再生混凝土性能影响因素分析及研究进展

徐慧，张婷 （广东理工学院，广东 肇庆 526100）

0 引言

随着我国建筑物更新换代速度的加快，推进再生混凝土应用研究是亟待解决的问题。由于再生骨料与天然骨料的功能性差异，再生混凝土的设计、制备与施工等环节无法与传统混凝土的方法一致。研究表明，由于这种先天性的差异，再生混凝土的各项性能均劣于天然混凝土。本文基于再生混凝土各项性能的影响因素分析，分别从材料来源及生产制备工艺、骨料强化方式、养护方式、配合比设计、外掺料和外加纤维方面进行综述，并基于此进行展望，为强化再生混凝土的性能提出相关建议。

1 材料来源及生产制备工艺

建筑物的建造、拆除、装饰以及破坏都是常见废弃混凝土的来源。如图1 所示，这些废弃混凝土经过粗糙的破碎后被运输到建筑垃圾回收站进行统一回收。利用颚式破碎机的颚板上下挤压进行破碎，得到再生混凝土的骨料。研究表明，这种粗糙的获取方式导致骨料表面产生龟裂，内部产生裂纹，制作成再生混凝土后强度大幅度降低。因此，有学者提出将不同来源的废弃混凝土按强度及构件部位进行分类分解，然后进行破碎等工艺，再根据生成后骨料的吸水性等指标进行分类，将分类后的骨料制作再生混凝土，能够将骨料的性能发挥到最佳。

图1 再生粗骨料回收再生过程图

目前有许多再生混凝土的制备工艺，如传统制备工艺、净浆裹骨料工艺、二次搅拌工艺、三次搅拌工艺及振动搅拌工艺。传统再生混凝土的制备工艺是将粗骨料、细骨料和水泥搅拌后再加入水搅拌。二次搅拌工艺是将粗骨料和细骨料搅拌一定时间后加入部分水，搅拌后再加入水泥，再次搅拌后加入剩余部分的水，最后得到再生混凝土。二次搅拌工艺根据搅拌的时间及加入水的多少可再次分类。与传统工艺和净浆裹骨料工艺相比，二次搅拌工艺制备的再生混凝土塌落度最大，抗压强度平均值最大，强度标准最小。这是由于二次搅拌工艺的制备工艺先用一半的水预先湿润了骨料，使得再生骨料表面的非活性粉尘减小，有利于提高再生混凝土的强度，然后再加入水泥能使骨料表面形成较小的界面过渡层，后期骨料预先吸收水分参与水泥水化反应，达到一种内养护的作用，从而促使混凝土强度的发展，再生混凝土强度提高。针对这种特性[1]，在二次搅拌工艺的基础上，三次搅拌工艺是在增加矿物掺合料的环节时加入硅灰、硅粉、二氧化硅等粉浆体，这些活性微粉体包裹在骨料的表面填充孔隙，可提升再生混凝土的力学性能和耐久性。振动搅拌工艺是在搅拌环节采用振动和搅拌一体化技术，搅拌轴在低速搅拌高频振动的一种新型搅拌模式，通过搅拌的形式改善再生混凝土的微观结构和各项性能。吴征等[2]提出加水比例和加水时机均能对再生混凝土性能产生一定影响，考虑生产成本的同时实现拌合工艺，可再度加强配合比设计与制备工艺的协同研究。

2 骨料强化方式

建筑废弃混凝土经过破碎处理得到再生混凝土骨料，骨料表面大量的孔隙和裂隙使得再生混凝土具有较大的吸水率和压碎值。处理后的骨料，如图2 所示，通过水泥砂浆的混合和正常养护，骨料表层老旧砂浆和新砂浆之间会形成新旧过渡区，这些过渡区会使得再生混凝土各项性能均差于相同情况下的普通混凝土。

图2 再生混凝土新旧砂浆过渡区示意图

为了提升再生混凝土的性能，处理再生混凝土骨料表面裂缝及骨料表层新旧砂浆过渡区十分必要。目前针对骨料表面附着砂浆处理方法可分为“去除黏附砂浆法”和“强化黏附砂浆法”两大类。“去除黏附砂浆法”主要采用机械研磨处理、热研磨处理、酸处理、热处理、物理自净工艺处理及混合处理的方式将再生骨料表面的老旧砂浆剔除，从而达到改善再生混凝土新旧砂浆过度区的性能。“强化黏附砂浆法”主要采用碳化处理强化、微生物矿化强化、矿物掺合料改性强化、聚合物浸渍强化等方式将再生混凝土中的物质与其它掺合物或者是外界环节介质发生生物或化学变化，从而提升再生混凝土的各项性能。“强化黏附砂浆法”对再生骨料的综合性能的改善比“去除黏附砂浆法”更有效，并且微生物矿化强化处理的强化效果最佳[3]。

