工業與建筑固廢高效利用混凝土及其工程結構防災研究

弓扶元,曹萬林,王棟民,黃天勇,趙羽習,馬敬友

(1. 浙江大學 建筑工程學院,浙江 杭州 310030; 2. 北京工業大學 城市建設學部,北京 100124; 3. 中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 100083; 4. 北京建筑材料科學研究總院有限公司,北京 100041;5. 北京市建筑設計研究院有限公司,北京 100045)

0 引言

自20世紀80年代開始,我國進入到飛速發展的階段。經過半個世紀的迅猛發展,如今我們在關注發展成效的同時,也要注意到建筑業和工業在發展過程中產生并累積了大量的固體廢棄物(簡稱固廢),而且建筑業和工業領域每年產生的固廢仍然呈現增長的趨勢。截止到2022年末,我國建筑固廢年產生量約為35.55億t。據住房和城鄉建設部提供的測算數據,我國目前建筑固廢總存量已達200多億t,估計到 2030 年前可能還要產生將近200 億t的建筑固廢[1]。我國工業固廢總堆存量已達620億t,工業固廢年產生量均超過34億t,其中尾礦、煤矸石、粉煤灰和鋼鐵渣占比較高,尾礦占工業固廢總量的35.11%。

這些大量的固體廢棄物給環境和可持續發展帶來了巨大挑戰。未經妥善處理的固廢直接威脅著自然環境和人類健康。那些被堆積儲存的廢棄物也會導致土壤、水源和大氣的污染,從而破壞生態平衡,引發各種環境問題,比如土壤侵蝕和生態系統崩潰。此外,固體廢棄物還存在引發火災、化學品泄漏等安全隱患,對公共安全構成潛在威脅。

隨著我國經濟的迅速發展,碳排放也在逐步增加。根據統計,僅在2020年,我國的碳排放量就高達106.68億t,占全球總排放的31%[2]。因此,我國于2020年提出了雙碳目標,并明確了各行業實施低碳轉型的任務[3]。在這些行業中,建筑業由于其龐大的能源消耗和碳排放量,成為減少碳排放的一個重要領域。數據顯示,2019年我國建筑業的碳排放占各行業總排放的51%[4],這使得該行業面臨著緊迫的減碳壓力。具體而言,在建筑物生命周期內,建造階段的碳排放量明顯高于使用階段,尤其是在材料制備過程中產生了超過一半的碳排放。因此,采用綠色混凝土的制備成為建筑業減少碳排放的必要途徑[4-5]。

鑒于我國面臨固廢積壓和建筑業減碳的緊迫壓力,將每年產生并積存的建筑固廢和工業固廢加工成膠凝材料或再生骨料,以實現資源的可持續利用,減少對多碳排放資源的依賴,成為解決上述問題的核心途徑。這不僅有助于減緩自然資源過度開采,減少在水泥生產和骨料開采過程中產生的碳排放,還有助于解決建筑固廢和工業固廢大量積聚,對土壤、水源和空氣等環境造成的污染問題。此外,許多固廢在化學成分上與膠凝材料及骨料相似,將這些再生材料摻入可能賦予結構不同的性能,或者在常見災害如地震、火災的影響下表現得更為出色。

綜上,本文將從不同建筑固廢和工業固廢的基本性能及其在混凝土中的高效利用出發,對這些固廢混凝土的力學性能、耐久性能以及在常見災害下的表現進行分析,并針對各種固廢的應用情況,概述固廢高效利用混凝土及工程結構的應用,根據尚存的不足提出展望。

1 工業固廢高效利用關鍵技術

1.1 工業固廢再利用途徑

如今我國碳排放總量在持續增長,實現工業固廢在混凝土中的高效再利用具有顯著的經濟和環境優勢。當前,工業固廢主要分為燃料廢渣、冶煉廢渣、采礦廢渣和化工廢渣等四類。通過將這些不同來源的工業廢棄物轉化為寶貴資源,用于混凝土生產,不僅能有效減少工業固廢對環境的污染,同時也為建筑業提供了一條可持續發展的路徑。已有廣泛的國內外學者對工業固廢在混凝土中的應用進行了研究,其中許多材料通過進一步粉磨并搭配活性激發劑作為混凝土的膠凝材料,還有一部分通過篩分直接充當再生骨料。不論工業固廢在其中扮演何種角色,其資源化利用都有助于減輕對土壤和空氣的污染,同時減少生產水泥過程中的二氧化碳排放,對于環境保護具有重要作用。

1.2 燃料廢渣——粉煤灰

在鍋爐中燃燒的過程中,燃煤產生的固體副產物排出有2種主要方式。顆粒較大的廢物被排放至鍋爐底部,通常稱之為爐渣或者底灰;而質輕、顆粒較小的灰則隨著煙道氣的上升而被釋放,這種細小的灰狀物稱為粉煤灰。其主要的化學成分包括氧化鋁、二氧化硅和氧化鈣等[6-8],且主要物相為無定形相。粉煤灰顆粒的背散射圖譜和EDX能譜圖如圖1所示。在鍋爐中經過高溫煅燒后又迅速冷卻的過程賦予了粉煤灰一定的火山灰活性和膠凝特性,使其可以充當膠凝材料,廣泛應用于建材行業,例如替代部分水泥熟料,用作水泥或混凝土中的礦物摻合料等。目前,研究人員正積極尋求高效利用粉煤灰的方法,例如對從電廠收集的粉煤灰進行機械活化、化學活性激發等,使其成為可大量替代水泥的膠凝材料,以減少由于水泥生產而產生的碳排放[9-11]。其中機械活化就是對粉煤灰進行球磨,通過對球磨工藝的研究發現,粉磨初期比表面積增加顯著,而且隨著球磨時間的增加,在機械力的作用下,粉煤灰顆粒不斷細化,晶體有序結構不斷被破壞,無定形層逐漸增加,粉煤灰的化學活性也隨之增長,利用粉磨后的粉煤灰作為膠凝材料可以進一步提高混凝土的各項性能。

