再生骨料混凝土基本性能与微观形态分析综述

陈刚，魏忠，马坤，张新胜，马世豪

（1. 河南中建西部建设有限公司，河南 郑州 451450；2. 河南郑东新区管委会安监局，河南 郑州 451450）

技术版

再生骨料混凝土基本性能与微观形态分析综述

陈刚1，魏忠1，马坤2，张新胜1，马世豪1

（1. 河南中建西部建设有限公司，河南 郑州 451450；2. 河南郑东新区管委会安监局，河南 郑州 451450）

再生骨料混凝土及再生道路材料的研究应用不仅将建筑垃圾有效资源化，而且对社会可持续发展具有重要意义。本文主要针对破碎、处理后的原生骨料的形态和性质进行分析，探讨了再生骨料混凝土的抗压强度、弹性模量、耐久性能等基本性能，分析了再生骨料和砂浆界面微观结构，为高强再生骨料混凝土的研发应用提供了理论依据。

再生骨料；影响因素；基本性能；微观结构

0 引言

目前我国正处在大兴土木、基础设施建设快速发展时期，各种砂石料等建筑材料需求量巨大，资源能源匮乏问题日益严重，同时因大量拆迁工程产生的废弃混凝土也越来越多。资料显示[1]，我国每年仅因拆迁、改建、扩建等工程所产生的废弃混凝土就高达.3～0.4亿吨。将建筑垃圾回收，经清洗、破碎、筛分以及强化处理后按照一定比例配制而成的新制混凝土即为再生骨料混凝土[2-4]（Recycled Aggregate Concrete, RAC）。再生骨料混凝土技术的研究和应用一方面可以降低建筑垃圾对环境的污染，保护自然环境；另一方面可以减少工程建设对自然资源的开采，在一定程度上解决能源资源匮乏问题。

目前再生骨料混凝土的研究主要集中在抗拉、抗压和弹性模量方面的力学性能研究[5-7]。经破碎处理后的再生骨料中含有残留的水泥石和附着水泥砂浆的原生骨料，相比天然骨料，具有高孔隙率、高吸水率、低容重等特性。再生骨料混凝土受骨料来源、强度等级、形态、性质等方面影响，其力学性能存在较大的离散性。本文着重分析了再生骨料的形态和性质，探讨了再生骨料混凝土基本力学性能和机理，并对再生骨料与砂浆界面微观结构进行分析。

1 再生骨料的形态及性质

原结构构件在分解、破碎生产过程中，因力学撞击、震压等作用使骨料内部产生较多微裂缝，使得再生骨料孔隙率变大，骨料结构疏松，密实度降低。文献指出[8]，再生骨料受原生混凝土配合比、强度等级、服役年限、使用条件等因素影响，其堆积密度较难控制。经分解处理后的再生骨料一般包含粘附原水泥浆的骨料和水泥胶砂，胶砂因表面粗糙、棱角较多、空隙率大等因素使得其堆积密度和表观密度较低，再生骨料和天然骨料密度参数关系如表1 所示[9-10]。

表1 再生骨料和天然骨料密度参数关系

再生骨料因其特有的性质和结构，其吸水速率快且吸水率远高于原生骨料，再生骨料粒径在5～20mm时吸水率在4%～9.5% 之间，随着粒径范围的增加其吸水率逐渐降低，在 16～32mm 时吸水率最低可达3.8%[11]。影响再生骨料吸水率因素较多，主要有胶砂附着率、水泥石含量、加工方法以及原生混凝土强度等因素。研究表明[12]，再生骨料吸水率同压碎指标密切相关，压碎指标越大，骨料表面水泥砂浆附着量越多，从而骨料空隙率值越大，因此再生骨料吸水率变大。

