再生骨料高性能混凝土的性能研究现状

2019-01-11秦宪明项斌峰王灵秀张利俊韩小华邱洪华蔡素燕

中国建材科技 2019年2期

秦宪明项斌峰王灵秀张利俊韩小华邱洪华蔡素燕

（1中国建材检验认证集团北京天誉有限公司，北京 100113；2北京铁建永泰新型建材有限公司，北京 101113）

1 前言

根据推算以及结合目前已有的多家产业发展报告综合，近几年我国每年建筑垃圾的排放总量约为14亿吨～24亿吨之间，占城市垃圾的比例约为40%。目前我国对绝大部分的建筑垃圾废弃物的主要处理方式是堆放与填埋，实际进行循环再生利用的还不足10%[1]。而堆放与填埋的处理方式有着许多危害：不但大量土地因此长期被占用，而且消耗了大量的处置经费，同时对土壤、水源、河道等与我们生活环境息息相关的生态系统造成严重危害[2][3]。

另一方面，随着国家城镇化和现代化建设的发展，对于建筑材料的人均消耗日益增加，2017年我国商品混凝土累计产量为22.98亿立方米。假定混凝土容重为2400kg/m3计，则混凝土总产量约为55亿吨。骨料是混凝土材料中体积比重最大的组分（约占70%），因此2017年我国消耗骨料约为39亿吨。长期以来，由于砂石料的来源广泛和价格低廉，人们对其滥采、滥用，造成了严重的资源枯竭和环境污染。

综合以上两个方面，将建筑垃圾加工成再生骨料生产再生混凝土（Recycled Concrete， RC），可以减少对砂石等天然资源的消耗，同时可以综合利用建筑垃圾固体废弃物和工业废渣，符合国家对于建筑垃圾资源化利用的发展方向[4]。

但是再生骨料自身孔隙率高、吸水量大、强度低，导致制备的再生混凝土工作性能、力学性能和耐久性能与同条件的普通混凝土相比较差[5-6]，对再生混凝土的推广应用造成了不利影响，为了满足实际性能需要，建筑垃圾再生骨料在RC中的掺量一般在15%～30%。针对RC存在的性能差、质量难以控制等的问题，将再生混凝土高性能化，即制成再生骨料高性能混凝土，可在提高建筑垃圾再生骨料使用率的同时，材料又能满足高耐久性、高工作性、较高的强度和高体积稳定性等特征[7]，是未来发展绿色混凝土[8]的主要途径之一。

本文结合国内外对于再生骨料混凝土的性能研究，以及本单位制备的再生骨料高性能混凝土材料性能研究[北京市通州区科技计划项目（KJ2018CX022）]，综述了再生骨料高性能混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能和变形性能的研究进展，为我国的再生骨料高性能混凝土的发展应用提供参考依据。

2 再生骨料高性能混凝土性能研究进展

2.1 工作性能

混凝土拌合物的黏聚性、流动性以及保水性统称为混凝土的工作性。前面已经提到再生骨料颗粒表面粗糙、孔隙多、吸水率大，所以再生混凝土拌合物的黏聚性和保水性要优于普通混凝土，而流动度及其经时损失则较弱[9]。Qasrawi H[10]研究发现再生粗骨料部分或全部取代天然粗骨料会对新拌混凝土的工作性和含气量造成不利影响；随着再生粗骨料掺量的增加，再生混凝土的坍落度值下降[11-12]，但是秦拥军等[13]对影响再生混凝土工作性能的影响因素进行了研究，认为水灰比影响最大、然后才是再生粗骨料取代率，而李丽生[14]等则认为再生粗骨料不同取代率对于混凝土拌合物的流动性影响不大，但对黏聚性和保水性有较为明显的改善作用，肖开涛[15]的研究也证明了这一点；邱怀中[16]等、叶跃忠[17]等、Kurda R[18]等通过加入高效减水剂和磨细粉煤灰可以提高新拌再生混凝土的流动性，在100%再生集料替代的情况下坍落度仍可达160mm左右；采用骨料预吸水饱和制备的再生混凝土会有少许泌水现象，但是在骨料干燥状态下配置再生混凝土工作性更优异[19]。中国建材检验认证集团北京天誉有限公司承担北京通州科委科研项目（KJ2018CX022）中制备的再生骨料高性能混凝土，采用骨料预湿、高效减水剂和矿物掺合料，在再生骨料替代50%和0.38水灰比的情况下，新拌混凝土的初始坍落度在230±10mm，1小时经时损失不超过20mm，混凝土不泌水。

综合上述研究，可以发现对于再生混凝土工作性能中坍落度研究较多，而骨料取代对于再生混凝土的流动性和经时损失影响大，对于黏聚性和保水性还能起到改善作用，在满足工作性要求的条件下，再生骨料取代量一般不超过60%。

