再生混凝土破壞機理及力學(xué)增強策略研究綜述

邵昀泓，龐亞鳳，鄭元勛，孔維興

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311112；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，混凝土已成為房建、土木、交通等重要工程領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料。隨著混凝土結(jié)構(gòu)服役年限的增加，水泥混凝土道路面臨翻修、重建等問題，導(dǎo)致大量廢舊混凝土的出現(xiàn)[1-2]。廢舊混凝土的大量堆放不僅不利于綠色、可持續(xù)的發(fā)展要求，還將帶來大量自然資源的浪費。因此，再生混凝土的有效利用成為解決這一問題的關(guān)鍵。

再生混凝土是廢舊混凝土經(jīng)破碎、篩分、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、篩分后的再生骨料周圍不同程度地保留有原生混凝土老砂漿，且在破碎過程中將產(chǎn)生大量新裂紋甚至裂縫，造成了再生混凝土界面過渡區(qū)在新、舊水泥砂漿結(jié)合處黏結(jié)的不密實、不穩(wěn)固[3-4]。通常，由再生骨料配置的再生混凝土的抗壓強度、抗拉劈裂強度、彈性模量等力學(xué)性能低于普通天然混凝土。

研究者對再生混凝土力學(xué)性能的研究已取得一定進(jìn)展[5]。筆者對其研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，在歸納廢舊混凝土破壞機理、破壞形態(tài)的前提下，分析改善再生混凝土力學(xué)性能的方法，對提高再生混凝土力學(xué)性能的研究趨勢與方向進(jìn)行展望。

1 廢棄混凝土破壞機理

1.1 界面過渡區(qū)

界面過渡區(qū)嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。新、老砂漿的存在引起再生混凝土界面過渡區(qū)的復(fù)雜性[6]，其強度和密實性成為影響混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的最主要因素之一。

肖倍等[7]進(jìn)行基本力學(xué)實驗后發(fā)現(xiàn),原生老砂漿在新拌混凝土中水泥砂漿黏結(jié)界面所占的比例會降低實際水灰比，減輕其黏結(jié)界面承載力，引起再生混凝土強度降低。李文貴等[8]從再生骨料周圍原生老砂漿的吸水率、孔隙率和密實度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)提高再生骨料周圍包裹的老砂漿強度是提高再生混凝土力學(xué)性能的重要措施。Xiao等[9]指出，在新、老砂漿的界面過渡區(qū)域均存在著較多的孔隙和Ca(OH)2，并運用納米壓痕技術(shù)探討再生骨料混凝土界面過渡區(qū)的壓痕模量，結(jié)果顯示，新界面過渡區(qū)是導(dǎo)致再生骨料混凝土強度降低的主要因素?；诖?，郭鵬等[10]提出：再生骨料混凝土界面過渡區(qū)聚集且定向排列的C、H嚴(yán)重影響再生骨料混凝土的力學(xué)特性。

綜上，界面過渡區(qū)是影響再生骨料混凝土力學(xué)性能的關(guān)鍵。掌握界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu),對原生老砂漿采取強化，提高過渡區(qū)強度是改善再生混凝土力學(xué)性能的重要途徑。

1.2 破壞形態(tài)

再生骨料混凝土的毀壞由界面過渡區(qū)開始，隨后微觀裂紋產(chǎn)生、擴展并引起整個混凝土構(gòu)件破壞。再生骨料混凝土與普通混凝土的差異性為破壞時各相材料所表現(xiàn)的形態(tài)[7-8]。再生混凝土的破壞類型可概括為受壓破壞、受拉破壞兩大類。

肖倍等[7]由立方體抗壓試驗得出，試驗加載初期，試件兩側(cè)邊緣出現(xiàn)細(xì)微裂縫并呈斜向向兩端緩慢發(fā)展，隨荷載增大，表面開始破碎、剝落，最后形成末端粗中間細(xì)的破壞形態(tài)。關(guān)于受拉破壞，加載初期試件上下承壓面未出現(xiàn)明顯微裂紋延伸。隨荷載增加，垂直于加載墊塊的兩側(cè)面中央出現(xiàn)細(xì)微的豎向裂縫，荷載達(dá)到峰值時，有“嘭嘭”的裂響聲，試塊在裂縫出現(xiàn)處被劈裂為兩部分。李文貴等[8]發(fā)現(xiàn),再生骨料混凝土試件受壓破壞較少情況下可能顯現(xiàn)出局部壓碎、破壞現(xiàn)象，但大多為斜向裂紋和裂縫的延伸、破壞。再生骨料混凝土的毀壞、破裂面大多為界面過渡區(qū)新、老砂漿的破壞，即天然骨料與新、老砂漿間界面的毀壞。