圖1 兩個典型粉煤灰顆粒的背散射圖像[11]Fig.1 Backscatter images of two typical fly ash particles[11]

1.3 冶煉廢渣——礦渣和鋼渣

冶煉工業既是國家經濟的支柱,也是能源消耗和排放較高的行業。在整個產業鏈中,最大的排放源之一是鋼鐵生產過程中產生的固體廢棄物,如礦渣和鋼渣等。其中,粒化高爐礦渣是通過將高爐礦渣在熔融狀態下經水淬快速冷卻而形成的不規則玻璃相顆粒。其化學成分類似于硅酸鹽水泥熟料,具有較高的潛在活性。高爐礦渣如今年產量已近3億t,目前主要被應用作為一種優質的輔助膠凝材料。一方面,它作為混合材料用于生產復合水泥;另一方面,通過磨細加工成為礦渣微粉,可用作礦物摻合料,用于制備普通混凝土或高性能混凝土[12-13]。一般而言,礦渣微粉是與堿性激發劑一同摻入混凝土中的,其反應原理是在堿性條件下礦渣中的氧化鈣會轉化為氫氧化鈣。此外,其中的硅氧和鋁氧玻璃體會與氫氧化鈣發生火山灰反應,生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等產物。這一過程不僅提高了廢棄物的綜合利用效率,同時也減少了對環境的污染[14]。

鋼渣是冶煉過程中產生的廢渣之一,目前堆存量為10億t,每年新增約1億t。和水泥熟料相似,鋼渣含有大量的硅酸鹽礦物,像硅酸二鈣、硅酸三鈣等,還有少量的鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽,因此具備一定的水硬化性能[15],可以作為膠凝材料摻入混凝土中取代部分水泥熟料。研究發現,鋼渣水化過程表現為早期水化速率較水泥低,但后期速率卻高于水泥[16-17]。此外,鋼渣漿體水化后主要生成水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣,同時還包含未反應的硅酸鹽、鐵酸鹽,以及氧化鐵和三氧化二鐵等物質[18]。在鋼渣中摻入一定量的脫硫灰,制成脫硫灰-鋼渣復合膠凝材料(DASSC)可以改善新拌漿體的工作性能,促進鋼渣的凝結,但當脫硫灰摻量較高時,會抑制鋼渣后期的水化反應。為進一步提高復合膠凝材料的力學性能,可以考慮摻入一定量的激發劑,主要包括快速早強型激發劑硫酸鈉(Na2SO4)、慢速激發型激發劑三異丙醇胺與硅灰(TIPA 與 SF)和強度發展抑制劑氫氧化鈉(NaOH),如圖2所示。其中若對早期強度有特殊需求,則Na2SO4是最佳激發劑,若對早期強度無特殊需求,則選擇TIPA作為激發劑有利于發揮材料的后期水化活性。

圖2 脫硫灰-鋼渣復合膠凝材料在不同激發劑下的抗壓強度[19]Fig.2 Compressive strength of DASSC under different activators[19]

1.4 采礦廢渣——尾礦和煤矸石

尾礦的主要來源是鐵尾礦、銅尾礦和黃金尾礦,它們在2020年分別占了我國尾礦總產量的42%、26%、15%。鐵尾礦是其中產出最多、堆存量最大的工業固廢之一。為了達到綠色混凝土和充分利用鐵尾礦的目標,人們提出了在制備混凝土的過程中摻入鐵尾礦的方法,這不僅提升了資源利用率,也減少了對環境的污染。鐵尾礦與河砂相比鐵含量更高,含量約為10.97%。目前,鐵尾礦在混凝土中主要有2種應用方式,一種是替代粗骨料、細骨料,即將鐵尾礦破碎成一定級配的鐵尾礦石子、砂,代替粗骨料巖石石子和細骨料如河砂等,減少對天然資源的依賴。此外還可經過粉磨后替代水泥用于膠凝材料的制備[20-22]。但由于尾礦粉本身的活性較低,通常需要經過活性激發才能部分替代水泥。活性激發方式主要包括物理激發和化學激發等方式,物理激發主要是通過機械研磨,使其顆粒細化,不同研磨時間下的鐵尾礦如圖3所示。化學激發則是加入一些活性激發劑,經過激發處理后,尾礦的晶體結構程度下降,顆粒細化,并具備一定的火山灰活性[23-24]。根據相關研究表明,加入尾礦粉的膠凝材料水化熱峰值會早于加入粉煤灰的膠凝材料,但兩者的累計水化熱總量基本相當。

圖3 不同粉磨時間鐵尾礦粉微觀形貌[23]Fig.3 The microstructure of the iron ore tailings under different grinding time[23]

