再生混凝土抗滲性能的研究進展

肖力光，劉曉天

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

進入21世紀以來，隨著城市化和工業化的發展，建筑業產生了大量的建筑和拆遷廢棄物，建筑業成為對環境影響最大的行業[1]。近些年來，我國每年產生30～40億噸的建筑垃圾，是城市垃圾總量的40%左右[2]。與此同時，我國地鐵、隧道等地下工程發展越來越迅速，再生混凝土也逐漸應用到地下工程中[3]，地下工程對混凝土抗滲性能要求更高，但再生混凝土骨料粗糙且包裹砂漿，同時可能存在再生骨料破壞時內部產生的微裂縫，這增加了其孔隙率，從而降低了其抗滲性能。隨之而來的是地下工程出現的漏水、滲水等安全問題，地下工程的防水抗滲功能也越來越受到學者和各大高校的重視[4]。因此，再生混凝土抗滲性能的研究有非常重要的意義。

1 再生混凝土抗滲性能的研究現狀

與再生混凝土的配合比[5-6]、力學性能[7-10]、抗碳化[11-12]等性能相比，再生混凝土在抗滲性能方面的研究相對較少，但依然有部分國內外的專家、學者對此做出了研究。

胡耀文[3]通過實驗探究了粉煤灰摻量、再生骨料取代率以及水灰比對再生混凝土抗滲性的影響，結果表明當再生骨料取代率和水灰比較低時，其吸水系數相應較低，再生混凝土的抗滲性能較為理想，并且指出可以通過添加適量的粉煤灰來降低再生混凝土的滲透性。粉煤灰的微集料效應使得膠凝體系更加密實，提高了其抗滲性。

劉月麗[13]通過實驗研究貝殼粉的摻量和再生粗骨料取代率對再生混凝土滲水高度和軟化系數的影響，以此來分析二者對再生混凝土滲透性和耐久性的影響。結果表明固定骨料取代率時，隨著貝殼粉摻量的增加，再生混凝土的滲水高度呈逐漸減小的趨勢，即抗滲性能逐漸提高；而固定貝殼粉摻量時，隨著再生粗骨料取代率的提高，滲水高度呈逐漸增大的趨勢，即抗滲性能逐漸降低；并結合耐水性給出了5%～10%摻量的貝殼粉、50%摻量的再生粗骨料的最優配比。

朱纓[14]通過實驗表明了復摻合成纖維與粉煤灰時再生混凝土的滲水高度下降最多，抗滲效果最好。周靜海[15]通過自然擴散法測試廢棄纖維摻量與長度對再生混凝土抗滲性能的影響，結果表明廢棄纖維可以顯著提高再生混凝土的抗滲性能，并給出摻量為膠凝材料體積分數的0.16%、纖維長度為19 mm的最佳方案。

張李黎[16]通過對天然混凝土與再生混凝土的對比實驗，探究強度(該實驗僅設計C20、C30兩種強度對照)、水灰比、砂率對再生混凝土抗滲性的影響。實驗結果表明，相比于天然混凝土，再生混凝土的抗滲性較差；相比于砂率，水灰比對再生混凝土抗滲性的影響更大；且隨著再生混凝土水灰比的增大，其抗滲性能逐漸降低；平均來說，C30再生混凝土的抗滲性比C20再生混凝土抗滲性要高，說明再生混凝土的強度越高，其抗滲性越好。

張冬梅[17]通過實驗研究硫酸鈣晶須摻量對不同骨料取代率的再生混凝土滲透高度的影響，進一步分析了硫酸鈣晶須對其抗滲性的影響，研究結果表明硫酸鈣晶須對再生混凝土的抗滲性能有顯著的提高，但應將其摻量控制在5 kg/m3以內，且相同摻量的硫酸鈣晶須對不同骨料取代率再生混凝土的作用不同，當取代率為50%時，滲水高度下降最多，抗滲性能效果最好。

Sasanipour[18]通過在自密實混凝土中取代25%，50%，75%和100%的細骨料和粗骨料，分析了細骨料和粗骨料對抗氯離子滲透能力的影響。在所有對照組中，水灰比固定且水泥含量不變，結果表明，25%的粗骨料取代率對自密實混凝土的抗氯離子滲透性沒有顯著影響；隨著再生細骨料取代率的增加，抗氯離子滲透能力顯著降低。

Masood[19]研究和比較了低鈣膨潤土對天然混凝土和再生混凝土耐久性能的影響。分別以取代率為0，5%，10%，15%和20%的膨潤土代替普通硅酸鹽水泥對抗氯離子滲透等性能進行了研究。結果表明，在摻入低鈣膨潤土后，保證其和易性與天然混凝土相同時，再生混凝土的吸水率顯著降低；在膨潤土取代率為15%時，再生混凝土吸水率的下降幅度最大(高達8%)。在摻入低鈣膨潤土后，再生混凝土的耐久性會明顯提高，且低鈣膨潤土對再生混凝土耐久性的貢獻大于對天然混凝土的貢獻。

