再生混凝土破坏机理及力学增强策略研究综述

邵昀泓，庞亚凤，郑元勋，孔维兴

(1.浙江交通职业技术学院，浙江 杭州 311112；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；3.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001)

0 引言

随着基础设施的快速发展，混凝土已成为房建、土木、交通等重要工程领域不可或缺的关键材料。随着混凝土结构服役年限的增加，水泥混凝土道路面临翻修、重建等问题，导致大量废旧混凝土的出现[1-2]。废旧混凝土的大量堆放不仅不利于绿色、可持续的发展要求，还将带来大量自然资源的浪费。因此，再生混凝土的有效利用成为解决这一问题的关键。

再生混凝土是废旧混凝土经破碎、筛分、活化等工序后形成的再生骨料，部分或全部替代天然骨料而制成的混凝土混合物。但破碎、筛分后的再生骨料周围不同程度地保留有原生混凝土老砂浆，且在破碎过程中将产生大量新裂纹甚至裂缝，造成了再生混凝土界面过渡区在新、旧水泥砂浆结合处黏结的不密实、不稳固[3-4]。通常，由再生骨料配置的再生混凝土的抗压强度、抗拉劈裂强度、弹性模量等力学性能低于普通天然混凝土。

研究者对再生混凝土力学性能的研究已取得一定进展[5]。笔者对其研究结果进行总结，在归纳废旧混凝土破坏机理、破坏形态的前提下，分析改善再生混凝土力学性能的方法，对提高再生混凝土力学性能的研究趋势与方向进行展望。

1 废弃混凝土破坏机理

1.1 界面过渡区

界面过渡区严重影响混凝土结构的力学性能。新、老砂浆的存在引起再生混凝土界面过渡区的复杂性[6]，其强度和密实性成为影响混凝土结构力学性能的最主要因素之一。

肖倍等[7]进行基本力学实验后发现,原生老砂浆在新拌混凝土中水泥砂浆黏结界面所占的比例会降低实际水灰比，减轻其黏结界面承载力，引起再生混凝土强度降低。李文贵等[8]从再生骨料周围原生老砂浆的吸水率、孔隙率和密实度出发，发现提高再生骨料周围包裹的老砂浆强度是提高再生混凝土力学性能的重要措施。Xiao等[9]指出，在新、老砂浆的界面过渡区域均存在着较多的孔隙和Ca(OH)2，并运用纳米压痕技术探讨再生骨料混凝土界面过渡区的压痕模量，结果显示，新界面过渡区是导致再生骨料混凝土强度降低的主要因素。基于此，郭鹏等[10]提出：再生骨料混凝土界面过渡区聚集且定向排列的C、H严重影响再生骨料混凝土的力学特性。

综上，界面过渡区是影响再生骨料混凝土力学性能的关键。掌握界面过渡区微观结构,对原生老砂浆采取强化，提高过渡区强度是改善再生混凝土力学性能的重要途径。

1.2 破坏形态

再生骨料混凝土的毁坏由界面过渡区开始，随后微观裂纹产生、扩展并引起整个混凝土构件破坏。再生骨料混凝土与普通混凝土的差异性为破坏时各相材料所表现的形态[7-8]。再生混凝土的破坏类型可概括为受压破坏、受拉破坏两大类。

肖倍等[7]由立方体抗压试验得出，试验加载初期，试件两侧边缘出现细微裂缝并呈斜向向两端缓慢发展，随荷载增大，表面开始破碎、剥落，最后形成末端粗中间细的破坏形态。关于受拉破坏，加载初期试件上下承压面未出现明显微裂纹延伸。随荷载增加，垂直于加载垫块的两侧面中央出现细微的竖向裂缝，荷载达到峰值时，有“嘭嘭”的裂响声，试块在裂缝出现处被劈裂为两部分。李文贵等[8]发现,再生骨料混凝土试件受压破坏较少情况下可能显现出局部压碎、破坏现象，但大多为斜向裂纹和裂缝的延伸、破坏。再生骨料混凝土的毁坏、破裂面大多为界面过渡区新、老砂浆的破坏，即天然骨料与新、老砂浆间界面的毁坏。