2 再生混凝土力學(xué)性能

2.1 抗壓強度

混凝土建筑結(jié)構(gòu)以承受荷載和其他各種作用力為主，抗壓強度是混凝土的重要性能。研究再生混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強度，對提高再生混凝土力學(xué)性能極為關(guān)鍵。

Folino等[11]通過單軸和三軸抗壓強度試驗得出，再生粗骨料取代率在一定程度上影響再生骨料混凝土抗壓強度;González-Fonteboa等[12]指出，8%硅粉的加入有利于提高替代率為50%的再生粗骨料混凝土抗壓強度；Evangelista等[13]發(fā)現(xiàn)，用30%的再生細(xì)集料替代天然細(xì)砂不會影響再生混凝土的抗壓強度；Bravo等[14]制備立方體和棱柱體試件，得出再生骨料混凝土的抗壓強度與再生骨料尺寸和來源等多種因素有關(guān)；Cabral等[15]根據(jù)抗壓強度模型得出，相比于再生細(xì)骨料，再生粗骨料對抗壓強度的影響更明顯；Khalid等[16]由35%再生骨料混凝土與25%的廢舊陶瓷配置的再生混凝土比普通混凝土的抗壓強度提高23.1%；Manzi等[17]采用旋轉(zhuǎn)壓實制備再生粗骨料混凝土比普通混凝土有更好的抗壓強度；Ghorbani等[18]利用花崗巖廢舊骨料作為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，發(fā)現(xiàn)替換率為10%～20%時，有高的抗壓強度；楊海峰等[19]研究得出：石粉成分低于10%時，機制砂再生混凝土抗壓強度隨石粉含量增加而提高，石粉成分占10%時，強度達(dá)到最大；Xiao等[20]發(fā)現(xiàn)，再生粗集料的取代率為50%，抗壓強度達(dá)到最大；Li等[21]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗骨料最大尺寸為40 mm,替換率40%時，再生骨料混凝土的立方體抗壓強度僅降低14%；姚宇峰等[22]利用粒徑為19～26.5 mm的再生粗骨料(取代率為60%)制備再生混凝土，其抗壓強度值能達(dá)到極限水平。

因此，再生混凝土抗壓強度與再生骨料強度、再生骨料種類、再生粗細(xì)骨料取代率、外加劑摻入、再生混凝土配置方法等眾多因素有關(guān)，為改善再生混凝土的抗壓強度，需從以上因素分別考慮。

2.2 劈裂抗拉強度

抗拉強度是混凝土力學(xué)性能的薄弱環(huán)節(jié)之一，抗拉強度過低將嚴(yán)重影響混凝土力學(xué)性能?？估瓘姸瘸蔀檠芯吭偕炷亮W(xué)性能的關(guān)鍵。

Evangelista等[13]發(fā)現(xiàn)，隨著再生細(xì)骨料替代率的增加，再生混凝土的抗拉強度降低；Bravo等[14]分析表明，再生混凝土抗拉強度的減小速率隨再生細(xì)骨料取代率的增加而加快；Khalid等[16]配置的由35%再生骨料與25%的廢舊陶瓷混合的混凝土比普通混凝土的抗拉強度提高13.8%；Manzi等[17]采用旋轉(zhuǎn)壓實制備再生粗骨料混凝土比普通混凝土有著更好的抗拉強度；楊海峰等[19]研究得出，石粉成分占比小于10%時，機制砂再生混凝土抗拉強度隨石粉含量的增加而提高；姚宇峰等[22]利用粒徑為19～26.5 mm的再生粗骨料制備再生混凝土，當(dāng)取代率為60%時，再生混凝土的劈裂拉伸強度達(dá)到極限值。

綜上，再生混凝土抗拉強度與再生骨料類型、再生細(xì)骨料替代率、壓實方法等眾多因素有關(guān)，為改善再生混凝土的抗拉強度，需從更多方面綜合考慮混凝土力學(xué)性能。

3 再生混凝土力學(xué)性能改善

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對眾多學(xué)者為改善再生混凝土力學(xué)性能的方法進(jìn)行總結(jié)，從再生骨料、外加劑、再生混凝土配制及砂漿等4個方面改善再生混凝土力學(xué)性能。