Zhang[20]用碎磚作為粗骨料和用天然骨料制成的纖維增強混凝土的耐久性進行了對比研究，提出并討論了纖維含量對耐久性的影響。結果表明纖維可以提高抗滲性，當添加0.6 kg/m3的纖維量時，樣品表現出最低的吸水率和吸水系數。與無纖維的再生混凝土相比，加入聚丙烯纖維后，直徑在2 000～20 000 nm 之間的孔隙消失，直徑在50～100 nm的孔隙體積減小，小于30 nm的孔隙增加。這表明由于纖維的加入，較大直徑的孔的數量較少，而較小直徑的孔數目增加。使用聚丙烯纖維可以降低整體孔隙率和大孔體積，使內部結構更加致密。

Zaharieva[21]將再生混凝土的表面滲透性、透氣性和透水性與天然混凝土進行對比。研究表明，與天然混凝土相比，再生混凝土的透水性高2倍。

Yao[22]用Al2(SO4)3和Ca(HCO3)2對再生骨料進行處理來探究再生混凝土的抗氯離子滲透性。結果表明，處理后的再生混凝土的抗氯離子滲透性能得到一定程度的提高，且25 ℃硅酸鈉溶液比 60 ℃ 硅酸鈉溶液降低再生混凝土滲透性更加明顯。

Zhang[23]通過巴氏芽孢桿菌對再生骨料進行微生物碳酸鹽沉積處理后，發現再生骨料表面覆蓋碳酸鈣沉淀，降低了再生混凝土的吸水率，且經過 10 d 的處理后，其吸水率的下降程度可達31.4%。

國內外學者主要通過水灰比、再生骨料取代率、天然混凝土與再生混凝土性能對比、添加摻合料(粉煤灰、礦渣、貝殼粉、膨潤土、硫酸鈣晶須等物質)等方面對再生混凝土的抗滲性進行了分析研究，同時又有部分學者通過強化再生骨料的方式來提高再生混凝土的抗滲性，且取得了一定的成果。但研究方向不僅限于此，混凝土的滲透性由其內部孔隙的大小、數量以及連通情況等決定，可以通過界面過渡區的微觀變化和膠凝材料的孔結構等方面來分析再生混凝土的抗滲性。

2 再生混凝土的滲透機理

混凝土是由粗細骨料、膠凝材料、水以及外加劑按照適當的比例配合，經均勻攪拌、成型及養護硬化而成的人造石材，其本質上是一種非均質、多孔性的復合材料[24]，因此，混凝土有一定的透水性，當外界環境中的水通過孔道進入混凝土內部時，外界的Cl-、SO2、CO2和硫酸鹽等物質會溶于水通過孔道進入混凝土內部，造成混凝土結構的破壞、鋼筋的銹蝕以及其他建筑材料的損壞，嚴重影響工程結構的耐久性[25-28]。而再生混凝土由于再生骨料較天然骨料性能差(破碎過程中產生的裂縫、含有部分舊的水泥石等原因)，其抗滲性能相比于天然混凝土要差。因抗滲性對于混凝土的耐久性十分重要。

在工程施工中，為了保證混凝土的和易性，拌和混凝土時加入的水量一定會超過水泥水化的所需用水量，而多余的這一部分水分在水泥水化后會逐漸蒸發，水分蒸發之后會在混凝土的內部留下很多孔洞，這些孔洞可能會連通成孔道，且水泥水化凝結會發生化學收縮，這也會在硬化的水泥石中產生孔道；以及由于混凝土成型時振搗不實等原因產生的蜂窩、孔洞等缺陷都會造成混凝土滲水，嚴重影響其抗滲性。

混凝土的界面過渡區水灰比高、孔隙率大，Ca(OH)2結晶顆粒大、數量多，且以層狀平行于骨料取向生長，這導致界面過渡區的結構不穩定，所以界面過渡區的強度相比于混凝土的其他位置較低，因此，在廢棄混凝土進行破碎處理的過程中更容易產生裂縫，增加了再生混凝土的滲透性。骨料本身的性質對混凝土的抗滲性能也起著非常重要的作用，相較于再生骨料，天然骨料構成單一完整、結構致密，會在混凝土內部切斷孔隙通道的連續性，從而增強混凝土的抗滲性；而再生骨料表面附著舊水泥凝結成的水泥石[29]，不利于新的拌和砂漿與再生骨料內天然石子的良好粘結，因此再生骨料與新拌砂漿的密實性較差，不僅不能有效切斷孔隙通道的連續性，甚至會為水分的流通提供新的通道，降低了混凝土的抗滲性能。再生骨料表面的舊水泥砂漿會使得再生混凝土有更高的吸水性，凝結硬化過程中新水泥漿體水分損失更多，給再生混凝土界面過渡區造成的孔道、裂縫會更多，抗滲性能更差。