2.2 力学性能

通过查阅资料可知国内外对于再生混凝土的力学性能研究较多，其中再生混凝土的抗压强度被研究最多。一般认为再生混凝土的抗压强度随再生粗骨料取代率和水胶比的增加而降低[20]，而再生骨料高性能混凝土的抗压强度稍低于普通混凝土[21-23]，刘立等[24]通过实验证明高性能再生混凝土随着水胶比的降低，抗压强度稳步提高，且再生骨料在40%～80%范围内不会降低抗压强度；肖建庄[25-26]教授通过测试得出水灰比、再生粗骨料取代率、养护时间和表观密度对于再生混凝土抗压强度有密切关系。Rasheeduzzafar[27]得到再生混凝土抗压强度与水灰比呈抛物线关系，低水灰比情况下，再生混凝土强度随水灰比增大而增大。杜宗岳[28]等通过试验发现再生骨料混凝土的抗压强度比一般骨料的高性能混凝土低30%左右，但是加入再生细骨料有助于提高再生混凝土的抗压强度。为了提高再生混凝土力学性能，通常加入粉煤灰、矿粉、硅灰等混凝土掺合料取代部分水泥以提高抗压强度，同时一般以上两种复掺效果要好于单掺[29-31]。肖建庄[32]通过对再生混凝土的长龄期强度试验发现长龄期下再生混凝土抗压强度与普通混凝土基本一致甚至高于普通混凝土，但在28天龄期抗压强度是随着再生粗骨料取代量的增高而降低的。

在再生骨料高性能混凝土的其他力学性能研究方面，Ravindrarajah R S[33]根据试验发现在抗压强度相同的情况下，再生混凝土的弹性模量为普通混凝土的70%左右；Gómez-Soberón J M V[34]将再生粗骨料分别取代0%、15%、30%、60%、100%的天然粗骨料，通过对比发现再生混凝土的弹性模量均低于普通混凝土，并随着再生骨料取代量的增加而降低；Panda K C[35]通过再生骨料取代0%～40%的天然骨料，发现再生混凝土的抗压强度、拉伸强度和劈裂抗压强度都是随着再生骨料取代量的增大而降低的；总体来说，再生骨料高性能混凝土的28天抗压强度一般在40MPa～65MPa之间，抗折强度可达5MPa以上，劈裂抗拉强度在3MPa以上，弹性模量在20～40GPa之间，再生骨料取代80%以下对于再生骨料高性能混凝土的影响较小，只有取代100%时会导致力学性能的降低，降幅在5%～30%之间。

2.3 耐久性能

耐久性能作为再生混凝土的主要性能之一，研究已较为完备。再生骨料高性能混凝土的耐久性能的研究一般包括抗氯离子渗透性、抗碳化性、抗冻性、抗硫酸盐侵蚀性、抗水渗透性等，通过研究可知，再生骨料的取代率、水灰比、矿物掺合料等都会对再生骨料高性能混凝土的耐久性能造成影响。

2.3.1 抗氯离子渗透性能

再生混凝土中的再生骨料颗粒上含有大量微裂缝，增加了氯离子的渗入通道，降低了再生混凝土的抗氯离子渗透性，韦庆东[36]、Evangelista L[37]、Iii Wil V S[38]通过试验发现再生混凝土的氯离子迁移系数随再生骨料取代率的增加而升高，呈线性关系；水灰比对于再生混凝土抗氯离子的渗透的影响大于再生骨料[39]，而低水灰比可以提高再生混凝土抗氯离子渗透性[40-41]；再生骨料高性能混凝土中加入混凝土掺合料可以改善混凝土的性能，粉煤灰、矿渣、硅灰等单掺或复掺可以提高再生骨料高性能混凝土的抗氯离子渗透性[42-44]；此外，外界条件如干湿循环、二次搅拌、再生骨料强化等都会对再生骨料高性能混凝土的抗氯离子渗透性能造成影响。

2.3.2 抗碳化性能

再生骨料高性能混凝土的碳化主要是CO2通过扩散通道，与水和混凝土中的碱性物质发生反应，生成难溶于水的碳酸盐化合物，使碳化深度不断增加，而再生骨料由于有很多微裂纹，引起更多的扩散通道，再生骨料高性能混凝土的抗碳化性随再生骨料取代率的增加而降低[45-47]，碳化深度高于普通混凝土；Otsuki N[48]、Thomas C[49]等发现再生混凝土的碳化深度随水灰比的增大而增大，低水灰比情况下再生混凝土抗碳化性要优于普通高性能混凝土；孙浩[50]、Katz A[51]通过试验证明矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉复掺可明显减小再生骨料混凝土的碳化深度。在施工工艺方面，二次搅拌工艺同样可以提高再生混凝土的抗碳化性能。

