馮超朋，李晨陽

(1.中建八局第四建設(shè)有限公司，青島 266000； 2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350000)

0 引言

近年來，在我國長期粗放式開山采石的經(jīng)營模式下，不可避免地對自然環(huán)境產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的破壞。同時，城市建筑的快速建設(shè)及建筑物服役到達(dá)年限，使建筑垃圾逐漸成為城市負(fù)擔(dān)。在綠色發(fā)展理念的指引下，我們迫切需要采用合理的方式來解決這些建筑垃圾，并且尋找一種新的混凝土原材料生產(chǎn)方式來減小對天然砂石的過度依賴。

采用再生混凝土不僅可以減少對天然石材的開采，同時還能夠有效地消耗城市建設(shè)和拆除過程中產(chǎn)生的建筑垃圾，是建筑垃圾資源化的重要途徑，是我國低碳化進(jìn)程中不可或缺的重要一環(huán)。

然而，制約再生混凝土發(fā)展的重要因素就是回收所得的粗骨料性能劣于天然粗骨料，利用回收的粗骨料制作而成的再生混凝土力學(xué)性能普遍低于普通混凝土。因此，本文從再生粗骨料來源及品質(zhì)強(qiáng)化、再生混凝土配合比設(shè)計(jì)、摻加外加劑和外摻料等方面進(jìn)行綜述和討論，并對研究內(nèi)容進(jìn)行展望，以期為強(qiáng)化再生混凝土力學(xué)性能的措施提出一些合理的參考。

1 再生粗骨料來源及品質(zhì)強(qiáng)化

1.1 再生粗骨料來源和破碎方式

再生粗骨料主要來源于混凝土道路面層、建筑工地塔吊和施工電梯需拆除的基礎(chǔ)和建筑物構(gòu)件等。通常采用的破碎方式為挖掘機(jī)破碎錘初步破碎分解，鏟車倒運(yùn)，運(yùn)輸車送往建筑垃圾回收站。在這一過程中并未根據(jù)原生混凝土強(qiáng)度等級、澆筑混凝土所用粗骨料粒徑大小進(jìn)行分類，而是采用粗放式的回收方式統(tǒng)一由建筑垃圾回收站進(jìn)行回收處理。王繼娜等[1]將3種不同強(qiáng)度的混凝土廢棄試塊破碎回收并制作再生混凝土，研究表明，強(qiáng)度高的原生混凝土其表面水泥砂漿與新水化的水泥砂漿黏結(jié)性能越強(qiáng)，所制作的再生混凝土性能也就越好。這表明用來獲取再生粗骨料的廢棄混凝土的強(qiáng)度是影響再生混凝土性能的因素之一，國外學(xué)者也有類似結(jié)論[2-4]。因此，要將不同來源的混凝土進(jìn)行分類，采用合理的初步分解方式來保證所得再生混凝土的力學(xué)性能。

目前，原生混凝土的破碎主要依靠顎式破碎機(jī)的上、下顎板進(jìn)行擠壓破碎。由于原生混凝土內(nèi)部的三相結(jié)構(gòu)不如巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受不均勻作用力擠壓，容易造成再生粗骨料強(qiáng)度降低、表面龜裂、內(nèi)部細(xì)微裂紋多等問題，與天然粗骨料相比本身材料性能較弱，所制得的再生混凝土強(qiáng)度就會下降[5-6]。因此，需要改進(jìn)破碎工藝，以盡可能小的破壞形式來制得再生粗骨料。張海燕等[7]總結(jié)了不同學(xué)者關(guān)于再生粗骨料自身材料性能對再生混凝土力學(xué)性能的影響，提出再生骨料和混合骨料可根據(jù)壓碎指標(biāo)和吸水率分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，Ⅰ類再生粗骨料所制作而成的再生混凝土性能與普通混凝土相近。

綜前所述，針對再生粗骨料的獲取，我們需要針對再生粗骨料來源進(jìn)行分類，進(jìn)行合理的初步分解，進(jìn)一步改善破碎方式及工藝，最后對其進(jìn)行篩選分類，具體流程如圖1。

