再生混凝土性能影響因素分析及研究進展

徐慧，張婷 （廣東理工學院，廣東 肇慶 526100）

0 引言

隨著我國建筑物更新換代速度的加快，推進再生混凝土應用研究是亟待解決的問題。由于再生骨料與天然骨料的功能性差異，再生混凝土的設計、制備與施工等環節無法與傳統混凝土的方法一致。研究表明，由于這種先天性的差異，再生混凝土的各項性能均劣于天然混凝土。本文基于再生混凝土各項性能的影響因素分析，分別從材料來源及生產制備工藝、骨料強化方式、養護方式、配合比設計、外摻料和外加纖維方面進行綜述，并基于此進行展望，為強化再生混凝土的性能提出相關建議。

1 材料來源及生產制備工藝

建筑物的建造、拆除、裝飾以及破壞都是常見廢棄混凝土的來源。如圖1 所示，這些廢棄混凝土經過粗糙的破碎后被運輸到建筑垃圾回收站進行統一回收。利用顎式破碎機的顎板上下擠壓進行破碎，得到再生混凝土的骨料。研究表明，這種粗糙的獲取方式導致骨料表面產生龜裂，內部產生裂紋，制作成再生混凝土后強度大幅度降低。因此，有學者提出將不同來源的廢棄混凝土按強度及構件部位進行分類分解，然后進行破碎等工藝，再根據生成后骨料的吸水性等指標進行分類，將分類后的骨料制作再生混凝土，能夠將骨料的性能發揮到最佳。

圖1 再生粗骨料回收再生過程圖

目前有許多再生混凝土的制備工藝，如傳統制備工藝、凈漿裹骨料工藝、二次攪拌工藝、三次攪拌工藝及振動攪拌工藝。傳統再生混凝土的制備工藝是將粗骨料、細骨料和水泥攪拌后再加入水攪拌。二次攪拌工藝是將粗骨料和細骨料攪拌一定時間后加入部分水，攪拌后再加入水泥，再次攪拌后加入剩余部分的水，最后得到再生混凝土。二次攪拌工藝根據攪拌的時間及加入水的多少可再次分類。與傳統工藝和凈漿裹骨料工藝相比，二次攪拌工藝制備的再生混凝土塌落度最大，抗壓強度平均值最大，強度標準最小。這是由于二次攪拌工藝的制備工藝先用一半的水預先濕潤了骨料，使得再生骨料表面的非活性粉塵減小，有利于提高再生混凝土的強度，然后再加入水泥能使骨料表面形成較小的界面過渡層，后期骨料預先吸收水分參與水泥水化反應，達到一種內養護的作用，從而促使混凝土強度的發展，再生混凝土強度提高。針對這種特性[1]，在二次攪拌工藝的基礎上，三次攪拌工藝是在增加礦物摻合料的環節時加入硅灰、硅粉、二氧化硅等粉漿體，這些活性微粉體包裹在骨料的表面填充孔隙，可提升再生混凝土的力學性能和耐久性。振動攪拌工藝是在攪拌環節采用振動和攪拌一體化技術，攪拌軸在低速攪拌高頻振動的一種新型攪拌模式，通過攪拌的形式改善再生混凝土的微觀結構和各項性能。吳征等[2]提出加水比例和加水時機均能對再生混凝土性能產生一定影響，考慮生產成本的同時實現拌合工藝，可再度加強配合比設計與制備工藝的協同研究。

2 骨料強化方式

建筑廢棄混凝土經過破碎處理得到再生混凝土骨料，骨料表面大量的孔隙和裂隙使得再生混凝土具有較大的吸水率和壓碎值。處理后的骨料，如圖2 所示，通過水泥砂漿的混合和正常養護，骨料表層老舊砂漿和新砂漿之間會形成新舊過渡區，這些過渡區會使得再生混凝土各項性能均差于相同情況下的普通混凝土。

圖2 再生混凝土新舊砂漿過渡區示意圖

為了提升再生混凝土的性能，處理再生混凝土骨料表面裂縫及骨料表層新舊砂漿過渡區十分必要。目前針對骨料表面附著砂漿處理方法可分為“去除黏附砂漿法”和“強化黏附砂漿法”兩大類。“去除黏附砂漿法”主要采用機械研磨處理、熱研磨處理、酸處理、熱處理、物理自凈工藝處理及混合處理的方式將再生骨料表面的老舊砂漿剔除，從而達到改善再生混凝土新舊砂漿過度區的性能。“強化黏附砂漿法”主要采用碳化處理強化、微生物礦化強化、礦物摻合料改性強化、聚合物浸漬強化等方式將再生混凝土中的物質與其它摻合物或者是外界環節介質發生生物或化學變化，從而提升再生混凝土的各項性能。“強化黏附砂漿法”對再生骨料的綜合性能的改善比“去除黏附砂漿法”更有效，并且微生物礦化強化處理的強化效果最佳[3]。