2 再生混凝土力学性能

2.1 抗压强度

混凝土建筑结构以承受荷载和其他各种作用力为主，抗压强度是混凝土的重要性能。研究再生混凝土结构的抗压强度，对提高再生混凝土力学性能极为关键。

Folino等[11]通过单轴和三轴抗压强度试验得出，再生粗骨料取代率在一定程度上影响再生骨料混凝土抗压强度;González-Fonteboa等[12]指出，8%硅粉的加入有利于提高替代率为50%的再生粗骨料混凝土抗压强度；Evangelista等[13]发现，用30%的再生细集料替代天然细砂不会影响再生混凝土的抗压强度；Bravo等[14]制备立方体和棱柱体试件，得出再生骨料混凝土的抗压强度与再生骨料尺寸和来源等多种因素有关；Cabral等[15]根据抗压强度模型得出，相比于再生细骨料，再生粗骨料对抗压强度的影响更明显；Khalid等[16]由35%再生骨料混凝土与25%的废旧陶瓷配置的再生混凝土比普通混凝土的抗压强度提高23.1%；Manzi等[17]采用旋转压实制备再生粗骨料混凝土比普通混凝土有更好的抗压强度；Ghorbani等[18]利用花岗岩废旧骨料作为部分取代物制成水泥混凝土混合料，置于H2SO4和NaCl溶液中91 d，发现替换率为10%～20%时，有高的抗压强度；杨海峰等[19]研究得出：石粉成分低于10%时，机制砂再生混凝土抗压强度随石粉含量增加而提高，石粉成分占10%时，强度达到最大；Xiao等[20]发现，再生粗集料的取代率为50%，抗压强度达到最大；Li等[21]发现，当粗骨料最大尺寸为40 mm,替换率40%时，再生骨料混凝土的立方体抗压强度仅降低14%；姚宇峰等[22]利用粒径为19～26.5 mm的再生粗骨料(取代率为60%)制备再生混凝土，其抗压强度值能达到极限水平。

因此，再生混凝土抗压强度与再生骨料强度、再生骨料种类、再生粗细骨料取代率、外加剂掺入、再生混凝土配置方法等众多因素有关，为改善再生混凝土的抗压强度，需从以上因素分别考虑。

2.2 劈裂抗拉强度

抗拉强度是混凝土力学性能的薄弱环节之一，抗拉强度过低将严重影响混凝土力学性能。抗拉强度成为研究再生混凝土力学性能的关键。

Evangelista等[13]发现，随着再生细骨料替代率的增加，再生混凝土的抗拉强度降低；Bravo等[14]分析表明，再生混凝土抗拉强度的减小速率随再生细骨料取代率的增加而加快；Khalid等[16]配置的由35%再生骨料与25%的废旧陶瓷混合的混凝土比普通混凝土的抗拉强度提高13.8%；Manzi等[17]采用旋转压实制备再生粗骨料混凝土比普通混凝土有着更好的抗拉强度；杨海峰等[19]研究得出，石粉成分占比小于10%时，机制砂再生混凝土抗拉强度随石粉含量的增加而提高；姚宇峰等[22]利用粒径为19～26.5 mm的再生粗骨料制备再生混凝土，当取代率为60%时，再生混凝土的劈裂拉伸强度达到极限值。