3 影響再生混凝土抗滲性能的因素

再生混凝土的抗滲性能在不同程度上受水灰比、再生骨料取代率、礦物摻合料等因素[30-32]的影響。

3.1 水灰比

與天然混凝土相同，隨著水灰比的逐漸增加，其抗滲性能隨之降低。水灰比增加，再生混凝土內部的自由水就增加，導致水泥水化凝結之后蒸發的水分變多，留下的孔隙自然就越多；而且在相同的水化程度下，水灰比越高，混凝土的最可幾孔徑越大，這些孔隙連接成孔道的可能性就越高，增加了再生混凝土的滲透性。因此，可通過適當降低其水灰比的方式來提高再生混凝土的抗滲性，這一結論也被Rasheeduzzafar[33]所證實，并且該學者進一步說明了相同強度時，當再生混凝土的水灰比較天然混凝土降低0.05～0.10時，二者的抗滲性相近。

3.2 再生骨料取代率

再生骨料表面粗糙且一定附有未能完全處理的舊水泥砂漿，這使其孔隙率增多，吸水率相應增加，而且廢棄混凝土在進行破碎處理的過程中會產生或多或少的裂縫，這也為水分在其內部的流通提供了通道，這都會增加再生混凝土的滲透性；在拌和過程中會出現“舊骨料-舊漿體-新漿體-舊漿體-舊骨料”的多重界面過渡區，多重界面過渡區的疊加進一步降低了再生混凝土的密實性，降低了其抗滲性。潘秀英[34]、張麗素[35]均指出再生骨料取代率越高，再生混凝土的抗滲性能越差，并且張麗素進一步指明取代率高于30%后，再生混凝土的抗滲性能出現急劇下降的變化。但不同來源再生骨料的表面粗糙程度及其缺陷不同，因此，應通過實驗將再生骨料取代率控制在合理范圍內。

3.3 礦物摻合料

高成輝[36]指出添加適量的粉煤灰、礦渣粉、硅灰等礦物摻合料均對再生混凝土的抗滲性有明顯的提高作用。張麗素[35]、毛添鈿[37]亦通過實驗證明了添加適量的粉煤灰對再生混凝土的抗滲性有提高作用。粉煤灰等礦物摻合料具有微集料效應，可以填充于再生混凝土內部的孔隙中，改善其孔隙結構，增加再生混凝土的密實性，從而提高再生混凝土的抗滲性；粉煤灰等礦物摻合料還具有火山灰效應，礦物摻合料中的活性物質與水泥水化后產生的 Ca(OH)2發生化學反應，生成致密的水化硅酸鈣凝膠，交叉分布于混凝土內部，減少了混凝土內部的孔隙，提高抗滲性。但過量的礦物摻合料會使被同質量替代的水泥減少，弱化了膠凝材料與骨料之間的粘結作用，使得界面過渡區的孔隙率更大。因此，并不是礦物摻合料的摻量越多越好，應通過實驗將其摻量控制在合理范圍內。

此外，基體混凝土強度、骨料預處理方法、齡期、養護方式、制備工藝等因素都對再生混凝土的抗滲性有或多或少的影響。除了控制水灰比和再生骨料的取代率以及摻入礦物摻合料之外，還可以通過改善施工工藝(如二次攪拌法、三次攪拌法)、加入高效減水劑、對再生骨料進行預處理(如用CO2對再生骨料進行強化[38-39]，從而消耗掉舊水泥石中的 Ca(OH)2起到強化界面過渡區的作用)等方式來提高再生混凝土的抗滲性。

4 結語與展望

本文對再生混凝土抗滲性能的研究現狀進行了綜述、對再生混凝土滲透機理進行了梳理分析，并對再生混凝土抗滲性能的影響因素進行了總結。然而由于再生混凝土其自身的復雜性，在其抗滲性能方面仍然有很多問題需要進行深入研究。

(1)在礦物摻合料對再生混凝土抗滲性能的影響這一方面，目前大多數學者僅僅通過單摻或雙摻礦物摻合料的方式進行研究分析，很少有學者研究多種礦物摻合料在共同作用下對其抗滲性能的影響，在后續研究中，可進行礦物摻合料在多因素耦合作用下對再生混凝土抗滲性能的影響。

(2)大多數學者僅僅通過室內實驗的方法研究再生混凝土的抗滲性能，但再生混凝土于實際工程中的環境要相對復雜，影響因素更多，僅僅在室內環境進行實驗并不容易完全模擬出實際環境，未來可通過有限元等軟件模擬實際工程環境進行分析。

(3)強化再生骨料是提高再生混凝土抗滲性的有效方法，但目前對于強化再生骨料的方法或成本過高(如微生物碳酸鹽沉積強化法、CO2強化法)，或有其他方面的局限性(如用硅酸鈉溶液對再生骨料進行預處理會增大堿骨料反應的概率)，且操作復雜；目前對于改善再生骨料內部裂隙的研究也很少，這一方面需要進一步深入研究和探索。