王輝珉，王曉彬，李江偉

（中航建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101500）

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技近年來高速蓬勃發(fā)展，各地建筑產(chǎn)業(yè)如房地產(chǎn)建設(shè)、棚戶區(qū)改造、新農(nóng)村建設(shè)等也在如火如荼地進(jìn)行。這些建設(shè)使得基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施不斷增加，相應(yīng)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%）?！笆濉逼陂g，國家提出了綠色可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)低碳戰(zhàn)略理念，這便要求最大限度和效率地利用已有資源來進(jìn)行綠色建設(shè)發(fā)展模式。從這個(gè)角度出發(fā)將這些廢料進(jìn)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(huán)境的影響又緩解了對于天然資源的需求。當(dāng)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(jìn)行生產(chǎn)。本文將從再生骨料的角度進(jìn)行分析，探討再生混凝土的現(xiàn)狀、所存在的問題及未來發(fā)展方向。

1 再生混凝土

城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)導(dǎo)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(huán)境造成粉塵等污染。同時(shí)天然砂石資源的日益缺少和過度開采也在破壞生態(tài)環(huán)境。若是能將這些建筑廢棄物進(jìn)行再利用，不僅節(jié)約資源還能解決因大量建筑物拆除所產(chǎn)生的廢料混凝土處理困難及其造成環(huán)境污染問題。

經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)是建筑垃圾資源再利用的重要途徑，將為實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展帶來可能，并且它所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境改善也值得研究者高度重視。

RCA含水量大、強(qiáng)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(yù)處理過程中因內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷易產(chǎn)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(biāo)都較大。RCA的性能與天然骨料相比差異性較大，同時(shí)通過破解的過程所生產(chǎn)的RCA品質(zhì)低，較差的力學(xué)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(yīng)用。

為了充分利用這些廢棄資源使得建筑行業(yè)開啟資源再利用可再生之路，必須提高RCA骨料強(qiáng)度，對RCA進(jìn)行再次強(qiáng)化處理。當(dāng)下，關(guān)于RCA性能及應(yīng)用技術(shù)的研究頗多，主要為在普通環(huán)境下以RCA材料或基礎(chǔ)構(gòu)建的短期力學(xué)性能研究為主，得出其主要的受力特點(diǎn)和性能規(guī)律，然而并不能完全替代實(shí)際工程中所遇到的各類復(fù)雜環(huán)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(huán)境中有害介質(zhì)侵蝕或是負(fù)載的持續(xù)干擾，這些便是混凝土在長期工作中不可避免的運(yùn)行環(huán)境，這是RCA大范圍開產(chǎn)與應(yīng)用中不可避免的難關(guān)與研究的重點(diǎn)。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(xué)和物理強(qiáng)化法對再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理來提高再生骨料的品質(zhì)。

2 再生混凝土強(qiáng)化處理方法

2.1 聚合物乳液強(qiáng)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(xì)微孔隙進(jìn)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(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)改性后的RCA吸水率的確與PVA濃度呈反比，在PVA濃度較高時(shí)，吸水性較低，在PVA為10%時(shí)RCA的吸水率最低；而通過自然風(fēng)干后的RCA也較普通烘箱進(jìn)行烘干后的吸水率下降。

2.2 硅酸鈉溶液強(qiáng)化法

通過凝膠反應(yīng)，硅酸鈉可與RCA中的氫氧化鈣反應(yīng)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(jìn)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(shí)間、干燥方式和反應(yīng)溫度來對RCA吸水性進(jìn)行調(diào)控。經(jīng)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(shí)間的增加使得RCA材料的吸水率呈現(xiàn)先降低再保持穩(wěn)定的趨勢。

2.3 微粉強(qiáng)化法

利用火山灰泥漿在預(yù)處理時(shí)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(jìn)行填充，并且還可以與RCA中的氫氧化鈣反應(yīng)生成水化合物進(jìn)一步對孔隙填充，從而提高RCA密實(shí)度，且降低了吸水率。這對于ITZ界面過渡區(qū)的顯微硬度、強(qiáng)度和耐久性十分有益。Tam等［4］研究發(fā)現(xiàn)，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(qū)域，還能夠在RCA材料表面形成更為致密的ITZ界面過渡區(qū)。Kong等［5］基于上述的兩步混合法開發(fā)出了三重混合法，可以進(jìn)一步改善RAC的微觀結(jié)構(gòu)。另外，這些由粉煤灰、硅粉和礦粉所促成的表層有助于構(gòu)成最大填充密實(shí)度，對于RAC材料的強(qiáng)度有所提高。

