肖建莊，藍(lán)啟彬，張青天，張凱建，羅素蓉

(1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116； 2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)房屋及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅猛，與此同時(shí)每年排放的建筑垃圾15.5×108～24×108t，未處理的存量垃圾超過(guò)200×108t，2020年中國(guó)新建房屋面積創(chuàng)歷史新高，達(dá)149.5×108m2，據(jù)估算[1]，每拆除1×104m2建筑，會(huì)產(chǎn)生建筑垃圾0.7×108～1.2×108t，因此，排放量逐年遞增的建筑垃圾如何處理是目前面臨的重大問(wèn)題。面對(duì)該問(wèn)題，再生混凝土技術(shù)是有效的解決方式之一，既可以有效消納建筑垃圾，也有利于緩解資源短缺形勢(shì)。再生混凝土是指將廢棄混凝土通過(guò)破碎、篩分、清洗和分級(jí)之后，按一定比例和級(jí)配混合形成再生骨料，再將再生骨料部分或全部替代天然骨料所制成的混凝土[2]。近年來(lái)，再生混凝土的研究趨于成熟，研究結(jié)果表明[3-5]，由于再生骨料較高的堆積空隙率和壓碎指標(biāo)，使用再生骨料替代天然骨料后，再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗壓強(qiáng)度及彈性模量均小于普通混凝土，抗彎強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度也有不同程度的降低，且存在流動(dòng)性不足、混凝土內(nèi)部缺陷較多易產(chǎn)生集中應(yīng)力等問(wèn)題。

為優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)的性能，肖建莊等[6]提出了“組合混凝土”的概念，其基本思想是通過(guò)在不同層次上(材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu))組合不同種類的混凝土，對(duì)混凝土材料以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提升其安全性、適用性和耐久性。將再生混凝土應(yīng)用至“組合混凝土”中，可利用骨料、混凝土之間的組合效應(yīng)改善再生混凝土的性能，進(jìn)一步為再生混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)性設(shè)計(jì)提供新的思路，這樣的組合可稱為“組合再生混凝土”。本文從組合再生混凝土的不同組合層次、界面影響因素進(jìn)行闡述。

1 再生混凝土性能特點(diǎn)

1.1 再生骨料

再生骨料根據(jù)其粒徑大小可分為再生粗骨料(4.75～31.5 mm)和再生細(xì)骨料(不大于4.75 mm)，在加工過(guò)程中會(huì)附帶產(chǎn)生再生粉料。表1為再生骨料和天然骨料性能對(duì)比[7-13]。可以發(fā)現(xiàn)，再生骨料相比天然骨料堆積空隙率高7%～14.1%，密度低2.8%～15.6%，壓碎值高6.2%～14.5%，吸水率高1.73%～4.7%。這是因?yàn)榕c天然骨料相比，再生骨料表面附著有疏松多孔的老砂漿，且再生骨料所屬的原混凝土已經(jīng)歷多年的碳化、物理擠壓、化學(xué)腐蝕、溫差變化等作用。此外，破碎工藝的不同也會(huì)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來(lái)影響，形成微裂縫。通過(guò)對(duì)比再生粉料與磚瓦黏土、粉煤灰的化學(xué)成分可知，磚瓦黏土中SiO2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))最高為65.12%，粉煤灰中Al2O3含量最高為33.51%，而CaO和MgO等成分高于粉煤灰，這些物質(zhì)有助于水泥水化產(chǎn)物的二次水化反應(yīng)，提高再生粉料的反應(yīng)活性[14]。

1.2 再生混凝土力學(xué)性能

再生混凝土的力學(xué)性能受再生骨料的品質(zhì)、取代率、摻合料和水灰比的影響，與普通混凝土相比，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度較低。研究結(jié)果表明[3,15-16]，再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別較普通混凝土低20%～30%和10%～20%；當(dāng)再生粗骨料取代率為30%、70%、100%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度都低于普通混凝土，但在取代率為50%時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)相反的情況；再生混凝土的立方體抗拉強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨立方體抗壓強(qiáng)度的增加而增加[17]，相關(guān)關(guān)系可總結(jié)為式(1)～(3)。與普通混凝土相比，再生混凝土彈性模量降低，峰值應(yīng)變?cè)龃?；在取代率較低時(shí)，其泊松比與普通混凝土相差不大，其值隨著取代率的增加而降低。已有學(xué)者[18-21]的研究表明，再生骨料的存在會(huì)使再生混凝土的彈性模量低于普通混凝土，其彈性模量相比普通混凝土低18.2%～24.6%[18]。再生骨料的存在會(huì)使再生混凝土的峰值應(yīng)變高于普通混凝土[22]，當(dāng)再生骨料取代率大于30%時(shí)，泊松比略微下降。