3.1 再生骨料

余維娜[23]研究了再生骨料取代率對混凝土力學(xué)性能的影響;陳宗平等[24]依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗方法制作棱柱體試件，結(jié)果顯示，由于再生粗骨料替代率的不斷增長，再生粗骨料混凝土軸心抗壓強度和立方體抗壓強度整體展現(xiàn)出逐漸增強的趨勢，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與力學(xué)特性，建議再生骨料混凝土的最優(yōu)替代率取為30%～40%；楊青[25]指出，相同水灰比條件下,不同強度等級的混凝土力學(xué)性能受再生骨料的影響不同，對于高強混凝土,再生骨料混凝土在各個齡期的強度均低于相對應(yīng)的普通然混凝土，而中、低強度再生混凝土各個齡期的強度均高于相對應(yīng)的普通天然混凝土的強度；Paul等[5]通過實驗和數(shù)值模擬的方法，揭示了再生骨料取代率與水灰比、集料與水泥比和空隙率間的相互關(guān)系；Jiang等[26]利用再生砂取代天然細(xì)集料制造再生混凝土，提高再生混凝土的力學(xué)性能；Silva等[27]研究指出，再生骨料類型、尺寸、強度及質(zhì)量對再生骨料混凝土有著較大影響；Qasrawi[28]通過調(diào)整再生集料成分和顆粒尺寸分布情況來觀察再生混凝土的長、短期力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)再生骨料的加入會降低混凝土的抗拉及彎曲強度。

綜上，從再生骨料角度考慮，再生骨料混凝土抗壓強度受再生粗骨料影響較大，而再生細(xì)骨料對混凝土的抗拉劈裂強度影響更大。此外再生骨料尺寸宜為5～10 mm，其最佳替代率為30%～40%。

3.2 外加劑及礦物摻合料

余維娜[23]在再生骨料混凝土中添加適量的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的活性效應(yīng)和形貌效應(yīng)可彌補再生骨料自身缺陷，對再生骨料混凝土的工作性能改善較普通混凝土更明顯，粉煤灰的摻入降低再生骨料混凝土前期的力學(xué)性能，但對后期力學(xué)強度影響很??；陳宗平等[24]對3種類型的鋼纖維再生混凝土(銑削型、波紋型、端鉤型)進(jìn)行力學(xué)性能試驗，結(jié)果顯示再生骨料混凝土力學(xué)性能受端鉤形鋼纖維構(gòu)件的改善效果最為顯著，而其摻入量對再生混凝土劈裂抗拉強度影響最為顯著；Silva等[27]研究表明，高效減水劑和礦物摻合料的添加有利于改善再生混凝土的力學(xué)性能；Qasrawi等[28]研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣有利于提高再生混凝土的力學(xué)性能；Dilbas等[29]在再生混凝土中摻入硅粉，發(fā)現(xiàn)硅粉有利于改善再生混凝土力學(xué)性能；Barbudo等[30]指出1%的高效減水劑可增強再生混凝土力學(xué)性能；文獻(xiàn)[16，31]均說明再生陶瓷磚、廢舊陶瓷和陶瓷殘渣可改善再生混凝土力學(xué)性能；Lima等[32]將粉煤灰加入再生混凝土，結(jié)果表明，粉煤灰可明顯改善再生混凝土的力學(xué)性能；Frazao等[33]研究表明，鋼渣有利于提高再生混凝土的力學(xué)性能；Qin等[34]研究表明，單個纖維微觀半徑為17.4 μm,宏觀長為30 mm、寬為3 mm、平均厚度為0.42 mm聚丙烯纖維織物可使得再生混凝土的力學(xué)性能達(dá)到6.15%；王建超等[35]發(fā)現(xiàn)，碳纖維可顯著提高再生混凝土的力學(xué)強度，當(dāng)碳纖維長度和纖維摻量分別為6 mm和0.12%時，再生混凝土強度達(dá)到最大，其中，隨著齡期增加強度逐漸增大，但增大趨勢逐漸減緩；王社良等[36]分析得出，粉煤灰可改善混凝土的施工和易性，但其活性較低，摻入后會使得混凝土早期強度過低，而硅粉可顯著改善混凝土的強度，但由于其比表面積較大會使得吸水率增加，易造成混凝土施工和易性降低。

因此，高效減水劑、鋼纖維、鋼渣、碳纖維、纖維織物以及廢舊陶瓷磚的摻入顯著影響再生混凝土力學(xué)性能，粉煤灰的加入可有效提高再生混凝土的工作性能，但引起早期強度過低，硅粉可改善再生混凝土的力學(xué)特能。

3.3 再生混凝土的配制及壓實方式

郭鵬等[10]指出，再生混凝土配置過程中，不同的攪拌方式影響再生混凝土力學(xué)性能，攪拌方式的改善可增強水泥砂漿界面過渡區(qū)的密實性；Manzi等[17]采用旋轉(zhuǎn)壓實方法制備再生混凝土比天然普通混凝土有著更高力學(xué)性能；Bui等[37]僅用再生骨料替代較大尺寸的天然粗骨料，可明顯提高再生混凝土力學(xué)性能；霍洪媛等[38]研究發(fā)現(xiàn)，隨著再生骨料強度的增強，骨料強度對再生混凝土力學(xué)性能的影響逐漸減??；張學(xué)兵等[39]研究發(fā)現(xiàn)，采用兩階段的制備工藝，可顯著增強再生混凝土的強度、改善其工作性能；張鴻儒等[40]指出,采用納米材料漿液對再生粗骨料表面進(jìn)行浸漬、裹漿處理有利于提高再生混凝土的力學(xué)性能。