煤矸石是夾在煤層之間的一種黑色巖石,其含碳量較低,質地堅硬,是我國當前排放量最大的工業固體廢棄物之一[25],煤矸石既可以充當混凝土中的粗骨料,也可以粉磨后作為膠凝材料使用,如圖4所示。經過煅燒后,其礦物組成和原子排列都會發生變化,從而具備一定的火山灰活性,這一過程被稱為煤矸石的熱活化。通過熱活化對煤矸石粉進行改性,以期提升煤矸石的火山灰活性,促進其在水泥混凝土中作為輔助性膠凝材料的應用。其中通過對煤矸石熱活化的煅燒制度進行研究,發現煅燒溫度是決定煅燒煤矸石活性的關鍵,而煤矸石的礦物組成對最佳煅燒溫度有較大的影響。也可以通過將煤矸石進一步球磨進行機械活化,或者配合適量的堿性激發劑摻入混凝土中,可以顯著提高煤矸石粉末的活性,從而提高混凝土的強度和各項性能。煤矸石作為摻合料摻入水泥熟料中,可以節約水泥用量、減少能源消耗,同時也有助于改善混凝土的一些性能,例如提高保水性等[25-26]。煤矸石還可以按照一定的級配進行破碎,應用于混凝土中取代部分天然骨料(包括細骨料和粗骨料),制備的再生混凝土在力學性能方面符合中低強度混凝土的要求,從而可以減少對天然原材料的過分依賴。

圖4 煤矸石在混凝土中的2種應用方法[27]Fig.4 Two application methods of coal gangue in concrete[27]

1.5 化工廢渣——磷渣

磷渣是一種常見的化工廢料,它是黃磷生產的主要副產品。據統計,我國每年排放大約有600萬t磷渣,迫切需要進行合理利用[28]。目前,磷渣在混凝土中的應用主要有2種方式:一種是將磷渣制成磷渣粉,作為替代膠凝材料摻入混凝土中;另一種是直接將磷渣作為骨料替代物摻入混凝土中。從20世紀70年代至今,我國通常采用的處理方法是取代膠凝材料,即將磷渣研磨成粉代替水泥[29]。磷渣之所以可以替代水泥的原因是其含有大量的氧化鈣和二氧化硅[30]。此外,其中的磷酸二氧化物會與水泥中的氫氧化鈣發生火山灰反應,延緩水泥的早期凝固速度,具有降低早期水化熱等作用[28,31]。目前磷渣應用于混凝土中的研究很多,而且通常可以與其他固廢配合摻入混凝土,如粉煤灰、礦渣等。同時為了提高復合膠凝材料的力學性能,會加入少量的堿性激發劑激發復合膠凝材料的活性,使其在水中或自然狀態下的強度發展速度得到提升。

1.6 尾砂廢渣制備微晶發泡板材——輕晶石

尾砂微晶發泡板材以鉬尾礦、廢棄陶瓷等為主要原料,采用先進的生產工藝和發泡技術,經1180 ℃高溫焙燒而成的高氣孔率的閉孔陶瓷材料,具有輕質、保溫、抗火和耐久的特點,稱之為“輕晶石”。輕晶石的制備,以硅基固廢為主要原料,經高溫一體燒結而成,輕晶石面層是具有石材表面堅硬華美特性的微晶石,面層以下為具有輕質保溫特性的蜂巢狀的發泡陶瓷材料。北玻輕晶石技術有限公司開發了輕晶石板材并研發了制備裝置,實現了產業化。北京工業大學與北玻輕晶石技術有限公司合作開發了輕晶石板材作為建筑構件的應用技術。尾砂微晶發泡陶瓷板平面外抗彎性能的提升,可采用面層強化型發泡陶瓷板構造措施[32]。尾砂微晶發泡陶瓷板抗震性能的提升,可以采用輕鋼-尾砂微晶發泡板組合墻板技術[33]。輕鋼-尾砂微晶發泡板組合墻板平面外受力性能也可顯著提升[34]。裝配式輕鋼-尾砂微晶發泡板組合墻板結構技術具有良好的發展前景,尚有待深化研究[35]。

2 建筑固廢高效利用關鍵技術

2.1 建筑固廢再利用途徑

建筑固廢的構成主要涵蓋以下幾個方面:廢舊混凝土、廢舊紅磚、廢塑料、廢金屬和廢竹木等[36]。這些廢棄物具備相當大的再生利用潛力。因此,通過建筑固廢的高效資源化利用,不僅可以減少對自然資源的需求,還能夠解決建筑固廢堆積的問題[37-39],如圖5所示。在建筑固廢經過分揀、破碎和篩選之后,可以得到各種再生材料,根據其顆粒大小分為再生粗骨料(粒徑大于4.75 mm)、再生細骨料(粒徑介于0.075 ～4.75 mm)和再生粉料(粒徑小于0.075 mm)。根據這些再生材料的來源,還可以進一步細分為再生混凝土骨(粉)料、再生磚骨(粉)料和再生磚混骨(粉)料[40]。其中再生骨料(包括粗骨料和細骨料)可以替代混凝土中的天然骨料,如卵石、碎石和河砂,而再生粉料則可以替代水泥等膠凝材料,從而可緩解水泥生產過程中的環境污染。然而,由于再生粉料的活性相對較低,直接使用其制備的膠凝材料強度也相對較低。因此,需要采用一些方法來激發再生粉料的活性。這些激發方法通常分為物理激發和化學激發2種,其中物理激發主要是機械研磨,而化學激發則涉及添加不同類型和用量的堿性激發劑,如碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅酸鈉、氫氧化鈉和硫酸鈉等[41]。