表1 再生骨料與天然骨料性能對(duì)比[7-13]Table 1 Comparison of properties between recycled aggregate and natural aggregate[7-13]

(1)

(2)

(3)

式中：ft為單軸抗拉強(qiáng)度；ft,sp為劈裂抗拉強(qiáng)度；ff為抗折強(qiáng)度；fcu為立方體抗壓強(qiáng)度。

1.3 再生混凝土耐久性能

再生混凝土的耐久性能研究包括抗碳化性能、抗凍性能、抗氯離子滲透性能、抗硫酸鹽滲透性能等[23]。多數(shù)研究[24-25]表明，隨著再生粗骨料取代率提高，混凝土碳化深度增加，再生粗骨料取代率大于70%時(shí)，碳化深度有所下降。陳德玉等[26-27]研究發(fā)現(xiàn)，300次凍融循環(huán)后再生骨料會(huì)降低再生混凝土的抗凍性能，當(dāng)橡膠粉摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%和10%，取代率在50%以下和75%時(shí)，其抗凍性能有一定提升。Kou等[28-31]認(rèn)為再生混凝土的抗氯離子滲透性能低于普通混凝土，添加粉煤灰等礦物摻合料可以提高其抗氯離子滲透性能，粉煤灰的最佳摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10%～20%，提高水灰比對(duì)抗氯離子滲透性能不利。Azevedo等[32]研究表明，再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等能力低于普通混凝土，使用15%粉煤灰和15%偏高嶺土替代水泥，可提高其抗硫酸鹽侵蝕能力。肖建莊等[33]發(fā)現(xiàn)再生混凝土在28 d內(nèi)收縮變形較大，荷載下的徐變?cè)?0 d內(nèi)較大。崔正龍等[34-35]研究了再生混凝土的透氣性能和耐磨性能，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料取代率對(duì)透氣性能的影響小于再生細(xì)骨料，再生粗骨料取代率小于40%時(shí)對(duì)磨損性能影響較小，高于40%后，磨損量隨著再生粗骨料取代率的提高而顯著增加。

整體而言，原生混凝土服役期的受荷損傷、環(huán)境作用以及再生骨料加工時(shí)受到的物理擠壓等因素，使再生骨料表觀密度、堆積密度等呈現(xiàn)不同程度的下降。再生混凝土由于受到再生骨料的影響，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與耐久性能等低于同水灰比下的普通混凝土?？梢?jiàn)，若將再生混凝土單獨(dú)用于結(jié)構(gòu)中，可能在一些結(jié)構(gòu)部位處難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，例如，在一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位，會(huì)出現(xiàn)承載力、變形能力不滿足的問(wèn)題。因此，若將再生混凝土與其他混凝土進(jìn)行不同層面的組合設(shè)計(jì)，可達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果。

2 組合再生混凝土

再生骨料相對(duì)天然骨料存在的缺陷、再生混凝土相對(duì)普通混凝土性能上的不足，均會(huì)使其應(yīng)用受到一定限制。而通過(guò)再生骨料與其他骨料的組合、再生混凝土與其他混凝土的組合、再生混凝土構(gòu)件和其他混凝土構(gòu)件的組合，可利用組合的優(yōu)勢(shì)來(lái)彌補(bǔ)再生混凝土的不足。

2.1 骨料層面組合

吳波等[39]通過(guò)研究再生混凝土塊體與新混凝土組成的再生混合混凝土發(fā)現(xiàn)：使用塊體(特征尺寸為50～400 mm)相比使用再生骨料制備混凝土，其能耗可降低40%～60%，水泥用量減少30%；當(dāng)再生混合塊體取代率低于33%時(shí)，對(duì)再生混合混凝土柱的軸壓、初始剛度和延性系數(shù)的影響可忽略不計(jì)，其受壓破壞過(guò)程未出現(xiàn)明顯裂紋聚集和應(yīng)力集中現(xiàn)象。蔡敏偉等[40-42]對(duì)再生塊體混凝土的單軸受壓性能、疲勞性能以及不同溫度下的力學(xué)性能開(kāi)展了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：抗壓強(qiáng)度分別為26.7 MPa和45 MPa的舊混凝土塊體與新混凝土結(jié)合良好，當(dāng)取代率從0%提升至30%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度下降20.1%；當(dāng)新舊混凝土強(qiáng)度相差不大且取代率不高時(shí)，其強(qiáng)度性能和普通混凝土基本一致，疲勞性能相比普通混凝土無(wú)明顯降低，經(jīng)過(guò)高溫后，再生塊體混凝土的抗壓強(qiáng)度與普通混凝土亦無(wú)明顯差異。熊焱等[43]進(jìn)行了再生塊體混凝土剪力墻的抗震性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻再生混凝土塊的剪力墻破壞位移角大于1/50，位移延性系數(shù)為5.40～5.91，當(dāng)再生混凝土塊和新澆筑混凝土的抗壓強(qiáng)度相差不大時(shí)，滿足規(guī)范要求，再生混凝土塊取代率為20%的剪力墻抗震性能與普通混凝土剪力墻基本一致。高林等[44]采用大粒徑再生骨料(5～100 mm)制備再生混凝土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整級(jí)配可使再生混凝土滿足跟普通混凝土一樣的性能要求，減少破碎工序，從而降低再生混凝土制作成本。

