用，解決材料短缺和環境污染的問題。在處理時還要考慮到RCA材料摻雜量、其他組分材料、具體工藝等實際操作方法和成本，才能使得RCA材料真正面向實際市場，投入使用。

5 結語

RCA材料的開發應用可以從根本上解決建筑廢棄物難處理、資源短缺、環境污染等問題，是可持續綠色發展道路上必須邁過的一關。目前應通過企業聯合科研對RCA材料的關鍵技術進一步研究，尤其是對于其生產工藝、內部微觀結構的基礎力學信息和如何改性強化等進行研究，為RCA材料的發展提供理論依據與技術指導。