圖5 建筑固廢資源化循環利用的途徑Fig.5 Method of recycling construction solid waste resources

2.2 再生骨料混凝土

再生骨料與天然骨料相比,在各項性能上存在一定的差距,這主要是由于其含有老舊砂漿以及界面過渡區,導致其具有較高的吸水率、較低的表觀密度和較高的孔隙率[42]。因此,使用再生骨料制備的再生混凝土,在工作性能、力學性能和耐久性能方面和普通混凝土相比均有一定程度的減弱[43]。此外,普遍認為再生骨料和混凝土中最薄弱的區域是界面過渡區,該區域對骨料和混凝土的性能具有重要影響。其中普通混凝土中僅存在一種界面過渡區,即天然粗骨料與新拌砂漿間的界面過渡區(ITZ1)。然而,在再生骨料混凝土中涉及到3種界面過渡區類型:ITZ1、ITZ2和ITZ3,如圖6所示。這3種ITZ分別代表了不同的界面,包括天然粗骨料或暴露的天然粗骨料與新水泥砂漿之間的ITZ1,老舊砂漿與新拌砂漿之間的ITZ2,以及老舊砂漿及其包裹的天然粗骨料之間的ITZ3。

圖6 再生混凝土中界面過渡區示意圖Fig.6 Schematic diagram of interface transition zone in recycled aggregate concrete

界面過渡區的厚度和性能受多種因素影響,不同界面過渡區的云圖如圖7所示。老界面過渡區ITZ3的厚度在3、28、90 d時相差不大,均約為40～45 μm,且不隨再生粗骨料取代率及齡期變化而變化。而界面過渡區ITZ1及ITZ2厚度均隨再生粗骨料取代率、齡期變化而變化。具體來說,在早期(3 d和28 d),再生混凝土中的ITZ1略大于普通混凝土,但隨著時間推移,這兩者的差距逐漸縮小,90 d時兩者基本相等。而ITZ2的厚度則隨著再生粗骨料取代率的增加而增加。此外界面過渡區的模量隨著齡期增長而增加,但在早期(3 d)時,ITZ1模量隨再生粗骨料取代率增加而降低。隨著時間的推移,再生骨料不斷吸水并強化界面過渡區,ITZ1性能逐漸接近普通混凝土水平。這突顯了早期養護對于混凝土性能的重要性。ITZ2在3 d齡期時模量略低于ITZ1整體水平,但在28 d后,ITZ3的模量則高于ITZ1,表明ITZ2的模量增長速度更快更顯著。

圖7 不同種類界面過渡區顯微硬度云圖[44]Fig.7 Microscopic hardness cloud map of different types of ITZ[44]

除了界面過渡區外,再生骨料混凝土的力學性能受到多種因素的綜合影響,其中包括再生骨料的來源、組成以及再生骨料的取代率。依據骨料來源,再生混凝土骨料可劃分為高強度和中低強度兩類。研究表明,母體混凝土的強度對再生骨料混凝土的力學性能有顯著影響,強度越高,獲得的再生骨料混凝土性能越優越。當母體混凝土強度低于40 MPa時,再生骨料混凝土的抗壓強度明顯低于普通混凝土;而當母體混凝土強度超過80 MPa時,兩者的抗壓強度基本相當[45-46]。而根據骨料的組成差異,可以將其分為單組成骨料和多組成骨料。單組成骨料指來自相同強度母體混凝土的骨料,而多組成骨料則是由2種或更多強度母體混凝土形成的混合骨料。此外,再生骨料的取代率也是影響再生骨料混凝土力學性能的重要因素。骨料取代率越高,一般來說,再生骨料混凝土的力學性能越低。20%以下的骨料取代率對再生混凝土抗壓強度的影響相對較小[46-48]; 50%以上的骨料取代率則顯著降低了抗壓強度,在全取代情況下,再生骨料混凝土的抗壓強度甚至降低了20%～40%[46-47]。

2.3 性能提升技術

2.3.1 再生混凝土骨料強化式改性

再生骨料與天然骨料之間的差距,其根本原因是由于附著砂漿與界面過渡區的存在。針對再生混凝土骨料的這種特性,眾多學者對其開展了一系列改性研究,這些研究可大致分為兩類:①強化式改性,包括強化附著砂漿與強化界面;②去除式改性,即去除骨料表面的附著砂漿,將再生混凝土骨料還原成天然骨料[49],如圖8所示。

圖8 再生骨料的性能提升和應用Fig.8 The performance improvement and application of recycled concrete aggregates