綜上，骨料層面的組合在減少天然資源使用的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)再生混凝土的性能優(yōu)化，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。骨料的組合可改善再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)和孔結(jié)構(gòu)分布，將再生骨料與金屬骨料、浮石、河卵石等特殊骨料進(jìn)行組合，可在后續(xù)研究中嘗試。

2.2 構(gòu)件層面組合

將再生混凝土與其他混凝土在不同部位上組合，可對(duì)柱、梁、板等構(gòu)件進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于柱構(gòu)件，其內(nèi)部區(qū)域受到外部的保護(hù)作用且受力相對(duì)較小，因此，柱內(nèi)部的混凝土強(qiáng)度要求可低于柱外部，可將性能較低的混凝土材料用于柱內(nèi)部，將高性能的混凝土材料用于柱外部，不僅契合柱的受力特點(diǎn)還能顯示各混凝土優(yōu)勢(shì)。采用這一設(shè)計(jì)思路，Xiao等[45]制備了再生骨料混凝土半預(yù)制柱[表2(a)]，研究了不同再生骨料取代率(0%、100%)、施工順序和柱芯尺寸對(duì)柱抗震性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外部預(yù)制再生混凝土柱和內(nèi)部預(yù)制再生混凝土的峰值荷載分別高于普通混凝土柱15.1%和5.7%，其破壞模式與普通混凝土柱相似，具有良好的抗震性能。Zhang等[46-47]對(duì)海水海砂再生混凝土整體柱和組合柱進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)海水海砂再生混凝土柱的峰值荷載相比一般再生混凝土高約17%；采用普通混凝土外殼和海水海砂再生混凝土內(nèi)芯的組合柱，其承載力為海水海砂再生混凝土柱的0.9倍～1.8倍，采用ECC(engineered cementitious composite)外殼的組合柱承載力最高可達(dá)整澆海水海砂再生混凝土柱的2倍，組合柱構(gòu)造形式也如表2(a)所示。Robalo等[48]將超高性能混凝土與再生混凝土進(jìn)行了組合使用。

根據(jù)梁的受力特點(diǎn)，可有兩種設(shè)計(jì)方式，一種是在梁縱向的不同部位進(jìn)行組合[表2(b)]，在彎矩控制段采用取代率較大的再生混凝土，在剪力控制段采用取代率較小的再生混凝土，并用振搗棒在分界面進(jìn)行振搗[6]。另一種組成方式是截面上下的組合形式，在梁橫截面的受拉區(qū)和受壓區(qū)澆筑不同種類的混凝土，Xiao等[49]提出了再生混凝土疊合梁[表2(c)]，進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，剪跨比為3.0的C型和U型疊合梁與整澆梁一樣承載性能良好，當(dāng)荷載加載到60 kN時(shí)出現(xiàn)第一條裂縫，斜剪切裂縫在荷載為160 kN時(shí)出現(xiàn)，350 kN時(shí)梁完全破壞，疊合梁未發(fā)生對(duì)承載力和變形不利的影響。Lapko等[50]設(shè)計(jì)出一種組合梁，該組合梁以再生混凝土為基礎(chǔ)，將高強(qiáng)混凝土(抗壓強(qiáng)度為100 MPa)設(shè)置在構(gòu)件的受壓區(qū)中心部分[表2(d)]，組合梁相比整澆再生混凝土梁抗彎強(qiáng)度高出20%～36%，撓度降低20%～40%，具有更高的剛度和抗彎能力。Fahmy等[51]設(shè)計(jì)了組合T型梁，梁腹板分為外預(yù)制U型部分和腹板核心部分，外預(yù)制U型部分都采用高強(qiáng)度普通混凝土，腹板核心部分分別采用普通強(qiáng)度再生混凝土、高強(qiáng)度再生混凝土和普通強(qiáng)度再生混凝土砌塊，梁翼緣部分采用高強(qiáng)度普通混凝土；兩種組合梁，一種為腹板核心采用C50再生混凝土，翼緣采用C50普通混凝土；另一種腹板核心采用C25再生混凝土塊，翼緣采用C50再生混凝土[表2(e)]，其抗彎強(qiáng)度分別高于一般梁11.4%和9.8%，屈服荷載分別高于參考梁20%和13.5%，延性比低于參考梁10%～55%，采用普通強(qiáng)度再生混凝土塊體填充具有與參考梁相同的變形能力。在抗壓強(qiáng)度方面，不同組合梁與參考梁相近。