综上，再生混凝土抗拉强度与再生骨料类型、再生细骨料替代率、压实方法等众多因素有关，为改善再生混凝土的抗拉强度，需从更多方面综合考虑混凝土力学性能。

3 再生混凝土力学性能改善

结合国内外研究现状，对众多学者为改善再生混凝土力学性能的方法进行总结，从再生骨料、外加剂、再生混凝土配制及砂浆等4个方面改善再生混凝土力学性能。

3.1 再生骨料

余维娜[23]研究了再生骨料取代率对混凝土力学性能的影响;陈宗平等[24]依据标准试验方法制作棱柱体试件，结果显示，由于再生粗骨料替代率的不断增长，再生粗骨料混凝土轴心抗压强度和立方体抗压强度整体展现出逐渐增强的趋势，综合考虑经济性与力学特性，建议再生骨料混凝土的最优替代率取为30%～40%；杨青[25]指出，相同水灰比条件下,不同强度等级的混凝土力学性能受再生骨料的影响不同，对于高强混凝土,再生骨料混凝土在各个龄期的强度均低于相对应的普通然混凝土，而中、低强度再生混凝土各个龄期的强度均高于相对应的普通天然混凝土的强度；Paul等[5]通过实验和数值模拟的方法，揭示了再生骨料取代率与水灰比、集料与水泥比和空隙率间的相互关系；Jiang等[26]利用再生砂取代天然细集料制造再生混凝土，提高再生混凝土的力学性能；Silva等[27]研究指出，再生骨料类型、尺寸、强度及质量对再生骨料混凝土有着较大影响；Qasrawi[28]通过调整再生集料成分和颗粒尺寸分布情况来观察再生混凝土的长、短期力学性能，发现再生骨料的加入会降低混凝土的抗拉及弯曲强度。

综上，从再生骨料角度考虑，再生骨料混凝土抗压强度受再生粗骨料影响较大，而再生细骨料对混凝土的抗拉劈裂强度影响更大。此外再生骨料尺寸宜为5～10 mm，其最佳替代率为30%～40%。

3.2 外加剂及矿物掺合料

余维娜[23]在再生骨料混凝土中添加适量的粉煤灰，发现粉煤灰的活性效应和形貌效应可弥补再生骨料自身缺陷，对再生骨料混凝土的工作性能改善较普通混凝土更明显，粉煤灰的掺入降低再生骨料混凝土前期的力学性能，但对后期力学强度影响很小；陈宗平等[24]对3种类型的钢纤维再生混凝土(铣削型、波纹型、端钩型)进行力学性能试验，结果显示再生骨料混凝土力学性能受端钩形钢纤维构件的改善效果最为显著，而其掺入量对再生混凝土劈裂抗拉强度影响最为显著；Silva等[27]研究表明，高效减水剂和矿物掺合料的添加有利于改善再生混凝土的力学性能；Qasrawi等[28]研究发现，钢渣有利于提高再生混凝土的力学性能；Dilbas等[29]在再生混凝土中掺入硅粉，发现硅粉有利于改善再生混凝土力学性能；Barbudo等[30]指出1%的高效减水剂可增强再生混凝土力学性能；文献[16，31]均说明再生陶瓷砖、废旧陶瓷和陶瓷残渣可改善再生混凝土力学性能；Lima等[32]将粉煤灰加入再生混凝土，结果表明，粉煤灰可明显改善再生混凝土的力学性能；Frazao等[33]研究表明，钢渣有利于提高再生混凝土的力学性能；Qin等[34]研究表明，单个纤维微观半径为17.4 μm,宏观长为30 mm、宽为3 mm、平均厚度为0.42 mm聚丙烯纤维织物可使得再生混凝土的力学性能达到6.15%；王建超等[35]发现，碳纤维可显著提高再生混凝土的力学强度，当碳纤维长度和纤维掺量分别为6 mm和0.12%时，再生混凝土强度达到最大，其中，随着龄期增加强度逐渐增大，但增大趋势逐渐减缓；王社良等[36]分析得出，粉煤灰可改善混凝土的施工和易性，但其活性较低，掺入后会使得混凝土早期强度过低，而硅粉可显著改善混凝土的强度，但由于其比表面积较大会使得吸水率增加，易造成混凝土施工和易性降低。

因此，高效减水剂、钢纤维、钢渣、碳纤维、纤维织物以及废旧陶瓷砖的掺入显著影响再生混凝土力学性能，粉煤灰的加入可有效提高再生混凝土的工作性能，但引起早期强度过低，硅粉可改善再生混凝土的力学特能。