強化式改性方法主要包括微生物誘導碳酸鈣沉淀、加速碳化、裹漿法以及納米材料強化等幾種技術。當前,微生物誘導碳酸鈣沉淀引起了廣泛關注,該方法是利用某些微生物能夠引發碳酸鈣的沉淀過程[50-52],這一過程主要分為3種形式: ①光合作用; ②硫酸鹽還原作用; ③氮循環作用[53]。光合作用和硫酸鹽還原作用雖然不會產生對環境有害的副產物,但其反應過程復雜,效率相對較低。相反,氮循環作用雖然易于控制且效率較高,但同時會生成氨氣,導致空氣污染[54]。加速碳化是通過將再生混凝土骨料暴露在二氧化碳環境中,使二氧化碳與附著砂漿內的氫氧化鈣、硅酸鈣水化產物和鋁酸鈣水化產物等發生化學反應,生成碳酸鈣、鋁酸鹽及硅酸鹽。這些產物填充附著砂漿內部微小孔隙與裂縫,從而提高再生混凝土骨料的性能[55-57]。此外,裹漿法旨在通過使用化學物質修復砂漿和界面過渡區的孔隙與裂紋。常用的裹漿材料包括聚合物溶液、礦物摻合料和納米材料等。礦物摻合料主要包括粉煤灰和硅灰等,這些材料可以促進水泥漿體進行二次水化,改善再生混凝土骨料的孔隙結構以及界面過渡區的微觀結構[58-60]。

2.3.2 再生混凝土骨料去除式改性

去除式改性方法包括酸洗、機械研磨、熱處理、熱研磨、微波加熱和脈沖放電處理等。其中酸洗是利用酸性溶液溶解再生混凝土表面的附著漿體,通常使用的酸包括鹽酸、硫酸、乙酸和磷酸等[61-62]。機械研磨則通過高速旋轉的研磨機,使骨料之間以及骨料與設備之間產生碰撞、摩擦和擠壓等作用,以達到去除附著砂漿的效果[63-64]。熱處理原理相對較為復雜,主要是利用天然粗骨料和附著砂漿的熱膨脹系數差異,在加熱過程中導致它們由于膨脹系數不同而分離。同時,通過高溫使附著砂漿中的化合物逐漸脫水和收縮,最終失去強度而分解[65-66]。微波加熱則是利用微波對再生混凝土骨料進行加熱,由于附著砂漿,尤其是砂漿骨料界面的加熱速率顯著高于天然骨料,從而產生熱應力差,使附著砂漿逐漸剝落,達到改性的目的[67-69]。脈沖放電處理再生混凝土骨料是基于脈沖放電鉆井技術的一種方法。該方法將再生混凝土骨料浸泡在水中,并施加脈沖功率放電。電能在水泥漿體中傳播,導致水泥漿體破碎。同時,放電產生的熱膨脹沖擊波在附著砂漿與天然粗骨料的界面產生拉應力,從而使其分離[70-71]。凍融改性則利用孔隙水由液態轉變為固態時產生的結冰膨脹力對附著砂漿造成損傷,通過多次凍融循環逐漸累積附著砂漿中的損傷,直至最終將其從骨料表面剝落[72-74]。對于部分水灰比較低的再生骨料,可能需要進行多次凍融循環,為了減少改性過程中的能耗,可以考慮在凍融前通過高溫劣化的方式預先對附著砂漿造成一定的損傷[75]。對于引氣再生混凝土骨料則建議將普通保水替換為真空保水,以提高凍融改性效率。

3 固廢混凝土結構服役性能

3.1 再生混凝土構件基本力學性能

根據已有研究,再生混凝土梁、板、柱和剪力墻等可用于工程結構,但當再生骨料取代率較高時,其某些性能可能會略遜于普通混凝土結構[44]。

研究表明:鋼筋與再生粗骨料取代率33%～66%細骨料為天然砂的再生混凝土黏結-滑移性能,與鋼筋和普通混凝土黏結-滑移性能接近[76];相比于普通鋼筋,銹蝕鋼筋與再生混凝土黏結-滑移曲線大致相似,但隨著銹蝕率的提高,銹蝕鋼筋與再生混凝土的黏結強度大體呈下降趨勢[77];再生混凝土梁在正截面受力過程中與普通混凝土梁相同,仍具有彈性、開裂、屈服和極限 4 個明顯的過程[78];隨著再生粗骨料取代率的增加,再生骨料混凝土梁的相對抗彎極限承載力基本保持不變,但混凝土梁的開裂荷載會減小[79];無箍筋的再生骨料混凝土梁,其受剪破壞模式與普通混凝土梁相同[80];普通混凝土墻板與再生混凝土墻板破壞特征相似,再生混凝土墻板脆性略明顯,相同配筋情況下普通混凝土與再生混凝土板承載力較為接近[81]。

研究表明:軸心壓力作用下,再生混凝土柱的裂縫形態和破壞過程與普通混凝土柱基本相同,但再生混凝土柱表面開裂的荷載略小[82];隨著再生粗骨料取代率的增加,再生混凝土柱的抗軸壓極限承載力有所降低,當再生粗骨料取代率低于50%時,再生混凝土柱的相對抗軸壓極限承載力均大于0.95。此外,在偏心壓力作用下,再生混凝土柱和普通混凝土柱的裂縫形態和破壞過程也基本相同;隨著再生粗骨料取代率的增加,再生混凝土柱的相對抗偏壓極限承載力有所降低,但當再生粗骨料取代率為100%時,其相對抗偏壓極限承載力也不低于0.9[83]。

通過對混凝土剪力墻的研究表明:再生剪力墻和普通剪力墻的力學性能也相差不大,但隨著再生骨料取代率的增加,抗震性能有所下降[84];但如果再生骨料取代率低于50%時,其相對耗能能力仍不低于0.9。針對于再生混凝土砌塊墻體進行研究發現其也具有較好的延性和抗震性能,可用于實際工程結構中。