2.3.3 抗冻融性能

邹超英[52]、陈德玉[53]等通过试验证明再生混凝土抗冻性随再生骨料取代率和冻融循环的增加而降低；Rohi M S[54]、尹兴伟[55]等通过研究矿物掺合料对再生骨料高性能混凝土的影响发现粉煤灰在一定掺量下可以提高抗冻性能；减小水灰比也可改善再生混凝土抗冻性能。除此之外，加入引气剂和骨料改性也可以改善抗冻性。对于再生混凝土抗冻性的研究多采用标准规范中给出的质量损失率或相对动弹模量损失来评价抗冻性，但是再生骨料高性能混凝土的冻融循环质量损失或相对动弹模损失均小于普通混凝土，但是强度损失远大于普通混凝土，所以有学者建议采用强度损失来表征再生混凝土的抗冻性，但是强度损失评价方法是否可行还有待商榷。

2.3.4 抗硫酸盐侵蚀性能

混凝土中的水化产物如水化铝酸钙、氢氧化钙、CSH凝胶等会与硫酸盐发生反应生成膨胀性盐引起膨胀导致开裂破坏，而再生骨料的微裂缝会提供硫试验酸盐进入混凝土内部的通道，加速侵蚀，叶跃忠[56]等通过试验发现不掺混合材情况下普通混凝土和再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力很差，而硅灰和粉煤灰混掺加入后有大幅度的增强；阮明和[57]等则发现再生粗细骨料同时取代天然骨料有利于增强再生骨料高性能混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能；谢本怡[58]通过研究证明在合理范围内，水胶比越低再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能越好，再生混凝土抗硫酸盐腐蚀性能随再生骨料取代率的增加而降低，且内掺加一定量的粉煤灰能提高抗硫酸盐侵蚀能力。

2.3.5 抗渗性能

再生混凝土的抗渗性通过降低一定的水灰比、添加矿物掺合料等措施都能有所提高，再生骨料由于本身存在大量孔隙和裂缝，严重降低其抗渗性能，Limbachiya M C[59]、刘数华[60]、张健[61]等通过掺入矿粉和粉煤灰、减小水灰比等制备再生骨料混凝土，抗渗性良好，并发现再生骨料取代量的增加会导致抗渗性有所降低。

中国建材检验认证集团北京天誉有限公司承担北京通州科委科研项目（KJ2018CX022）中制备的再生骨料高性能混凝土，采用骨料预湿、高效减水剂和矿物掺合料，在再生骨料替代50%的情况下，56天氯离子迁移系数小于2.0×10-12m2/s，电通量小于700C，28天碳化深度小于3.5mm，F300次冻融循环质量损失率小于2.5%，相对动弹模量下降小于80%，抗水渗透性达到P12。

通过以上研究可知，对于再生混凝土的耐久性能研究已较为完备，制备的再生混凝土也基本能满足性能指标的要求，但是以上研究只是在单因素影响下的耐久性，而在实际中再生混凝土受多因素耦合影响的研究以及对于再生骨料高性能混凝土微观层次耐久性的研究较少。

2.4 变形性能

再生混凝土的收缩变形大于普通混凝土[62]，A.Domingo-Cabo[63]、K Amnon[51]等研究发现再生混凝土的收缩值随着再生集料取代率的增大而增大，当取代率达到100%时，再生混凝土干燥收缩值一般增大50%～70%；郭远臣[64]、SHI-CONG K[65]等发现20%粉煤灰等量取代水泥可以有效的抑制再生混凝土的干燥收缩变形，GAO Lin[66]、陈欣[67]等通过研究再生骨料经过化学溶液浸泡或机械搅拌预处理、预湿处理、净浆裹石处理后对再生混凝土干燥收缩性能的影响，发现净浆裹石的改善效果最佳，可以减少干燥收缩应变约15%，而预湿法对改善再生混凝土自收缩效果最好，可减少自收缩应变约30%；封金财[68]等建立适用于再生混凝土的收缩预测模型，指出再生骨料品质和掺量是高性能再生混凝土的主要影响因素。中国建材检验认证集团北京天誉有限公司通过骨料预湿、膨胀剂、矿物掺合料等措施制备低收缩再生混凝土，28天龄期干缩率达到4×10-4以下，抗压强度则在60MPa以上。

混凝土的开裂80%以上都是混凝土收缩引起的，而再生混凝土的收缩和徐变更大，调整水灰比、掺入掺合料、再生骨料强化、加入膨胀剂、纤维等都可以改善再生混凝土收缩性能能，低水胶比和再生集料取代率的增加都会加大开裂风险，但是再生骨料高性能混凝土的收缩开裂概率要低于普通混凝土，还需要对于再生骨料高性能混凝土的收缩开裂趋势和微观机理进行更深一步的研究。