板的組合方式也可分為兩種，一種是截面上下組合不同種類混凝土，另一種是平面上不同位置的組合。基于板的受力特點(diǎn)，平面上不同位置的板有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，而且不同位置板的受力并沒(méi)有顯著差異，所以這方面的研究意義不大。而對(duì)截面而言，上下采用的材料不同，其受力有著明顯的差異，具體分為受拉區(qū)、受壓區(qū)以及中性軸區(qū)域，可根據(jù)不同區(qū)域的特點(diǎn)，相應(yīng)采用不同種類的混凝土。在板截面上下組合不同的混凝土，既可以組合不同種類的混凝土，也可以組合同一種類不同物質(zhì)摻量的混凝土。Xiao等[52]通過(guò)在截面上設(shè)置不同再生骨料取代率(0%、50%、100%)制備了再生骨料混凝土梯度板[表2(f)]，發(fā)現(xiàn)再生混凝土梯度板與普通混凝土板的彎曲變形性能相似，其彎曲性能和彎曲剛度隨著配筋率的提高而增強(qiáng)，在配筋率為0.70%和0.98%時(shí)，梯度板的承載能力良好，與普通混凝土相近。

表2 柱、梁、板構(gòu)件組合形式Table 2 Combination forms of column, beam and slab

2.3 結(jié)構(gòu)層面組合

結(jié)構(gòu)中不同部位的構(gòu)件有著不同的性能要求。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，梁柱之間節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)框架整體性能影響很大。上海市建筑示范樓采用預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)[54]，該樓框架柱在工廠預(yù)制，柱的縱向鋼筋采用灌漿套筒技術(shù)連接，框架梁和框架都是復(fù)合形式，樓的整體預(yù)制率超過(guò)70%，研究發(fā)現(xiàn)預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)耗能能力良好，與預(yù)制普通混凝土框架結(jié)構(gòu)具有相同側(cè)移機(jī)理和抗坍塌能力，抗地震性能也無(wú)顯著差異，為預(yù)制再生混凝土框架在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

Marthong等[55]設(shè)計(jì)了再生混凝土與微膨脹混凝土(微膨脹混凝土是一種高強(qiáng)度混凝土，通過(guò)波特蘭水泥、級(jí)配骨料、填料和外加劑組成的干粉與水結(jié)合生成，流動(dòng)度大且收縮小，可用于混凝土的修復(fù))的組合梁柱節(jié)點(diǎn)(圖1)，開(kāi)展了節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究，參照組節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用普通混凝土，節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用微膨脹混凝土30%和100%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))取代普通混凝土的梁柱結(jié)構(gòu)相比參照組剛度分別降低8%和15%，節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用再生混凝土30%和100%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))取代普通混凝土的梁柱結(jié)構(gòu)相比參照組剛度分別降低30%和42%，組合梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力是一般再生混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的1.39倍～1.47倍，極限荷載和延性均有顯著提升。Ding等[56]根據(jù)解構(gòu)設(shè)計(jì)(design for deconstruction,DfD)方法，設(shè)計(jì)了可拆裝連接構(gòu)造(圖2)，并開(kāi)展了DfD梁柱框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其位移延性相比整體構(gòu)件降低10%，所有節(jié)點(diǎn)在1.5%位移比下具有相近的耗能能力，DfD梁柱框架節(jié)點(diǎn)可滿足抗震要求。