3.2 再生混凝土耐久性能

3.2.1 抗碳化性能

再生混凝土與普通混凝土相比,其碳化機理相似。主要是由于大氣中的二氧化碳通過混凝土中的孔隙從外部滲透并溶解于孔隙液中生成碳酸,并與混凝土基體中的堿性物質(例如氫氧化鈣)發生反應,形成碳酸鈣,導致混凝土堿度下降,同時破壞鋼筋表面的鈍化膜。由于再生骨料表面的老舊砂漿引入了更多的孔隙,這些孔隙為二氧化碳傳輸提供了通道,因此隨著再生骨料取代率的增加,混凝土的抗碳化性能有所降低。再生混凝土骨料表面的老砂漿含有大量的水化產物,提供了更多可碳化物質,從而在一定程度上降低了混凝土的抗碳化性能[85-88]。由于再生混凝土的骨料來源復雜,不同來源的再生骨料對混凝土抗碳化性能具有不同的影響,因此各研究者的試驗結果存在一定離散性[89-92]。

在再生混凝土中摻入一定量的工業固廢對混凝土的抗碳化性能具有一定的影響。尤其是固廢的種類和摻量至關重要。其中隨著尾礦粉的摻量增加,混凝土的抗碳化能力呈現先增強后減弱的趨勢,主要是因為尾礦粉具有填充膠凝材料和骨料空隙的作用[93],隨著尾礦粉的摻入,減少了混凝土中的孔隙,提高了再生混凝土的密實度。隨著尾礦粉摻量的繼續增加,水化產物減少,導致混凝土內部的孔隙增加,從而促使更多二氧化碳侵入混凝土中[94]。煅燒煤矸石對混凝土的碳化改善作用不大,隨著其摻量的增加,碳化深度也逐漸增大。當煤矸石摻量在20%時,對混凝土的碳化略有改善。這是因為煤矸石摻入量較少時,可以減少混凝土中的毛細孔隙,改善混凝土的孔隙結構,使其更加密實,由此降低了二氧化碳在混凝土中的擴散速度,從而增加了混凝土的抗碳化能力。但隨著煤矸石摻量的增加,混凝土中水泥量相對減少,水化生成的氫氧化鈣亦減少,而煤矸石水化過程中還要消耗一定的氫氧化鈣,從而使混凝土整體的堿度降低,抗碳化能力變差[95]。此外,粉煤灰對混凝土的抗碳化性能也具有一定的負面影響。大量摻入粉煤灰會導致孔隙率增大,使二氧化碳更容易通過孔隙進入混凝土內部。隨著粉煤灰取代率的增加,混凝土的碳化速率相應增加[96]。相對而言,礦渣的活性較高,對混凝土的抗碳化性能提升有利。摻入礦渣的混凝土抗碳化性能隨礦渣摻量的增加而逐漸降低,但降低幅度明顯低于摻入粉煤灰的再生混凝土[97]。

3.2.2 抗凍性能

混凝土在凝結硬化后,其中的孔隙水在正負溫度交替的情況下會形成膨脹壓力。這種膨脹壓力進一步迫使未凍水向周圍滲透,通過膨脹壓力和滲透壓力的協同作用,導致混凝土發生由表及里的剝蝕破壞,從而降低混凝土的各項性能[98-101],混凝土凍融損傷機理如圖9所示。再生混凝土的抗凍融性能受到與抗碳化性能相似的影響因素的制約,主要取決于再生骨料的品質和取代率[102]。由于再生骨料的附著砂漿具有較高的孔隙率,再加上母體混凝土在破碎過程中可能產生累積損傷,導致存在微裂縫和強度較低等問題,這使得再生混凝土的抗凍融性能劣于同條件下的普通混凝土。與普通混凝土相比,再生混凝土在寒冷地區凍融破壞界面主要是界面過渡區,破壞的原因主要是再生骨料中的水分在凍融過程中產生膨脹壓力,在該作用下裂縫擴展到骨料表面,從而加速孔隙貫通,導致混凝土破壞[102]。然而,如果再生骨料的母體混凝土在制備時摻入適量的引氣劑,那么由此破碎而成的再生骨料制備的混凝土將具有較好的抗凍性能,甚至有可能超過同條件下的普通混凝土。這是因為引氣劑的引入能夠改善母體混凝土的孔隙和微觀結構,使得再生骨料內部形成較多的封閉氣泡。當孔隙溶液結冰膨脹時,未凍水會在膨脹力的作用下遷入氣泡,從而降低結冰引起的滲透壓力,進而提高了再生混凝土的抗凍性[102-103]。

圖9 混凝土結冰力示意圖及氣泡抗凍性機理Fig.9 Schematic diagram of concrete freezing pressure and mechanism of air bubble frost resistance

許多工業固廢的摻入對提升再生混凝土抗凍性能具有積極作用。如尾礦粉在混凝土中展現出良好的微集料效應,能夠改善混凝土內部微觀結構減少孔隙,從而提高混凝土的密實度。因此,隨著尾礦粉摻量的增加,混凝土的抗凍性能逐漸提升。此外,添加活化后的煤矸石粉可以增加混凝土中無害孔的比例,改善混凝土的孔徑級配,使其在凍融環境下性能優于普通混凝土[104]。相比之下,粉煤灰的摻入會導致水泥早期和中期水化產物的減少,盡管此時混凝土強度較低,但隨著粉煤灰中活性物質的二次水化,混凝土中的孔隙會被二次水化產物填充,從而促使混凝土強度在后期逐漸增強,其抗凍性能也隨之提高[105-106]。此外,根據相關研究發現不同強度等級的混凝土中粉煤灰的最佳摻量各不相同[107]。對于鋼渣、礦渣和粉煤灰,它們對混凝土抗凍性能的影響基本相似,尤其是當鋼渣粉摻量低于20%時,對混凝土的抗凍性能幾乎無不良影響[108]。