圖1 再生粗骨料破碎回收分類工藝流程

1.2 再生粗骨料品質(zhì)強(qiáng)化

Ollivier等[8]研究表明，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)黏結(jié)的薄弱環(huán)節(jié)為界面過渡區(qū)。廢棄混凝土受破碎工藝限制，所獲得的再生粗骨料表面包含水泥砂漿膜和部分未脫落的水泥砂漿塊，當(dāng)重新被當(dāng)作粗骨料制作成新的混凝土?xí)r，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的界面過渡區(qū)主要包括再生粗骨料本身的舊骨料—舊漿體、新漿體—舊漿體、新骨料—新漿體、舊骨料—新漿體[9]，示意圖參考圖2所示[10]。據(jù)此，多數(shù)學(xué)者從微觀機(jī)構(gòu)對再生混凝土界面過渡區(qū)展開研究，劉志龍等[11]通過電鏡掃描對再生粗骨料混凝土新、舊漿體區(qū)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)后者存在多條裂紋，該現(xiàn)象會導(dǎo)致再生粗骨料混凝土強(qiáng)度降低。李婷[12]利用體視顯微鏡對試塊斷裂面的砂漿、再生粗骨料和界面過渡區(qū)進(jìn)行觀測，研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土舊砂漿質(zhì)地疏松，再生粗骨料內(nèi)部裂紋較于天然粗骨料偏多，再生粗骨料混凝土界面過渡區(qū)質(zhì)地疏松，裂縫寬度50～100 μm，多方因素共同作用導(dǎo)致再生粗骨料混凝土的力學(xué)性能較差。蘆靜夫[13]通過硬度光學(xué)顯微鏡測試發(fā)現(xiàn)顯微硬度和界面區(qū)寬度是影響再生混凝土力學(xué)性能的重要因素，通過電鏡掃描試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂縫存在于舊水泥石與骨料界面黏結(jié)處，且其中有新的水化產(chǎn)物，表明再生粗骨料在生產(chǎn)過程中受外力擠壓，導(dǎo)致內(nèi)部裂縫增多。

圖2 再生混凝土界面過渡區(qū)示意圖[10]

因此，將再生粗骨料表面砂漿膜及黏結(jié)砂漿塊通過物理、化學(xué)等方式進(jìn)行清除處理，或者彌補(bǔ)再生粗骨料表面的細(xì)微裂紋，可達(dá)到強(qiáng)化再生粗骨料品質(zhì)的目的，從而提高再生混凝土的力學(xué)性能。機(jī)械研磨法主要通過機(jī)器的離心作用并依靠粗骨料間的摩擦來達(dá)到去除附著水泥砂漿的作用。日本建筑垃圾處理廠采用加熱研磨法進(jìn)行骨料的預(yù)處理，基本步驟是將廢棄混凝土破碎成大小相近的碎塊，通過適當(dāng)?shù)臏囟燃訜?、脫水，使其脆化，再進(jìn)行研磨處理，能夠比較容易地將附著在再生粗骨料表面的水泥砂漿清除。李秋義等[14]針對再生粗骨料進(jìn)行顆粒整形處理，去除表面附著的水泥砂漿，從而使再生粗骨料各項(xiàng)材料性能接近普通混凝土，并且該工藝相較于前兩種方法，具有投入少、產(chǎn)出快、實(shí)現(xiàn)難度低的特點(diǎn)。羅素蓉等[15]采用預(yù)濕法、凈漿裹石法、摻硅灰凈漿裹石法對再生粗骨料進(jìn)行預(yù)處理，可明顯改善再生混凝土的徐變性能，其中摻硅灰凈漿裹石法改善效果最佳。Hasan[16]通過使用低質(zhì)量濃度酸清洗再生粗骨料，改善再生粗骨料表面缺陷，增強(qiáng)其與新水泥砂漿之間界面過渡區(qū)的黏結(jié)性能。程海麗[17]使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的水玻璃溶液浸泡混凝土再生骨料1 h，同樣能夠提高再生混凝土的力學(xué)性能。宋學(xué)鋒等[18]通過對比水玻璃與聚合硫酸鋁對再生粗骨料進(jìn)行預(yù)處理發(fā)現(xiàn)，兩者均能夠提高再生粗骨料及再生混凝土的性能，且水玻璃提升效果更佳。肖建莊等[19]研究發(fā)現(xiàn)，摻入納米SiO2能夠有效增強(qiáng)再生混凝土的密實(shí)度，減少基體孔隙率，從而顯著改善再生混凝土抗氯離子滲透性能，改善效果隨摻量的增加而增加。楊青等[20]通過引入高活性納米SiO2和納米改性礦物摻合料，得到了納米改性再生混凝土，研究表明納米SiO2與納米改性礦物摻合料雙摻，在一定程度上改善再生混凝土的力學(xué)性能。Zhang[21]研究再生混凝土骨料(RCA)二氧化碳處理對RCA和RCA砂漿性能的影響，結(jié)果表明，碳化提高了RCA的表觀密度，降低了RCA的吸水率和壓碎值。鄭建嵐等[22]研究發(fā)現(xiàn)再生粗骨料經(jīng)CO2處理后，吸水率明顯減小，并且當(dāng)CO2強(qiáng)化壓強(qiáng)為0.4 MPa時，CO2強(qiáng)化骨料的最佳時間為24 h。

2 再生混凝土配合比設(shè)計(jì)