綜上所述，在柱、梁和板等構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，將再生混凝土與其他混凝土進(jìn)行組合，在特定部位使用具有特定功能的混凝土以發(fā)揮其性能特點(diǎn)，可充分利用材料達(dá)到資源節(jié)約的目的，同時(shí)能提高組合再生混凝土構(gòu)件的受壓、受彎及抗震等性能，形成工業(yè)化生產(chǎn)后將具有良好的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益。在設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)不同部位具有不同的性能要求，柱主要承擔(dān)軸向壓力，梁和板主要承擔(dān)彎矩、剪力，節(jié)點(diǎn)部位起到連接不同構(gòu)件的重要作用，需根據(jù)構(gòu)件的力學(xué)性能和功能需求選取恰當(dāng)?shù)幕炷粒浞职l(fā)揮再生混凝土和其他混凝土的各自優(yōu)勢(shì)。

3 組合再生混凝土界面性能

組合再生混凝土的性能很大程度上受到再生混凝土與其他混凝土界面性能的影響，改善界面的黏結(jié)抗剪性能可更好地發(fā)揮組合再生混凝土的作用，其界面可從再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)和混凝土與混凝土間界面性能兩方面展開(kāi)闡述。

3.1 再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)

混凝土中骨料邊緣存在一定區(qū)域，該區(qū)域漿體的性能與遠(yuǎn)離該區(qū)域漿體的性能存在顯著不同，稱為混凝土界面過(guò)渡區(qū)，再生混凝土內(nèi)部新/舊界面過(guò)渡區(qū)如圖3所示，其性能受到再生骨料品質(zhì)、原生混凝土強(qiáng)度以及攪拌方式等影響。

張玉棟等[57]研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土的界面過(guò)渡區(qū)相比普通混凝土更疏松、存在孔洞或者微裂縫，主要是由于再生骨料表面附著的舊砂漿以及破碎過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷造成的。王繼娜等[58]通過(guò)對(duì)比原生混凝土強(qiáng)度為C30、C50、C80的再生混凝土與普通混凝土的強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，齡期為3 d時(shí)，其水化不完全，原生混凝土強(qiáng)度越高吸水率越大，而原生強(qiáng)度為C30、C50、C80的再生混凝土結(jié)構(gòu)完整性逐漸下降；在28 d時(shí)，其水化完全，原生混凝土強(qiáng)度越大，其砂漿層強(qiáng)度越高，表面附著砂漿越多，其與新砂漿層黏結(jié)越緊密，隨著原生混凝土強(qiáng)度的提升，其微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。李文貴等[59]使用納米壓痕和掃描電鏡觀察再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)，采用二次攪拌工藝時(shí)，C—S—H凝膠體積分?jǐn)?shù)為68%，大于普通攪拌的55%，二次攪拌工藝使界面過(guò)渡區(qū)更加致密，孔隙率和彈性模量離散性降低。宮堯堯等[60-62]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于氯離子溶液浸泡后的再生混凝土，其舊界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度從100～150 MPa降至35～45 MPa，新界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度降低10～20 MPa，在硫酸根離子溶液中浸泡后，顯微硬度也會(huì)降低，摻入硅灰對(duì)再生骨料進(jìn)行裹漿可提升界面過(guò)渡區(qū)的抗?jié)B透性能。當(dāng)再生骨料和其他骨料組合時(shí)，其形成的界面過(guò)渡區(qū)體系以及孔結(jié)構(gòu)分布均會(huì)產(chǎn)生差異，進(jìn)而產(chǎn)生性能上的差異。

3.2 混凝土與混凝土間界面

3.2.1 界面測(cè)試方法

混凝土與混凝土間的界面性能對(duì)組合混凝土性能有著重要影響，可通過(guò)多種不同的方法測(cè)定混凝土間的界面黏結(jié)性能，目前已有學(xué)者開(kāi)展了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的黏結(jié)性能試驗(yàn)研究。Ray等[63]通過(guò)一種直接剪切試件對(duì)雙層復(fù)合混凝土界面性能進(jìn)行表征，試驗(yàn)測(cè)得普通混凝土與高性能混凝土界面強(qiáng)度在1.5～2.9 MPa之間，滿足加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)要求(大于0.9 MPa)，驗(yàn)證了普通混凝土與高性能混凝土滿足實(shí)現(xiàn)界面剪切強(qiáng)度要求，試件形狀如圖4(a)所示。Santos等[64]通過(guò)雙面剪切試驗(yàn)認(rèn)為，混凝土間界面的影響因素主要為表面粗糙度、黏合劑種類、強(qiáng)度最低混凝土的強(qiáng)度，試件形狀如圖4(b)所示。Figueira等[65]在直接剪切的基礎(chǔ)上對(duì)試件形式進(jìn)行改造，試件由同一種混凝土分3個(gè)時(shí)間進(jìn)行澆筑[圖4(c)]，通過(guò)循環(huán)推拉試驗(yàn)對(duì)不同時(shí)間澆筑混凝土間界面的剪切性能進(jìn)行分析，使用液壓試驗(yàn)機(jī)的球形座對(duì)試件界面施加軸向荷載，將變壓傳感器安置在試件的界面測(cè)量滑移，用公式(4)進(jìn)行剪力計(jì)算，界面斷開(kāi)后的試件再分別進(jìn)行單調(diào)荷載剪切試驗(yàn)。Ceia等[66]通過(guò)直接剪切對(duì)圖4(d)試件進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同粗糙度下界面抗剪強(qiáng)度的變化，界面粗糙度對(duì)抗剪強(qiáng)度有提升作用。