3.2.3 抗氯離子滲透性能

混凝土在使用過程中可能受到多種環境因素的影響,其中氯化物對混凝土來說是一種非常危險的侵蝕介質,氯離子的侵入會導致鋼筋的銹蝕等耐久性問題。氯離子在混凝土中的傳輸機制以及分布規律一直是混凝土耐久性的研究熱點[99,109-110]。由于再生骨料表面具有老舊砂漿,其孔隙率相比天然骨料較高。因此,增加混凝土中再生骨料的含量會導致混凝土內孔隙擴大,抵抗氯離子滲透性能隨之下降[111],如圖10所示。一些研究表明,隨著再生骨料的取代率增加,再生混凝土的氯離子滲透系數也隨之增大,氯離子導電率也會顯著升高[112-114]。此外,水灰比通過影響再生混凝土的孔隙率和孔隙含水量,顯著地影響其抗氯離子滲透性能,一些學者認為水灰比對混凝土的影響甚至超過再生骨料取代率的影響[115]。

圖10 氯離子滲透引起鋼筋銹蝕[114]Fig.10 Corrosion of steel bars caused by chloride ion penetration[114]

工業固廢的摻入也會對混凝土的抗氯離子滲透性能產生一定的影響。尾礦粉和磷渣粉都有助于提高混凝土的抗氯離子滲透性能,相比之下,磷渣粉對再生混凝土的抗氯離子滲透性能的提升效果更為顯著。但在同時添加鐵尾礦粉和磷渣粉時,適度增加尾礦粉的比例有助于提高再生混凝土的抗氯離子滲透性能[116]。摻入煤矸石也能提高混凝土的抗氯離子滲透性能,但當煤矸石的添加量超過一定峰值時,反而可能會降低抗氯離子滲透性能。當煤矸石粉摻量在30%時,通過混凝土庫倫電量最小,其抗氯離子滲透能力最好。礦渣微粉的加入能夠改善混凝土的微觀結構,降低孔隙率縮小孔徑尺寸,使混凝土變得更加致密。而且礦渣微粉對氯離子具有一定的固化作用,其中的鋁酸三鈣等能夠與氯離子反應生成Friedel鹽[117]。生成的水化硅酸鈣凝膠會吸附部分氯離子,這種物理吸附也能減弱氯離子向混凝土內部的滲透。粉煤灰等通過火山灰反應,同樣可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能,相比之下摻入礦渣微粉的再生混凝土抗氯離子滲透性能更好。

3.3 再生混凝土構件耐銹蝕及徐變性能

鋼筋銹蝕及混凝土結構銹脹開裂是混凝土結構耐久性退化的主要原因。鋼筋銹蝕產物的體積是鋼筋原體積的2～6倍,銹蝕后的鋼筋將對周圍混凝土產生一定的銹脹力,引起混凝土開裂。裂縫的產生使得有害介質更容易進入混凝土內部,加速鋼筋銹蝕。研究表明再生骨料取代率越大,則因鋼筋銹蝕而導致的裂縫張開角度也就越大;但當再生骨料取代率較小,如30%左右時,其與普通骨料混凝土相差不大。此外,與普通混凝土相比,再生混凝土表面銹裂時刻更早,而且裂縫寬度發展相對快,這主要是由于再生骨料混凝土抗裂性能較差所致[118]。

通過對比普通及再生混凝土無箍筋試件的粘結應力-平均滑移曲線發現,2種試件粘結滑移曲線呈現較為相似規律,但再生混凝土由于內部存在更多的界面和初始缺陷,抵御滑移變形的能力較差。對于有箍筋試件,普通和再生混凝土試件抵御滑移變形的能力均有所提高,這是因為箍筋增強了鋼筋周圍混凝土對鋼筋的約束力。總體上,普通與再生混凝土極限滑移量的差別較小,呈現出基本一致的規律,說明箍筋能有效地控制混凝土裂縫的開展[119]。在荷載和氯鹽損傷共同作用下,相比普通混凝土梁柱,再生骨料混凝土梁柱表面的荷載裂縫和銹脹裂縫的數量更多、寬度更寬,表明在相同的服役環境下再生混凝土梁柱的損傷程度要比普通混凝土梁柱顯得嚴重[118]。

通過對再生粗骨料取代率為 0%、33%、66%、 100%的7根足尺鋼筋再生混凝土梁進行275 d的變形試驗表明:再生粗骨料混凝土梁徐變略大于普通混凝土梁,跨中剛度未受明顯影響,再生混凝土梁撓度增大系數建議在普通混凝土梁撓度增大系數的基礎上乘以1.1的修正系數[120]。

