再生混凝土研究綜述

王 鶴 亭

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán) 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室,陜西 西安 710075)

0 引言

十三五期間，國家圍繞科學(xué)發(fā)展的主線，提出了以綠色、生態(tài)、低碳理念指導(dǎo)城鄉(xiāng)建設(shè)，積極探索最大效率利用資源和最低限度影響環(huán)境的建設(shè)發(fā)展模式[1]，為再生混凝土材料的相關(guān)研究及工程應(yīng)用提供了良好的機(jī)遇。再生混凝土能夠從根本上解決廢棄混凝土的出路問題，既能減輕廢棄混凝土對環(huán)境的污染，又能節(jié)省天然骨料資源，減少對自然資源和能源的消耗，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色建筑的主要途徑之一[2]。從節(jié)能環(huán)保方面講，再生混凝土原料來源于建筑垃圾，對建筑垃圾進(jìn)行了再利用、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，同時降低建筑成本。因此，開展再生混凝土的相關(guān)研究，推廣再生混凝土在工程上的應(yīng)用，對發(fā)展綠色、生態(tài)、低碳的建設(shè)模式起到十分重要的作用。

國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2014年我國商品混凝土的消費量為15.54億m3，并仍呈上升趨勢?；炷林猩肮橇险伎傎|(zhì)量的80%以上，因此需要進(jìn)行大量的開山采石來滿足日益增長的混凝土供應(yīng)量，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。另一方面，由于市政拆遷改造、無序、重復(fù)建造等因素的存在，建筑垃圾也在不斷增加，其中廢棄混凝土占了很大的比例。一些發(fā)達(dá)國家如美國、日本和歐洲等國家對廢棄混凝土的再利用研究進(jìn)行的較早，第二次世界大戰(zhàn)以后，德國、日本、新加坡等國對廢棄混凝土進(jìn)行了開發(fā)研究和再生利用，已經(jīng)召開過多次有關(guān)廢棄混凝土再利用的專題國際會議，提出混凝土必須綠色化?；炷恋睦靡呀?jīng)成為發(fā)達(dá)國家所共同研究的課題，有些國家還采用立法形式來保證有關(guān)再生混凝土的專項研究和應(yīng)用，并已將研究成果大量運用到實際工程中，如圖1所示即為新加坡三和建筑公司利用100%再生骨料建造的三和環(huán)保大廈。我國對于再生混凝土的研究起步較晚，目前尚處于研究階段。因此，對廢棄混凝土進(jìn)行研究和再利用已經(jīng)成為混凝土走可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

綜上所述，對再生混凝土材料進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析與試驗研究，建立該結(jié)構(gòu)的理論分析模型和設(shè)計方法，對于完善我國的建筑材料體系，順應(yīng)我國建設(shè)行業(yè)發(fā)展趨勢，具有重大的實際工程價值和理論意義。

1 再生混凝土研究進(jìn)展

1.1 材料性能

早期，再生混凝土的應(yīng)用主要集中在路基、路面及非承重構(gòu)件方面[3]。在材料力學(xué)性能方面，肖建莊等[4]系統(tǒng)研究了再生混凝土抗壓強(qiáng)度與再生粗骨料取代率、水灰比、齡期及表觀密度之間的關(guān)系。Bairagi等[5,6]給出了不同骨料取代率下再生混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，指出不同再生粗骨料取代率的本構(gòu)關(guān)系相似，但下降段有所不同。A.G.Razaqpur等[7]研究了再生混凝土在養(yǎng)護(hù)過程中的蠕變、收縮以及其耐久性，總結(jié)出再生混凝土的性能主要取決于再生骨料的配合比以及其強(qiáng)度。M.C.Limbachiya等[8,9]對再生混凝土骨料的強(qiáng)度以及粗骨料對混凝土強(qiáng)度、耐久性、抗碳化、硫酸鹽侵蝕的影響進(jìn)行了研究。王博等[10]提出了三段式的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。崔正龍等[11]通過對比強(qiáng)度試驗和碳化試驗評價了再生混凝土內(nèi)部存在的界面過渡區(qū)與混凝土性能的關(guān)系。