梁超鋒等[4]利用聚乙烯醇填充再生混凝土骨料表面砂漿的孔隙，可以降低其吸水性，提高混凝土性能。硅烷可以填充再生混凝土骨料表面砂漿小于100nm 的孔隙，降低再生混凝土骨料的總孔隙率和表面積，但同時也會降低骨料與水泥基體的粘結強度。利用硅酸鈉溶液浸泡再生混凝土骨料，可以降低其吸水率，但其化學反應會產生納離子，從而增加發生堿骨料反應風險，導致耐久性的降低，因此可加入硅粉進行處理。利用火山灰、硅粉和礦粉三重混合方法，可以改善再生混凝土骨料的微觀結構，實現最大填充密實度，增強其強度。低濃度的納米硅粉可以優化新舊砂漿過渡區，同時有效改善再生混凝土骨料的性能。利用高濃度二氧化碳氣體與水泥水化產物發生碳化反應，填充再生混凝土骨料表面附著砂漿的孔隙，提高其密實性的同時降低孔隙率及吸水性，促使再生混凝土骨料強度提高，改善其強度及耐久性，具有環保價值。利用微生物碳酸鹽沉積也可以填充再生混凝土骨料的孔隙，降低其吸水率，改善性能。

3 養護方法

混凝土的養護過程是等待水泥硬化和混凝土強度增長的過程，不同的養護溫度、養護時間、養護環境均會影響混凝土的各項性能。再生混凝土表面空隙率和裂縫的存在，使得養護方式對其各項性能的影響也尤為明顯。

艾洪祥等[5]研究發現，在低溫的環境條件下，采用-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃和60℃不同的養護溫度，對再生混凝土的各項性能均有影響：當養護溫度為40℃時，再生混凝土的28d 抗壓強度比其他養護溫度都大，且比20℃養護溫度的28d 抗壓強度提高17%；當養護溫度為20℃時，再生混凝土的抗裂性最優；當養護溫度為40℃時，再生混凝土的密實度比其他溫度密實度高，且耐久性好；綜合考慮認為，養護溫度為40℃時，再生混凝土的各項性能最佳。

徐嘉[6]通過對比試驗發現，改變再生粗骨料的養護溫度可改變再生骨料的性質及再生混凝土的強度；一定范圍內養護溫度升高水化反應加快，超過此范圍養護溫度升高強度反降低，養護溫度宜為35℃；骨料養護溫度為35℃時養護不同時間對比發現，時長低于48h 范圍再生混凝土強度隨養護時間延長而增大，超過48h 后則相反，得出最佳養護時間為48h；再生粗骨料暴露空氣中養護可增長再生混凝土強度。

朱雪鋒[7]將再生混凝土在標準養護和二氧化碳養護兩種養護方式進行對比發現，再生混凝土在二氧化碳養護條件下的抗折強度比標準提高18.8%，28d彈性模量提高8.3%，新舊砂漿界面過度區寬度得到明顯改善。蔣建華等[8]根據吸水特性試驗得出覆膜養護條件下混凝土的抗碳化性能最大，其次是灑水養護，養護劑養護最小。

4 配合比設計

傳統的再生混凝土配合比設計時，直接將再生骨料當作一般骨料進行配合比設計，這種方式完全忽略了其表面附著的老舊砂漿。再生混凝土骨料具有吸水性較高、表面孔隙多、內部裂隙多等缺陷，導致再生混凝土的配合比設計無法跟普通混凝土一樣進行。為解決按傳統方法制備出的再生混凝土滲透性高、彈性模量低、收縮變形大、抗凍性差等問題，有學者提出用等砂漿體積法進行再生混凝土配合比設計，但這種方式計算繁瑣，取代率不足，在此基礎上更多研究者提出不同情況下混凝土配合比設計的適用方法。

再生混凝土配合比設計就是需要找到各組成材料之間合適的比例關系。當水膠比保持恒定，再生骨料取代率增加則再生混凝土的強度降低[9]。混凝土的塌落度增大則單方用水量增大，當塌落度一定時，混凝土單方用水量隨著再生骨料取代率增大而增大[10]。再生骨料取代率和空隙率越大，再生混凝土的砂率需求增加[11]。

郭遠新等[12]研究發現，再生粗骨料取代率和水灰比越高，再生混凝土的抗壓強度越低。抗壓強度既能通過骨料預吸水后輔以減水劑和粉煤灰來改善，也可通過合適的砂率提升再生混凝土的內部結構密實度來改善。根據再生粗骨料的使用狀態，將其用水量分為外加用水量、絕對用水量和有效用水量三種，在進行再生混凝土配合比設計時采用有效用水量與絕對水膠比可簡化設計過程。

張學兵[13]分析再生混凝土抗壓和劈拉強度的影響因素時發現，水灰比、砂率、骨料最大粒徑、級配、水泥強度、養護齡期均能影響再生混凝土強度。再生混凝土的水灰比在0.45±0.05 時工作性能較佳；砂率在35%時抗壓強度較高，考慮裂縫控制時宜取25%；骨料粒徑為20mm時抗壓強度與劈拉強度最高。