與天然粗骨料相比，再生粗骨料自身吸水率偏高，且自身內(nèi)部缺陷較多，這就會導(dǎo)致其工作性能和力學(xué)性能不能單純地按照普通混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時所需使用的水量、水灰比、砂率等都和普通混凝土有差異。郭遠(yuǎn)新等[23]、肖建莊等[24]、王繹景等[25]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，再生粗骨料取代率和水灰比對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較大，且取代率和水灰比越高，其抗壓強(qiáng)度越低。張亞梅等[26]提出骨料預(yù)吸水法用以滿足再生粗骨料的高吸水率，同時輔以減水劑和粉煤灰，能夠明顯改善再生混凝土的工作和力學(xué)性能。再生混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法有等體積替代法和等量砂漿法，章玉容等[27]通過對比認(rèn)為，后者能夠明顯減少碳排放。吳瑾等[28]通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂率為0.40時，對和易性最為有利；砂率為0.35時，對抗壓強(qiáng)度最為有利。王欣[29]通過設(shè)置砂率和取代率兩個變量，研究再生混凝土的抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度，研究結(jié)果表明合理的砂率能夠改善高強(qiáng)再生混凝土的坍落度，從而提升再生混凝土的密實(shí)度，脆性、塑性變形能力和力學(xué)強(qiáng)度。

總體而言，多數(shù)學(xué)者研究成果比較一致，即再生混凝土的力學(xué)性能隨取代率的上升而下降，隨水灰比的降低而增大，砂率能夠改善再生混凝土的工作性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，進(jìn)而改善其力學(xué)性能。但是針對相同強(qiáng)度的再生混凝土和普通混凝土，關(guān)于其水灰比大小的差異研究相對較少，即針對再生混凝土，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時，其水灰比的設(shè)計(jì)值為多少時能夠達(dá)到與同強(qiáng)度的混凝土一致的水平。水灰比的設(shè)計(jì)值對于指導(dǎo)再生混凝土的工程推廣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 外加礦物摻料和纖維

礦物摻料能夠有效填充混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙，提高密實(shí)度，能夠明顯改善混凝土的力學(xué)性能。劉康寧等[30]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在單摻粉煤灰10%時或雙摻粉煤灰10%和硅粉10%時，能夠有效改善再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。Bravo等[31]研究表明，通過添加高效減水劑，能夠有效提高再生混凝土的抗拉強(qiáng)度。任莉莉等[32]研究表明，加入混雜纖維能夠明顯改善再生混凝土的力學(xué)性能，但摻量超過一定限值時，反而對其力學(xué)性能不利。牛海成等[33]研究表明，玻璃纖維和PVA纖維的摻入能夠明顯改善再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和塑性變形能力。王建超等[34]以纖維長度和纖維摻入量為變量進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摻入碳纖維能夠有效改善再生混凝土的力學(xué)性能，且纖維長度為6 nm、摻入量為0.12%時效果最佳。陳宇良等[35]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維對再生混凝土抗剪能力提高幅度較大，對抗壓強(qiáng)度提高幅度較小。

4 結(jié)語

本文從再生粗骨料獲取方式，再生粗骨料破碎方式，物理、化學(xué)方式強(qiáng)化再生粗骨料品質(zhì)，再生粗骨料取代率、水灰比、砂率、外加礦物摻料和纖維等方面進(jìn)行了敘述，闡明前述強(qiáng)化措施對再生混凝土力學(xué)性能的影響。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，再生混凝土的力學(xué)性能普遍低于普通混凝土，但是通過改善再生粗骨料品質(zhì)及優(yōu)化配合比，能夠使再生混凝土達(dá)到與普通混凝土相近的力學(xué)性能。

同時，受限于再生骨料的獲取方式、存在差異的配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案，不同學(xué)者通過試驗(yàn)得到的結(jié)論難以形成統(tǒng)一的規(guī)范用來指導(dǎo)再生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用。為進(jìn)一步加快再生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，仍有一些實(shí)際問題需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究解決，主要包括但不限于以下幾點(diǎn)：

1)針對廢棄的原生混凝土，要提出合理的分類標(biāo)準(zhǔn)，按照不同類型的廢棄混凝土材料，選擇合適的骨料破碎方式，采用柔和的破碎形式來減小再生粗骨料生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的強(qiáng)度降低、裂紋增多等現(xiàn)象。

2)目前針對再生混凝土力學(xué)性能的研究頗豐，但普遍認(rèn)為其力學(xué)性能要弱于普通混凝土，建議拓寬再生混凝土的應(yīng)用范圍，從結(jié)構(gòu)性向功能性轉(zhuǎn)化，如裝飾混凝土、3D打印混凝土、造型混凝土、室外景觀等。

3)混凝土構(gòu)件在實(shí)際工程中往往受到多重環(huán)境因素的影響，建議開展不同因素耦合作用下再生混凝土長期工作性能的研究，同時建立適用性廣泛的再生混凝土本構(gòu)模型，包括凍融、鹽融、持載、高溫等特殊環(huán)境條件，以滿足特定條件下再生混凝土力學(xué)性能的有限元模擬研究。