梁超锋等[4]利用聚乙烯醇填充再生混凝土骨料表面砂浆的孔隙，可以降低其吸水性，提高混凝土性能。硅烷可以填充再生混凝土骨料表面砂浆小于100nm 的孔隙，降低再生混凝土骨料的总孔隙率和表面积，但同时也会降低骨料与水泥基体的粘结强度。利用硅酸钠溶液浸泡再生混凝土骨料，可以降低其吸水率，但其化学反应会产生纳离子，从而增加发生碱骨料反应风险，导致耐久性的降低，因此可加入硅粉进行处理。利用火山灰、硅粉和矿粉三重混合方法，可以改善再生混凝土骨料的微观结构，实现最大填充密实度，增强其强度。低浓度的纳米硅粉可以优化新旧砂浆过渡区，同时有效改善再生混凝土骨料的性能。利用高浓度二氧化碳气体与水泥水化产物发生碳化反应，填充再生混凝土骨料表面附着砂浆的孔隙，提高其密实性的同时降低孔隙率及吸水性，促使再生混凝土骨料强度提高，改善其强度及耐久性，具有环保价值。利用微生物碳酸盐沉积也可以填充再生混凝土骨料的孔隙，降低其吸水率，改善性能。

3 养护方法

混凝土的养护过程是等待水泥硬化和混凝土强度增长的过程，不同的养护温度、养护时间、养护环境均会影响混凝土的各项性能。再生混凝土表面空隙率和裂缝的存在，使得养护方式对其各项性能的影响也尤为明显。

艾洪祥等[5]研究发现，在低温的环境条件下，采用-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃和60℃不同的养护温度，对再生混凝土的各项性能均有影响：当养护温度为40℃时，再生混凝土的28d 抗压强度比其他养护温度都大，且比20℃养护温度的28d 抗压强度提高17%；当养护温度为20℃时，再生混凝土的抗裂性最优；当养护温度为40℃时，再生混凝土的密实度比其他温度密实度高，且耐久性好；综合考虑认为，养护温度为40℃时，再生混凝土的各项性能最佳。

徐嘉[6]通过对比试验发现，改变再生粗骨料的养护温度可改变再生骨料的性质及再生混凝土的强度；一定范围内养护温度升高水化反应加快，超过此范围养护温度升高强度反降低，养护温度宜为35℃；骨料养护温度为35℃时养护不同时间对比发现，时长低于48h 范围再生混凝土强度随养护时间延长而增大，超过48h 后则相反，得出最佳养护时间为48h；再生粗骨料暴露空气中养护可增长再生混凝土强度。

朱雪锋[7]将再生混凝土在标准养护和二氧化碳养护两种养护方式进行对比发现，再生混凝土在二氧化碳养护条件下的抗折强度比标准提高18.8%，28d弹性模量提高8.3%，新旧砂浆界面过度区宽度得到明显改善。蒋建华等[8]根据吸水特性试验得出覆膜养护条件下混凝土的抗碳化性能最大，其次是洒水养护，养护剂养护最小。

4 配合比设计

传统的再生混凝土配合比设计时，直接将再生骨料当作一般骨料进行配合比设计，这种方式完全忽略了其表面附着的老旧砂浆。再生混凝土骨料具有吸水性较高、表面孔隙多、内部裂隙多等缺陷，导致再生混凝土的配合比设计无法跟普通混凝土一样进行。为解决按传统方法制备出的再生混凝土渗透性高、弹性模量低、收缩变形大、抗冻性差等问题，有学者提出用等砂浆体积法进行再生混凝土配合比设计，但这种方式计算繁琐，取代率不足，在此基础上更多研究者提出不同情况下混凝土配合比设计的适用方法。

再生混凝土配合比设计就是需要找到各组成材料之间合适的比例关系。当水胶比保持恒定，再生骨料取代率增加则再生混凝土的强度降低[9]。混凝土的塌落度增大则单方用水量增大，当塌落度一定时，混凝土单方用水量随着再生骨料取代率增大而增大[10]。再生骨料取代率和空隙率越大，再生混凝土的砂率需求增加[11]。

郭远新等[12]研究发现，再生粗骨料取代率和水灰比越高，再生混凝土的抗压强度越低。抗压强度既能通过骨料预吸水后辅以减水剂和粉煤灰来改善，也可通过合适的砂率提升再生混凝土的内部结构密实度来改善。根据再生粗骨料的使用状态，将其用水量分为外加用水量、绝对用水量和有效用水量三种，在进行再生混凝土配合比设计时采用有效用水量与绝对水胶比可简化设计过程。

张学兵[13]分析再生混凝土抗压和劈拉强度的影响因素时发现，水灰比、砂率、骨料最大粒径、级配、水泥强度、养护龄期均能影响再生混凝土强度。再生混凝土的水灰比在0.45±0.05 时工作性能较佳；砂率在35%时抗压强度较高，考虑裂缝控制时宜取25%；骨料粒径为20mm时抗压强度与劈拉强度最高。