(4)

式中：τ為剪應(yīng)力；F為施加荷載；L為界面長(zhǎng)度；b為界面寬度。

Hu等[67]進(jìn)行了動(dòng)態(tài)黏結(jié)性能研究，采用霍普金森壓桿對(duì)斜剪試件施加動(dòng)態(tài)壓縮荷載，結(jié)果顯示：應(yīng)變率從1×10-5s-1提升至9.91 s-1時(shí)，界面黏結(jié)強(qiáng)度顯著提高；當(dāng)應(yīng)變率從9.91 s-1提高到21.63 s-1時(shí)，試件吸收能量更多，但破壞更嚴(yán)重；試件齡期增大或者新舊混凝土齡期差增大也會(huì)使黏結(jié)強(qiáng)度增大；試件傾角30°比傾角40°更容易失效，測(cè)試試件如圖4(e)所示。 Frenzel等[68]通過(guò)施加位移控制荷載，直至試件發(fā)生破壞，測(cè)量界面的抗剪強(qiáng)度，試件為五層[圖4(f)]，試件3種組合分別為：覆蓋層為結(jié)構(gòu)輕混凝土，核心層為次輕混凝土；覆蓋層為普通混凝土，核心層為次輕混凝土和泡沫混凝土。使用垂直引伸計(jì)和水平引伸計(jì)測(cè)量試件上下區(qū)域的垂直偏轉(zhuǎn)和應(yīng)變，通過(guò)荷載分配板和三角形鋼條將力傳到試件上邊緣，以使試件產(chǎn)生0.005 mm·s-1速度施加位移控制荷載，直至試件發(fā)生破壞。

3.2.2 界面影響因素

混凝土與混凝土間界面性能的影響因素很多，主要影響因素有截面的粗糙程度、黏合劑性能、混凝土齡期、混凝土的強(qiáng)度、骨料特性。

Frenzel等[68]綜合變形和剪力來(lái)研究界面粗糙度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度影響，用引伸計(jì)測(cè)量試件上下區(qū)域垂直偏轉(zhuǎn)和變形，用公式(5)計(jì)算出剪力，綜合變形和剪力來(lái)評(píng)估界面抗剪性能。覆蓋層為結(jié)構(gòu)輕混凝土，核心層為次輕混凝土，覆蓋層為普通混凝土，核心層為次輕混凝土，在這兩種組合下界面為光滑時(shí)的平均極限剪切應(yīng)力分別為0.69、0.66 MPa，粗糙界面下分別為0.69、0.73 MPa，凹陷界面失效荷載比光滑界面和粗糙界面兩者平均值高出16%，與Ceia等[66]認(rèn)為隨著粗糙度增加，界面抗剪強(qiáng)度增加的結(jié)論基本一致。次輕混凝土與結(jié)構(gòu)輕混凝土的黏合效果最好，普通混凝土與泡沫混凝土組合的界面由于泡沫混凝土的表面光滑使組合界面強(qiáng)度較低。

(5)

式中：τm為平均剪應(yīng)力；A為界面面積。

Robalo等[48]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膠黏劑失效是超高耐久性混凝土和低水泥再生混凝土(水泥用量減少)界面破壞的主要原因。Santos等[69]探究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)舊混凝土層與新混凝土層的澆筑時(shí)間間隔增大，收縮會(huì)變大，收縮產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力會(huì)抵消剪切試驗(yàn)時(shí)試件界面上的拉伸應(yīng)力，因此隨著收縮的增加，試件的抗剪黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)提高。葉果[70]研究發(fā)現(xiàn)，新混凝土和舊混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，界面的抗剪性能越強(qiáng)。