2.4 CO2碳化強(qiáng)化法

水泥中的水化產(chǎn)物氫氧化鈣與C-S-H凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)可占總質(zhì)量的20%與70%。高濃度的CO2氣體與兩者反應(yīng)可生成難溶性的碳酸鈣和硅膠。在反應(yīng)后固相體積可以增加11.8%和23%。在進(jìn)行碳化過程后可產(chǎn)生相應(yīng)的固相產(chǎn)物，它將會對RCA材料中的孔隙進(jìn)行填充提高密實(shí)性和強(qiáng)度，從而降低RCA的孔隙率和吸水性。而碳化時(shí)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(jìn)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(chǎn)生影響，進(jìn)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(shù)量可明顯減小，并能改善RCA材料內(nèi)部的新老ITZ區(qū)，這樣便使得RCA的強(qiáng)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(xiàn)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(yīng)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(xué)性能上。廢磚骨料取代率對抗壓強(qiáng)度影響可分為四個(gè)階段：當(dāng)取代率在30%以下時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降較為明顯；在40%~70%時(shí)力學(xué)性能與穩(wěn)定性較為優(yōu)異；而超過80%之后抗壓強(qiáng)度會大大超過設(shè)計(jì)所用強(qiáng)度；另外在超過90%后，對于抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(guān)系。趙愛華等［7］研究表明，由廢磚骨料取代的RCA的應(yīng)力-應(yīng)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(guān)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(chǎn)RCA材料時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)乃盅a(bǔ)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(xué)性能影響大致相同。隨著水灰比的比重增大而力學(xué)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(xué)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(xué)性能［8］。郭光玲等［9］通過四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著再生骨料、粉煤灰含量的增加，材料的抗壓強(qiáng)度下降；在礦粉添加量15%~25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降最明顯，且在含量增加后力學(xué)性能穩(wěn)定。礦粉、粉煤灰等材料的摻雜量可以有效改善孔隙結(jié)構(gòu)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(chǎn)物將對RCA材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。另一類摻雜材料，鋼纖的加入如同混凝土內(nèi)部添加鋼筋，能夠有效控制裂縫發(fā)展。

4 再生混凝土所存在的問題

從國內(nèi)外研究情況來看，我國對于RCA材料的研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，主要為對生產(chǎn)工藝、RCA材料強(qiáng)化改性、RCA材料配置比設(shè)計(jì)等方面的研究，研究相較于發(fā)達(dá)國家仍然處于落后狀態(tài)，難以進(jìn)行工業(yè)化，主要存在如下幾方面問題。

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

（2）對于RCA材料的研究中，僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室中人工對廢棄材料進(jìn)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(shí)驗(yàn)與實(shí)際進(jìn)行聯(lián)系，將研究實(shí)體化較為困難。

（3）對于RCA材料的物理力學(xué)特性研究還不夠深入系統(tǒng)。RCA材料中有大量不利于生產(chǎn)的微觀結(jié)構(gòu)，如棱角性、多孔性、多裂紋，使得在生產(chǎn)過程中易形成片狀結(jié)構(gòu)。在RCA材料的強(qiáng)化和改性研究中，應(yīng)該對于各個(gè)特性進(jìn)行深入研究，做到趨利避害，對不利的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整改性。另外，大多研究中對比試驗(yàn)不足，數(shù)據(jù)不充分可靠，難以對研究形成系統(tǒng)性歸納。

（4）RCA材料的出現(xiàn)根本目的是配合生產(chǎn)工藝研究來面向?qū)嶋H應(yīng)用，解決材料短缺和環(huán)境污染的問題。在處理時(shí)還要考慮到RCA材料摻雜量、其他組分材料、具體工藝等實(shí)際操作方法和成本，才能使得RCA材料真正面向?qū)嶋H市場，投入使用。

5 結(jié)語

RCA材料的開發(fā)應(yīng)用可以從根本上解決建筑廢棄物難處理、資源短缺、環(huán)境污染等問題，是可持續(xù)綠色發(fā)展道路上必須邁過的一關(guān)。目前應(yīng)通過企業(yè)聯(lián)合科研對RCA材料的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步研究，尤其是對于其生產(chǎn)工藝、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)力學(xué)信息和如何改性強(qiáng)化等進(jìn)行研究，為RCA材料的發(fā)展提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。