刘凯华等[14]将再生混凝土的氯离子侵蚀和碳化试验的相关数据信息基于机器学习方法进行预测模型构建，并考虑强度、耐久性及成本得出再生混凝土的配合比优化设计时发现，梯度提升树模型能较好预测其抗氯离子侵蚀性能，高斯过程回归模型能较好预测其抗碳化性能。

5 外掺料和外加纤维

再生混凝土由于再生骨料表面的孔隙和裂缝以及形成混凝土后新旧砂浆过渡区，导致其部分性能低于普通混凝土，因此常采用添加外掺料或者外加纤维可以有效提高再生混凝土的密实度，从而改善其力学性能。一般情况下，采用成本较低且具有胶凝活性的火山灰、粉煤灰、矿渣、煤矸石及赤泥等作为掺合料来改善再生混凝土的特性。近年来，更多元化的掺合料被研究者发现并应用于再生混凝土。

刘康宁等[15]通过试验发现，外掺10%粉煤灰和10%硅粉、添加高效减水剂和钢纤维、外加混杂纤维等时均能提高再生混凝土的抗压强度。外加玻璃纤维及PVA 纤维还能明显提升其塑性变形能力，掺入长度为6nm 的0.12%碳纤维能较好地改善再生混凝土的力学性能，掺入钢纤维抗剪强度提升幅度更大。

陈君君等[16]添加不同纤维的再生混凝土进行抗压和劈裂抗拉试验发现，植物纤维在养护初期可以增强再生混凝土的峰值强度和变形模量；直聚丙烯纤维可以增强再生混凝土的峰值强度、变形模量、单轴抗压强度和劈裂抗拉强度。

盛朝晖等[17]研究再生粗骨料掺量、钢纤维掺量和粉煤灰掺量对再生混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响发现，粉煤灰掺量对再生混凝土抗压强度影响最大；钢纤维掺量对再生混凝土劈裂抗拉强度和抗折强度影响最大；再生粗骨料掺量对再生混凝土的各项力学性能的影响最小；掺入钢纤维减少再生粗骨料的掺量都能提高再生混凝土的抗冻性。

皇甫秉辉[18]将聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维掺入到再生混凝土中，探究这两种纤维在采用单掺和混掺方式下各项性能的影响规律。结果表明，掺入纤维量越多再生混凝土塌落度降低越明显；混掺聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维再生混凝土的各项力学特性均优于单掺，且混掺比例为4：1 时混掺效应表现最佳；混掺比例为1：1，掺量体积为0.2%两种纤维的再生混凝土在冻融条件下完全丧失抗压能力时能接受的冻融循环次数最多；混掺比例为2：1，掺量体积为0.2%两种纤维的再生混凝土在硫酸盐侵蚀条件下能承受的硫酸盐干湿循环次数最多；综合考虑认为混掺比例为1：1，掺量体积为0.2%两种纤维的再生混凝土的混掺效应最佳。

曹芙波等[19]用不同配比的稻壳灰和偏高岭土配置复合强化液对再生粗骨料的各项性能的影响程度表明：所有配比复合强化液均可以提升再生混凝土的各项性能；单掺稻壳灰时，再生混凝土的塌落度降幅最大，保水性和粘聚性均优于普通再生混凝土；稻壳灰和偏高岭土的质量掺合量比为3：1 时，压碎指标和孔隙率降低幅度最大，抗压强度、抗折强度和耐磨性为得到了增长。

6 结束语

文章总结材料来源及生产制备工艺、骨料强化方式、养护方法、配合比设计、外掺料和外加纤维来分析影响再生混凝土性能的影响因素，可得出如下结论。

①再生骨料的来源需进行合理分类后适时利用，目前制备工艺中三次搅拌工艺可较好地提升再生混凝土的力学性能和耐久性，振动搅拌工艺可较好地改善再生混凝土的微观性能和力学结构。

②新旧砂浆过渡区是再生混凝土各项性能劣于天然混凝土的根本原因，强化黏附砂浆法中微生物矿化强化处理的强化效果较好。

③养护温度、养护时间和养护方式对再生混凝土的性能影响较大。

④再生混凝土配合比设计中砂率取代率和水胶比等参数选择至关重要，建立相关预测模型可进行相关设计，但各种方法视情况选择。

⑤不同掺合料和外掺纤维对再生混凝土的性能影响不同，可根据需要进行混掺。

再生混凝土的各项性能的影响因素错综复杂且相互影响，而在目前的试验研究中大多是基于某一个因素对再生混凝土性能的影响分析，建议可选择先进制备处理工艺、最佳养护方式、最优骨料强化方法、合理配合比设计、适宜外掺料或外加纤维等条件进行再生混凝土的混合试验研究，找出再生混凝土在各项条件最佳情况下的各项性能，并考量各项影响因素的主次关系，在实际工程应用中可结合经济性等条件选择合适的方式对再生混凝土进行性能优化。