再生骨料對(duì)再生混凝土的影響也會(huì)對(duì)界面性能產(chǎn)生作用。Ceia等[66]研究再生混凝土和普通混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度，用鋼刷將界面打造成輕度粗糙，用針槍將界面打造成粗糙，界面情況見(jiàn)圖5。3種界面抗剪強(qiáng)度平均值分別為5.90、7.00、10.31 MPa，隨著再生骨料取代率提高，3種界面抗剪強(qiáng)度最高分別降低121%、136%和161%，再生骨料對(duì)界面粗糙程度更高的試件抗剪強(qiáng)度降低效果更明顯。Robalo等[48]研究了超高性能混凝土與再生混凝土間的界面性能，構(gòu)件形式與Ceia等[66]采用的構(gòu)件形式相同，結(jié)果顯示當(dāng)提高界面粗糙度時(shí)，混凝土界面抗剪強(qiáng)度可提高至40%，超高耐久性混凝土的抗剪強(qiáng)度隨著黏合劑強(qiáng)度的增加而增加，增加界面的粗糙度和黏結(jié)劑強(qiáng)度對(duì)抗剪強(qiáng)度很重要。目前混凝土界面的研究短齡期居多，其長(zhǎng)齡期性能以及耐久性是今后研究的方向之一[71]。

再生混凝土中的界面過(guò)渡區(qū)相比普通混凝土存在更多缺陷，并受到原生混凝土強(qiáng)度、攪拌工藝等因素的影響，在材料組合時(shí)，需將界面過(guò)渡區(qū)的性能考慮在其中。另外，混凝土與混凝土間的界面性能是不同混凝土間能夠共同作用的基礎(chǔ)，其界面黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)影響組合再生混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。針對(duì)界面的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，混凝土間界面性能主要受界面粗糙度、黏合劑種類、混凝土強(qiáng)度的影響，且隨著應(yīng)變率提高會(huì)出現(xiàn)黏結(jié)強(qiáng)度提高的現(xiàn)象?？偨Y(jié)現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果，提高界面粗糙度是提高界面剪切性能的有效措施，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)也可以提高界面剪切性能。在組合再生混凝土結(jié)構(gòu)中，為保證界面具有足夠的黏結(jié)力，應(yīng)從提高界面粗糙度、提高膠黏劑性能和混凝土強(qiáng)度等級(jí)等方面入手，從而保證組合再生混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的性能。

4 組合再生混凝土未來(lái)展望

4.1 基于再生混凝土特點(diǎn)的組合優(yōu)化

4.1.1 材料層面

將海砂資源和再生骨料組合應(yīng)用是目前發(fā)展的方向之一。邢麗等[37]發(fā)現(xiàn)海水海砂里面的鹽分結(jié)晶后可以填充混凝土里面的孔隙，使混凝土強(qiáng)度提高。肖建莊等[72]考慮到再生骨料堆積空隙率較高，提出將海水海砂與再生骨料結(jié)合來(lái)提高再生骨料混凝土的性能，然而其具體影響過(guò)程仍需進(jìn)一步研究。將密度較低的再生骨料與密度較高的金屬骨料結(jié)合、與具有改性作用的輕骨料(火山渣、粉煤灰、黏土陶粒)的結(jié)合，或者復(fù)摻不同的骨料以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)也是值得研究的方向。

4.1.2 構(gòu)件與結(jié)構(gòu)層面

目前已有的組合再生混凝土構(gòu)件研究表明，再生混凝土在構(gòu)件、結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行組合可對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化。在應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)-功能一體化是現(xiàn)在設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，將再生混凝土放在構(gòu)件的內(nèi)層，各種功能性混凝土放在外層，如超高耐久性混凝土、耐火性混凝土，既能滿足性能、功能需求，也能減少資源能量消耗，還可根據(jù)結(jié)構(gòu)不同部位功能需求，將各混凝土設(shè)置于恰當(dāng)?shù)胤?，如連接節(jié)點(diǎn)使用性能較高的混凝土，其余部分應(yīng)用再生混凝土，不同組合方式的再生混凝土結(jié)構(gòu)是需進(jìn)一步研究的方向。

4.2 與新型工藝、材料的結(jié)合和優(yōu)化

組合再生混凝土在澆筑施工時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的組成相對(duì)復(fù)雜，采用現(xiàn)場(chǎng)施工方式澆筑效率較低，因此需考慮與其他新型工藝結(jié)合。BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)和裝配式建筑是建筑行業(yè)新興研究方向，可將這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使之應(yīng)用于組合再生混凝土施工中，通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整設(shè)計(jì)和建模，包含結(jié)構(gòu)分布、構(gòu)件特性以及材料的各項(xiàng)參數(shù)，利用3D打印在成本和效率方面的競(jìng)爭(zhēng)性，將建成的模型通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行打印[73-74]，再將構(gòu)件裝配成組合再生混凝土結(jié)構(gòu)，不僅具有綠色、循環(huán)、高效的優(yōu)勢(shì)，還能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建造智能化。