压碎指标是反映骨料强度的重要参数，压碎值越小代表骨料抗压破坏强度能力越强，抗压强度越高。再生骨料在破碎处理过程中往往会产生大量的微裂缝，增大了再生骨料的压碎值，使之与天然骨料相比更易破碎，坚固性和耐久性降低。另外水泥石、水泥胶砂附着的原生骨料等材料，这些凝胶材料强度较低且在撞击、震压过程中对原生骨料造成一定的损害，降低了再生骨料的整体强度。文献指出[13]，压碎指标受原生混凝土强度、水泥石及水泥胶砂脱落程度影响，原生混凝土强度等级越高，水泥石及胶砂脱落的越多，其压碎指标就越小。根据国标 GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》规定，压碎指标与骨料等级分类如表2 所示。

表2 压碎指标与骨料等级分类

文献表明[14-17]，再生骨料压碎指标范围在 14.2%～20.4% 之间，满足 C30～C60 强度等级混凝土有关抗压、抗渗和耐久性能等指标要求，符合Ⅱ类骨料有关标准规定，可将其应用于大多数混凝土工程的实际生产。

2 再生骨料混凝土基本性能

2.1 再生骨料混凝土抗压强度

再生骨料因具有孔隙率大、表面粗糙、棱角多、内部含有微裂缝等特性，其力学性能影响因素更加复杂，难以控制，如原生混凝土强度等级、骨料取代率、碳化深度、加工工艺、水灰比等因素，原生混凝土强度、骨料取代率是影响再生骨料混凝土抗压强度的主要因素。

研究表明，等级较高的原生混凝土破碎处理后作为等级较低的再生混凝土的骨料时，再生骨料混凝土破坏时裂缝发生在再生骨料与新拌砂浆界面过渡区，其强度等级与普通混凝土相差不大，再生混凝土砂浆强度与再生骨料取代率是控制再生混凝土强度的主要因素；等级较低的原生混凝土破碎处理后作为同等级的再生混凝土骨料时，再生骨料混凝土破坏时裂缝发生在原生骨料与旧砂浆界面区，其强度等级与普通混凝土相差较大，再生混凝土新拌砂浆强度及附着率是控制再生混凝土强度的主要因素。

再生骨料取代率是影响再生混凝土强度的重要参数，国内外学者对再生骨料混凝土取代率为 20%、40%、50%、60%、80%、100% 的力学性能做了大量试验研究，结果表明再生骨料混凝土力学性能存在较大差异，试验数据离散性较大。总体来说，再生骨料混凝土抗压强度数据结果可以归为三类：第一种是再生骨料混凝土强度随再生骨料掺量的增加而降低，降低幅度在0%～30%；第二种是再生骨料混凝土强度随再生骨料掺量的增加而增加，但增加幅度无明显规律；第三种是再生骨料混凝土在一定掺量条件下其强度与普通混凝土相当，超过一定的掺量，其强度随掺量的增加而降低，再生骨料混凝土强度增加或降低无明显规律。

2.2 再生骨料混凝土弹性模量

弹性模量是进行材料变形性能、构件变形计算、构件力学性能研究的主要指标[18]。再生骨料混凝土弹性模量和混凝土内部孔隙结构密切相关，同样受粉煤灰、减水剂、膨胀剂等多种因素影响，再生骨料混凝土弹性模量随粉煤灰的增加而增大，随减水剂的增加而减小，随骨料取代率及膨胀剂的增加呈先增大后减小的趋势[19]。再生骨料取代率较低时，一方面因再生骨料棱角较多、表面粗糙，在一定程度上增加了骨料之间的镶嵌力，从而使弹性模量有一定提升；另一方面旧水泥砂浆遇到新拌水泥浆后与新的水泥浆共存，从而使水化产物界面区更加密实。当取代率继续增加时，再生骨料微裂缝增多，混凝土内部结构疏松。弹性模量主要受混凝土空隙率影响，随再生骨料取代率的增加而降低，使混凝土延性变大，有利于混凝土构件的抗震性能。