以上研究表明，再生混凝土的配置、成型及壓實方式影響著再生混凝土的力學(xué)性能。在實際工程中可根據(jù)具體需要采用合適的配置、成型方法以及壓實方式來制備再生混凝土構(gòu)件。

3.4 砂漿

Frazao等[33]對廢舊混凝土進(jìn)行碳化處理，能夠提高再生混凝土的力學(xué)特性，改善黏附砂漿的強度及新、舊混凝土界面過渡區(qū)強度，且是一種環(huán)境友好型的方法；張鴻儒等[40]指出，再生混凝土中多種界面過渡區(qū)的存在是其力學(xué)性能較低的主要因素；齊秀山等[42]采用機械強化的方法獲得再生粗骨料，經(jīng)過一系列再生混凝土力學(xué)性能試驗得出，與普通破碎相比，機械強化有利于提高再生混凝土的力學(xué)性能；Dimitriou等[43]通過對骨料外圍黏附砂漿的處理和內(nèi)部養(yǎng)護(hù)劑的應(yīng)用來改善再生骨料混凝土的力學(xué)特性；崔正龍等[44]研究表明，不同砂漿強度對再生骨料混凝土力學(xué)性能有著不同的影響，再生混凝土舊砂漿強度高于新砂漿強度時，對再生混凝土力學(xué)性能并無較大改變，舊砂漿強度低于新砂漿強度時，力學(xué)性能明顯降低；雷斌等[45]研究發(fā)現(xiàn)，隨著新老界面過渡區(qū)強度的增加，再生混凝土力學(xué)性能得到改善；Medina等[46]通過納米壓痕技術(shù)和電子掃描顯微鏡技術(shù)得出，界面過渡區(qū)厚度會影響再生混凝土力學(xué)性能。

綜上所述，再生混凝土界面過渡區(qū)的復(fù)雜性是其力學(xué)性能較低的主要因素，為增加其力學(xué)性能可采用合適的方法去除舊的水泥砂漿并采用合適的破碎方式來改善再生混凝土的力學(xué)性能。

3.5 總結(jié)

基于國內(nèi)外學(xué)者對再生混凝土研究現(xiàn)狀的歸納，再生混凝土的發(fā)展趨勢如圖1所示。

圖1 再生混凝土發(fā)展趨勢Figure 1 Development trend of recycled concrete

4 結(jié)論及展望

(1)相比于天然混凝土，再生混凝土界面過渡區(qū)為再生混凝土的薄弱區(qū)域，須加強對界面過渡區(qū)的理論研究，并積極探討廢舊混凝土再生骨料包裹水泥砂漿的去除方法。

(2)為增強再生混凝土的力學(xué)性能，前期的理論研究可集中在再生骨料取代率、取代尺寸范圍的量化及優(yōu)化；但再生骨料來源復(fù)雜，力學(xué)性能具有一定的差異性，在后期為進(jìn)一步推廣再生混凝土應(yīng)用于實際工程，應(yīng)對再生骨料來源及分類規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，增強現(xiàn)有研究成果的對比性，避免重復(fù)試驗造成資源浪費，便于研究成果的推廣與應(yīng)用。

(3)研究表明，適量的外加劑或礦物摻合料的加入可不同程度地改善再生混凝土的抗壓強度、抗拉強度，需根據(jù)具體要求選擇合適高效減水劑、鋼渣、鋼纖維、碳纖維、硅粉及粉煤灰來改善再生混凝土的力學(xué)性能；后期研究應(yīng)從廢舊混凝制備方法改善、合適外加劑摻入等綜合增強措施方面著手，確定再生混凝土最優(yōu)增強措施。

(4)關(guān)于再生混凝土增強后破壞模型的研究尚未開展，而再生混凝土增強后的破壞模型的建立能為再生骨料混凝土廣泛而高效地利用提供一定理論指導(dǎo)，因此，該方面的研究亟待開展。

(5)受舊骨料再生混凝土模型可行性的啟發(fā)，可通過對模型進(jìn)一步的細(xì)化來提高模型的精確性，降低敏感性，以數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)力學(xué)試驗，增強力學(xué)試驗的目的性，加快試驗進(jìn)度，起到開源節(jié)流的目的。