再生骨料由于堆積空隙率高、密度低、壓碎指標(biāo)大等特性，導(dǎo)致相關(guān)構(gòu)件性能較差，而且不同的組合再生混凝土結(jié)構(gòu)工作性能仍有許多未知，可將智能材料與組合再生混凝土進(jìn)行結(jié)合。智能材料具有仿生性、傳感功能、自診斷、修復(fù)、調(diào)節(jié)的特性，如光導(dǎo)纖維通過(guò)信號(hào)傳播發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)變化；形狀記憶芯片可以保障材料的穩(wěn)定性，有效降低恢復(fù)的難度。兩者結(jié)合可及時(shí)發(fā)現(xiàn)組合再生結(jié)構(gòu)潛在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

4.3 存在不足和研究方向

(1)目前組合再生混凝土結(jié)構(gòu)的研究較少，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，需要根據(jù)再生骨料和再生混凝土的特點(diǎn)，在材料、構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)層面，構(gòu)想出可以減少再生混凝土應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的組合方式，以擴(kuò)大再生混凝土的應(yīng)用途徑。

(2)再生骨料的使用可以減少對(duì)天然砂石資源的開(kāi)采，而組合再生混凝土結(jié)構(gòu)在保證結(jié)構(gòu)安全性和功能要求基礎(chǔ)上，可合理利用再生骨料，并提高所有材料的利用率，若形成規(guī)模化生產(chǎn)，將對(duì)環(huán)境保護(hù)起到重要作用。

(3)組合再生混凝土結(jié)構(gòu)目前主要停留在研究階段，還沒(méi)有實(shí)際工程案例；組合混凝土界面粗糙程度的表征、黏結(jié)劑種類和強(qiáng)度以及它們?nèi)绾斡绊懟炷僚c混凝土之間的界面性能需要深入研究。

(4)在結(jié)合再生骨料特性的基礎(chǔ)上，深入研究再生混凝土在骨料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)上不同的組合，探索出新的組合方式；與BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)、智能材料結(jié)合，在綠色建造的同時(shí)保證結(jié)構(gòu)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了再生混凝土的性能特點(diǎn)，從骨料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)層面闡述了現(xiàn)有組合再生混凝土相關(guān)研究，探討了組合界面的影響因素及其對(duì)性能的影響，提出了未來(lái)發(fā)展展望，具體結(jié)論如下：

(1)再生骨料相比天然骨料，空隙率高7%～14.1%，密度低2.8%～15.6%，壓碎值高6.2%～14.5%，吸水率高1.73%～4.7%；再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相比普通混凝土分別低20%～30%和10%～20%，抗折強(qiáng)度、抗碳化性能等均一定程度低于普通混凝土，可通過(guò)與其他混凝土組合使用的方式，提高再生混凝土的應(yīng)用效率。

(2)再生混凝土與其他混凝土組合設(shè)計(jì)，可優(yōu)化其強(qiáng)度和工作性能等，海水海砂再生混凝土7 d立方體抗壓強(qiáng)度高于再生混凝土10%～20%；外部預(yù)制再生混凝土柱和內(nèi)部預(yù)制再生混凝土柱的承載力分別高于普通混凝土柱15.1%和5.7%，再生混凝土與高強(qiáng)混凝土組合梁相比整澆再生混凝土梁撓度降低20%～40%；組合梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力是一般再生混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的1.39倍～1.47倍。

(3)組合再生混凝土的界面性能對(duì)組合構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的性能有著重要影響，界面性能受表面粗糙度、黏合劑、混凝土齡期、混凝土強(qiáng)度和骨料特性的影響，凹陷界面失效荷載比光滑界面和粗糙界面兩者平均值高出16%；提高界面粗糙度時(shí)，混凝土界面抗剪強(qiáng)度可提高至40%，可見(jiàn)界面粗糙度是影響界面抗剪強(qiáng)度的最重要因素。

(4)組合再生混凝土從研究到運(yùn)用于實(shí)際工程還需在建造方式上進(jìn)行創(chuàng)新，與BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)、裝配式建筑和智能材料的結(jié)合是具有生態(tài)環(huán)境價(jià)值的研究方向。