2.3 再生骨料混凝土耐久性能

再生骨料因具有内部结构疏松、孔隙率高、表面棱角多、吸水率大等特性，其耐久性相比普通混凝土稍差。不同水灰比的再生骨料混凝土抗冻融性与普通混凝土基本相当，且抗冻融性与再生骨料取代率之间关系不大[20]。当水灰比较低时，再生骨料混凝土渗透性能较差，随水灰比的增大，其渗透性逐渐接近普通混凝土。再生骨料混凝土碳化深度受水灰比影响，水灰比越大，碳化深度增加。受再生骨料取代率影响，当再生骨料取代率小于 30% 时，再生骨料混凝土与普通混凝土抗硫酸盐侵蚀性相差不大，随取代率的增加，再生骨料混凝土抗硫酸盐侵蚀性降低，但差别不大。可以通过掺加矿物掺合料、调整水灰比、添加外加剂等措施改善再生骨料混凝土孔隙结构密实性，提高其耐久性能。

3 界面过渡区微观形态分析

界面过渡区将不同性质的骨料和水泥浆体材料胶结为一体，在骨料、水泥石和界面过渡区三相体系中，界面过渡区是混凝土的主要薄弱环节，是影响再生骨料混凝土与普通混凝土性能差异性的主要因素。再生骨料混凝土是由水泥浆体、砂、天然骨料、再生骨料等拌制而成的混合物，与普通混凝土相比，其内部结构、微观结构及界面过渡区更加复杂。再生骨料混凝土界面过渡区主要包括原生骨料与新拌水泥界面、旧水泥砂浆与新拌水泥界面以及原生骨料与原砂浆界面，如图1所示。研究表明[21]，在界面过渡区，尤其是旧水泥浆与新水泥浆界面处富集大量垂直板状或层状的 Ca(OH)2晶体和钙矾石结晶，板状结晶层与层之间摩擦较小，直接影响到再生骨料混凝土力学性能和耐久性能。孙连波等[22]采用扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）技术观测了再生骨料混凝土微观形态特征，研究表明，断裂界面主要是碳酸钙和碳酸镁不规则颗粒，再生骨料表面和水泥浆粘接程度低是造成试样劈裂强度下降的主要原因。万慧文等[23]采用扫描电镜（SEM）研究了界面过渡区的结构与性质，指出新拌浆体水化产物与旧混凝土表面胶结较差，有明显裂缝。

虽然再生骨料混凝土界面过渡区较为薄弱，但配制的再生骨料混凝土强度可能与普通混凝土相当甚至更高。其原因可能有：

（1）再生骨料棱角较多、表面粗糙，在一定程度上增加了骨料与新拌砂浆界面的镶嵌力，有利于界面过渡区整体性能提升。

（2）再生骨料孔隙率大、吸水性好，在搅拌过程中可以大量吸收新拌砂浆中多余水分，从而降低了水灰比使水泥石强度和界面胶结性能得到强化。

（3）再生骨料微观裂缝会吸入新的水泥颗粒，水化后形成致密的界面结构。

（4）界面过渡区改善措施主要有：降低水灰比，减少用水量，提高水泥用量；掺入活性掺合料；选择合理骨料；改善搅拌工艺等。

图1 再生骨料与砂浆界面过渡区

4 结语

再生骨料混凝土不仅可以将废弃建筑垃圾再资源化，减少自然资源和能源的消耗，而且可以降低建筑垃圾对环境的污染，响应社会经济的可持续发展战略要求，具有显著的社会经济效益。由于再生骨料的形态和性质较天然骨料存在一定的差异，再生骨料混凝土在抗压强度、弹性模量、耐久性能等方面较普通混凝土稍差，但仍满足大多数实际工程的需要。通过对再生骨料与砂浆界面过渡区微观结构的分析，探讨再生骨料混凝土力学性能与普通混凝土之间存在差异的主要影响因素，有利于对高性能再生骨料混凝土的研发和应用。

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陈刚（1967—），男，教授级高级工程师，河南中建西部建设有限公司董事长，主要从事绿色建材高性能混凝土的生产与经营管理。

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