3.4 再生混凝土構件及結構抗震性能

當前,再生混凝土構件的抗震性能是一個備受關注的研究領域。根據相關研究表明:在低周反復荷載作用下,再生混凝土柱的變形比普通混凝土柱略大,隨著軸壓比的增加,再生混凝土柱的延性逐漸減小[121];而且再生混凝土框架的破壞形式以及破壞機制與普通混凝土框架接近,它們的承載力、剛度、滯回特性、延性、耗能能力和黏滯阻尼系數相差不大[122]。框架節點的破壞過程與普通混凝土框架節點也相似,抗震性能略低,但同樣滿足相應的抗震要求[123]。根據已有研究可知,鋼筋再生混凝土梁、板、柱、剪力墻、梁-柱節點、框架結構的受力性能、抗震性能、抗火性能、氯離子侵蝕后性能、徐變及抗凍性能,較同類鋼筋普通混凝土梁、板、柱、剪力墻、梁-柱節點和框架結構均略有下降,但通過合理設計可以實現與普通混凝土構件及結構相當的性能,并用于實際工程結構[124]。

3.5 再生混凝土構件耐火性能

再生骨料密度相對低、孔隙率相對高,因而再生混凝土隔熱和耐火性能較普通混凝土好,而且具有在高溫條件下抗壓強度下降較小等特點。研究表明:再生混凝土在受火作用過程中不會發生爆裂現象,與普通混凝土相比高溫后再生混凝土的殘余抗壓強度略低;由于再生混凝土中的孔隙率較高,導熱系數比較低,升溫延遲比較長,使得混凝土高溫區域向內部擴散的速率減緩,從而推遲了混凝土因溫度而引起的材料性能變化[125]。圖11展示了再生混凝土柱和普通混凝土柱在耐火性能方面的差異[126]。鋼管再生混凝土柱軸壓性能試驗表明,在經歷火災之后試件的破壞形態與未受火的鋼管再生混凝土柱相似[127]。

圖11 混凝土柱耐火性能[126]Fig.11 Fire resistance performance of concrete columns[126]

3.6 固廢混凝土工程結構應用

固廢混凝土已經在低層、多層、高層建筑混凝土結構,鋼-混凝土組合結構,裝配式建筑預制混凝土構件,墻板、砌塊、干粉砂漿和道路工程等應用。為推進固廢混凝土在建筑結構中的應用,參照國家行業標準JGJ/T 443—2018《再生混凝土結構技術標準》[128],為工程設計提供了技術依據,代表性工程:①高層建筑——中國建筑設計研究院創新科研示范中心大樓,地上14層,地下4層,建筑高度56 m,地上建筑面積約2.1萬m2,地下建筑面積約2萬m2,混凝土采用了再生粗骨料取代率30%的再生混凝土。②大型體育建筑——冬奧會國家速滑館項目,該項目的預制看臺板采用了建筑固廢骨料混凝土,原型試件受力性能試驗表明其力學性能良好[129]。

4 結論與展望

目前對各種工業固廢和建筑固廢的理化性能已經有了深入的認識,而且各國學者對固廢混凝土的物理力學性能、耐久性能以及防災等進行了大量的研究,但仍存在亟需進一步研究的內容,作者將從以下七個方面提出固廢混凝土的研究展望:

1)目前改性再生骨料在混凝土中的應用仍然較為匱乏,大多數改性方法還處于研究階段,需要探索更多的再生骨料改性技術,以使再生骨料與天然骨料的性能更加接近。而且不同來源的再生骨料在性能上差異較大,應加快研究合適的再生骨料分級及其標準體系。

2)由于工業固體廢棄物成分復雜、種類繁多,亟需對各種工業固廢進行細化分類與性能研究,為綜合利用提供科學依據,從而實現固廢的優化組合。此外研發新設備、新技術是提高固廢利用率的關鍵,應探索高效的固廢活性激發方式以及多源固廢耦合利用的協同效應。

3)目前針對再生混凝土微觀層面的研究相對較少,宏微觀相結合的研究也較為匱乏。而且多因素作用對再生混凝土長期性能影響的研究目前比較欠缺,需要多開展相關的研究,并建立相關的再生混凝土劣化模型。

4)再生混凝土材料性能的劣化并不能準確預測構件或結構的劣化規律,在實際的工程應用中,需要準確了解構件及結構的劣化程度。針對再生混凝土構件及結構的力學試驗多為小尺寸的縮尺模型,足尺試驗研究較為欠缺。有關再生混凝土結構損傷修復后的力學性能研究仍然較少,且對高強再生混凝土結構及構件的力學性能研究不足。

5)固廢高效利用混凝土是固廢混凝土研究的關鍵,未來需要進一步重點研究三個層面的內容:固廢膠凝材料和固廢骨料的性能提升、高固廢摻量混凝土的應用、固廢混凝土在工程中根據受力需求的合理利用。

6)固廢混凝土工程結構包括建筑、橋梁、道路、水利工程、交通樞紐工程等。其中固廢混凝土制備及性能提升是防災的基礎;固廢混凝土結構抗震性能、抗火性能、徐變性能、抗氯離子侵蝕性能的研究是結構防災設計的關鍵。目前固廢混凝土及工程結構防災技術亟待深化,鋼-固廢混凝土組合結構抗震性能研究的協亟需發展;固廢輕質混凝土板材的研制及其在地震作用下的力學行為需要進一步深入研究。

7)固廢混凝土工程結構預制構件包括承重構件和非承重構件的生產工藝、成型裝置及產業化制備新技術的研發,對推進固廢混凝土的工程應用具有重要作用,需要進一步深入研究和發展。