3.3 再生混凝土的配制及压实方式

郭鹏等[10]指出，再生混凝土配置过程中，不同的搅拌方式影响再生混凝土力学性能，搅拌方式的改善可增强水泥砂浆界面过渡区的密实性；Manzi等[17]采用旋转压实方法制备再生混凝土比天然普通混凝土有着更高力学性能；Bui等[37]仅用再生骨料替代较大尺寸的天然粗骨料，可明显提高再生混凝土力学性能；霍洪媛等[38]研究发现，随着再生骨料强度的增强，骨料强度对再生混凝土力学性能的影响逐渐减小；张学兵等[39]研究发现，采用两阶段的制备工艺，可显著增强再生混凝土的强度、改善其工作性能；张鸿儒等[40]指出,采用纳米材料浆液对再生粗骨料表面进行浸渍、裹浆处理有利于提高再生混凝土的力学性能。

以上研究表明，再生混凝土的配置、成型及压实方式影响着再生混凝土的力学性能。在实际工程中可根据具体需要采用合适的配置、成型方法以及压实方式来制备再生混凝土构件。

3.4 砂浆

Frazao等[33]对废旧混凝土进行碳化处理，能够提高再生混凝土的力学特性，改善黏附砂浆的强度及新、旧混凝土界面过渡区强度，且是一种环境友好型的方法；张鸿儒等[40]指出，再生混凝土中多种界面过渡区的存在是其力学性能较低的主要因素；齐秀山等[42]采用机械强化的方法获得再生粗骨料，经过一系列再生混凝土力学性能试验得出，与普通破碎相比，机械强化有利于提高再生混凝土的力学性能；Dimitriou等[43]通过对骨料外围黏附砂浆的处理和内部养护剂的应用来改善再生骨料混凝土的力学特性；崔正龙等[44]研究表明，不同砂浆强度对再生骨料混凝土力学性能有着不同的影响，再生混凝土旧砂浆强度高于新砂浆强度时，对再生混凝土力学性能并无较大改变，旧砂浆强度低于新砂浆强度时，力学性能明显降低；雷斌等[45]研究发现，随着新老界面过渡区强度的增加，再生混凝土力学性能得到改善；Medina等[46]通过纳米压痕技术和电子扫描显微镜技术得出，界面过渡区厚度会影响再生混凝土力学性能。

综上所述，再生混凝土界面过渡区的复杂性是其力学性能较低的主要因素，为增加其力学性能可采用合适的方法去除旧的水泥砂浆并采用合适的破碎方式来改善再生混凝土的力学性能。

3.5 总结

基于国内外学者对再生混凝土研究现状的归纳，再生混凝土的发展趋势如图1所示。

图1 再生混凝土发展趋势Figure 1 Development trend of recycled concrete

4 结论及展望

(1)相比于天然混凝土，再生混凝土界面过渡区为再生混凝土的薄弱区域，须加强对界面过渡区的理论研究，并积极探讨废旧混凝土再生骨料包裹水泥砂浆的去除方法。

(2)为增强再生混凝土的力学性能，前期的理论研究可集中在再生骨料取代率、取代尺寸范围的量化及优化；但再生骨料来源复杂，力学性能具有一定的差异性，在后期为进一步推广再生混凝土应用于实际工程，应对再生骨料来源及分类规范化、标准化，增强现有研究成果的对比性，避免重复试验造成资源浪费，便于研究成果的推广与应用。

(3)研究表明，适量的外加剂或矿物掺合料的加入可不同程度地改善再生混凝土的抗压强度、抗拉强度，需根据具体要求选择合适高效减水剂、钢渣、钢纤维、碳纤维、硅粉及粉煤灰来改善再生混凝土的力学性能；后期研究应从废旧混凝制备方法改善、合适外加剂掺入等综合增强措施方面着手，确定再生混凝土最优增强措施。

(4)关于再生混凝土增强后破坏模型的研究尚未开展，而再生混凝土增强后的破坏模型的建立能为再生骨料混凝土广泛而高效地利用提供一定理论指导，因此，该方面的研究亟待开展。

(5)受旧骨料再生混凝土模型可行性的启发，可通过对模型进一步的细化来提高模型的精确性，降低敏感性，以数值模拟结果指导力学试验，增强力学试验的目的性，加快试验进度，起到开源节流的目的。