劉凱華等[14]將再生混凝土的氯離子侵蝕和碳化試驗的相關數據信息基于機器學習方法進行預測模型構建，并考慮強度、耐久性及成本得出再生混凝土的配合比優化設計時發現，梯度提升樹模型能較好預測其抗氯離子侵蝕性能，高斯過程回歸模型能較好預測其抗碳化性能。

5 外摻料和外加纖維

再生混凝土由于再生骨料表面的孔隙和裂縫以及形成混凝土后新舊砂漿過渡區，導致其部分性能低于普通混凝土，因此常采用添加外摻料或者外加纖維可以有效提高再生混凝土的密實度，從而改善其力學性能。一般情況下，采用成本較低且具有膠凝活性的火山灰、粉煤灰、礦渣、煤矸石及赤泥等作為摻合料來改善再生混凝土的特性。近年來，更多元化的摻合料被研究者發現并應用于再生混凝土。

劉康寧等[15]通過試驗發現，外摻10%粉煤灰和10%硅粉、添加高效減水劑和鋼纖維、外加混雜纖維等時均能提高再生混凝土的抗壓強度。外加玻璃纖維及PVA 纖維還能明顯提升其塑性變形能力，摻入長度為6nm 的0.12%碳纖維能較好地改善再生混凝土的力學性能，摻入鋼纖維抗剪強度提升幅度更大。

陳君君等[16]添加不同纖維的再生混凝土進行抗壓和劈裂抗拉試驗發現，植物纖維在養護初期可以增強再生混凝土的峰值強度和變形模量；直聚丙烯纖維可以增強再生混凝土的峰值強度、變形模量、單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度。

盛朝暉等[17]研究再生粗骨料摻量、鋼纖維摻量和粉煤灰摻量對再生混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度的影響發現，粉煤灰摻量對再生混凝土抗壓強度影響最大；鋼纖維摻量對再生混凝土劈裂抗拉強度和抗折強度影響最大；再生粗骨料摻量對再生混凝土的各項力學性能的影響最小；摻入鋼纖維減少再生粗骨料的摻量都能提高再生混凝土的抗凍性。

皇甫秉輝[18]將聚乙烯醇纖維和玄武巖纖維摻入到再生混凝土中，探究這兩種纖維在采用單摻和混摻方式下各項性能的影響規律。結果表明，摻入纖維量越多再生混凝土塌落度降低越明顯；混摻聚乙烯醇纖維和玄武巖纖維再生混凝土的各項力學特性均優于單摻，且混摻比例為4：1 時混摻效應表現最佳；混摻比例為1：1，摻量體積為0.2%兩種纖維的再生混凝土在凍融條件下完全喪失抗壓能力時能接受的凍融循環次數最多；混摻比例為2：1，摻量體積為0.2%兩種纖維的再生混凝土在硫酸鹽侵蝕條件下能承受的硫酸鹽干濕循環次數最多；綜合考慮認為混摻比例為1：1，摻量體積為0.2%兩種纖維的再生混凝土的混摻效應最佳。

曹芙波等[19]用不同配比的稻殼灰和偏高嶺土配置復合強化液對再生粗骨料的各項性能的影響程度表明：所有配比復合強化液均可以提升再生混凝土的各項性能；單摻稻殼灰時，再生混凝土的塌落度降幅最大，保水性和粘聚性均優于普通再生混凝土；稻殼灰和偏高嶺土的質量摻合量比為3：1 時，壓碎指標和孔隙率降低幅度最大，抗壓強度、抗折強度和耐磨性為得到了增長。

6 結束語

文章總結材料來源及生產制備工藝、骨料強化方式、養護方法、配合比設計、外摻料和外加纖維來分析影響再生混凝土性能的影響因素，可得出如下結論。

①再生骨料的來源需進行合理分類后適時利用，目前制備工藝中三次攪拌工藝可較好地提升再生混凝土的力學性能和耐久性，振動攪拌工藝可較好地改善再生混凝土的微觀性能和力學結構。

②新舊砂漿過渡區是再生混凝土各項性能劣于天然混凝土的根本原因，強化黏附砂漿法中微生物礦化強化處理的強化效果較好。

③養護溫度、養護時間和養護方式對再生混凝土的性能影響較大。

④再生混凝土配合比設計中砂率取代率和水膠比等參數選擇至關重要，建立相關預測模型可進行相關設計，但各種方法視情況選擇。

⑤不同摻合料和外摻纖維對再生混凝土的性能影響不同，可根據需要進行混摻。

再生混凝土的各項性能的影響因素錯綜復雜且相互影響，而在目前的試驗研究中大多是基于某一個因素對再生混凝土性能的影響分析，建議可選擇先進制備處理工藝、最佳養護方式、最優骨料強化方法、合理配合比設計、適宜外摻料或外加纖維等條件進行再生混凝土的混合試驗研究，找出再生混凝土在各項條件最佳情況下的各項性能，并考量各項影響因素的主次關系，在實際工程應用中可結合經濟性等條件選擇合適的方式對再生混凝土進行性能優化。