1.2 基本構(gòu)件

在基本構(gòu)件方面，吳瑾等[12]對再生混凝土梁進(jìn)行了正截面彎曲性能試驗，分析了再生混凝土梁短期剛度及其計算方法。劉超等[13]對再生混凝土梁在長期荷載作用下裂縫寬度的變化進(jìn)行了試驗，給出了再生混凝土梁裂縫隨時間變化的發(fā)展規(guī)律。肖建莊等[14]進(jìn)行了鋼管約束再生混凝土圓柱軸壓試驗，分析了試件的破壞特性及約束再生混凝土的橫向變形系數(shù)變化規(guī)律。吳波等[15,16]針對大尺度廢棄混凝土塊循環(huán)利用技術(shù)，提出再生混合構(gòu)件概念，對薄壁鋼管再生混合柱、U型外包鋼再生混合梁及外包薄鋼板再生混合墻等構(gòu)件進(jìn)行了系統(tǒng)研究。陳宗平等[17]對方鋼管再生混凝土柱進(jìn)行了系列試驗，對其主要影響因素進(jìn)行了深入研究。薛建陽等[18]對型鋼再生混凝土柱的破壞形態(tài)和抗震性能進(jìn)行了試驗研究。

1.3 結(jié)構(gòu)體系

在結(jié)構(gòu)體系方面，孫躍東等[19]對再生混凝土框架進(jìn)行了擬靜力試驗，對比評價了再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。柳炳康、白國良等[20,21]對再生混凝土框架梁柱節(jié)點的抗震性能進(jìn)行了試驗。姚謙峰等[22]對再生混凝土密肋復(fù)合墻體的破壞機(jī)制和抗震性能進(jìn)行了試驗研究。張建偉等[23]分析了各種形式再生混凝土剪力墻體的抗震性能及耗能機(jī)理，明確了再生混凝土剪力墻的適用范圍和受力特點。

2 再生混凝土材性試驗研究

再生混凝土材性試驗由再生混凝土試件及普通混凝土試件兩部分組成，普通混凝土骨料取自天然骨料，再生粗骨料取自實驗室廢棄的混凝土試件，人工破碎成尺寸10 mm～30 mm的混凝土塊體，如圖2所示。混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C30，配制比例詳見表1。在試件澆筑時同時制作100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，與試件同條件養(yǎng)護(hù)，達(dá)到28 d養(yǎng)護(hù)齡期后，根據(jù)GB 50081—2002混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[24]實測混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及彈性模量，試驗后的再生混凝土試件如圖3所示。

表1 混凝土配制比例

混凝土類型水灰比砂率1 m3混凝土用量/kg水泥水砂石配合比(水泥∶水∶砂∶石)再生混凝土0.360.315001555601 1851∶0.31∶1.12∶2.37普通混凝土0.360.344721416271 1601∶0.30∶1.33∶2.46注:砂子含水率按5%計算

再生混凝土的抗壓強(qiáng)度及彈性模量如表2所示。由表2可以看出，再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度較普通混凝土低約10%，彈性模量較普通混凝土低約25%。由此可以看出，相對于普通混凝土而言，再生混凝土具有足夠的強(qiáng)度，可應(yīng)用于混凝土路面等基本的建筑構(gòu)件。

表2 混凝土力學(xué)性能

3 結(jié)語

由以上闡述的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，國內(nèi)外學(xué)者分別從基本材料力學(xué)性能、基本構(gòu)件、結(jié)構(gòu)體系三個方面對再生混凝土進(jìn)行了系統(tǒng)的研究?；静牧狭W(xué)性能方面，對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、配合比、再生粗骨料取代率與強(qiáng)度的關(guān)系，得到了有益的結(jié)論；基本構(gòu)件方面，對再生混凝土梁、柱、鋼管再生混凝土柱等構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得出其較普通混凝土的力學(xué)性能略有下降，但在一定范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)體系方面，對再生混凝土框架的整體性能進(jìn)行了研究，可以看出，再生混凝土框架結(jié)構(gòu)可滿足一定的抗震要求，可應(yīng)用于一些次要建筑結(jié)構(gòu)中。