全再生混凝土概念的衍化與研究進(jìn)展

肖建莊，馬旭偉，劉 瓊，張航華，段珍華

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引 言

全球目前還處于大量建設(shè)的時(shí)期，一方面，新建建筑需要消耗大量的砂石；另一方面，大量的舊建筑物被拆除產(chǎn)生數(shù)量驚人的建筑固廢。根據(jù)《2018～2023年中國(guó)建筑垃圾處理行業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》測(cè)算，每1 000 m2建筑施工面積平均產(chǎn)生55 t建筑垃圾，建筑施工對(duì)城市建筑垃圾排放量的貢獻(xiàn)率為48%；每拆除1 000 m2建筑，平均產(chǎn)生800 t建筑垃圾；保守估計(jì)2019年中國(guó)產(chǎn)生建筑垃圾為30×108t以上。建筑固廢的大量堆積將會(huì)帶來(lái)土地浪費(fèi)及環(huán)境污染等問(wèn)題[1]，肖建莊[2]總結(jié)發(fā)現(xiàn)再生混凝土可以很好解決建筑固廢資源化問(wèn)題，具有重要的社會(huì)效益；杜婷等[3]從定性、定量的角度及微觀、宏觀方面綜合分析認(rèn)為，再生骨料具有很大的經(jīng)濟(jì)效益,并且大規(guī)模工業(yè)化的生產(chǎn)可以擴(kuò)大該效益；徐亦冬等[4]用生命周期評(píng)價(jià)的方法證明了再生混凝土可以將廢棄物的排放量從正排放轉(zhuǎn)為負(fù)排放，具有很大的環(huán)境效益。綜上，再生混凝土技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展理念。

再生混凝土的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從認(rèn)識(shí)到實(shí)踐的過(guò)程，通過(guò)調(diào)研政策出臺(tái)、研究開(kāi)展、規(guī)范制定、應(yīng)用實(shí)施等，總結(jié)得到再生混凝土的發(fā)展歷程與未來(lái)趨勢(shì)[5-7]，如圖1所示。全再生混凝土將是今后再生混凝土發(fā)展的新方向，其內(nèi)涵包括如下幾方面：一種觀點(diǎn)是再生粗骨料(RCA)或再生細(xì)骨料(RFA)達(dá)到100%取代后的混凝土可定義為全再生混凝土[8]；更普遍的觀點(diǎn)是同時(shí)使用再生粗骨料和再生細(xì)骨料的混凝土可定義為全再生混凝土[9]；未來(lái)，全再生混凝土更完整的概念是同時(shí)使用再生粗骨料、再生細(xì)骨料和再生粉體的混凝土[10]。建筑固廢處置加工再生粗、細(xì)骨料過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的再生粉體[11]，只有同時(shí)利用這幾種再生材料，才能達(dá)到最全面消納建筑固廢的目的。

圖1 再生混凝土的發(fā)展歷程

目前，大部分研究顯示再生混凝土制品在性能方面異于普通混凝土[12-13]，并且取代率是影響再生混凝土性能的重要因素。全再生混凝土中包含建筑固廢再生材料比例更高，性能的差異更加明顯[14]，其研究、推廣和應(yīng)用前景尚不完全清晰，但全再生混凝土具有高效消納建筑固廢的能力，更能充分體現(xiàn)再生混凝土的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，必然成為未來(lái)再生混凝土發(fā)展的新方向。因此，有必要對(duì)已有的研究成果進(jìn)行梳理總結(jié)，從全再生混凝土概念衍化的角度出發(fā)，分別對(duì)其配合比設(shè)計(jì)、工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能方面的研究進(jìn)行總結(jié)分析，找到合理的配合比設(shè)計(jì)方法、全再生混凝土性能劣化的規(guī)律和再生粉體的摻加對(duì)全再生混凝土性能產(chǎn)生的影響，以及可能的再生材料取代率和取代方式的建議，為以后相關(guān)研究的開(kāi)展提供科學(xué)參考。

1 再生粗、細(xì)骨料單取代的混凝土

1.1 再生骨料單取代的混凝土配合比設(shè)計(jì)

目前主要的配合比設(shè)計(jì)方法可以分為3類：

第一類為基于普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法衍生得到的方法。如保證坍落度的配合比設(shè)計(jì)方法[15]、基于正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法[16-17]、等質(zhì)量/等體積替換天然骨料的配合比設(shè)計(jì)方法[18]。這些方法以成熟的普通混凝土配合比設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，可行性與可操作性強(qiáng)，但是較難體現(xiàn)出再生骨料的特性。

第二類為針對(duì)再生骨料特性的配合比設(shè)計(jì)方法。如基于取代率和骨料品質(zhì)的再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[19]、基于自由水灰比的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[20]。該方法將再生骨料品質(zhì)、高吸水率等特征充分融入設(shè)計(jì)方法中，更加適合再生混凝土的配制，只是可操作性有所降低。

第三類為針對(duì)特殊再生骨料或配制特種再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。如基于密實(shí)骨架堆積設(shè)計(jì)法的石屑混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[21-22]。該方法因?yàn)槠鋵?duì)象的特殊性，應(yīng)用范圍有限。

1.2 再生骨料單取代的混凝土工作性能

1.2.1 再生粗骨料混凝土

從混凝土坍落度和達(dá)到相同坍落度所需的用水量(簡(jiǎn)稱用水量)兩方面分別觀察再生粗骨料取代率RC和再生細(xì)骨料取代率RF對(duì)混凝土工作性能的影響。為了便于總結(jié)影響規(guī)律，將柯國(guó)軍等[23]、孫家國(guó)等[24]、王雪芳等[25]、邵蓮芬等[26]、郭遠(yuǎn)新等[27]、王曉飛[28]、于江等[29]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為與普通混凝土坍落度及用水量的比值，記為坍落度比和用水量比，結(jié)果如圖2，3所示。

圖2 再生粗骨料取代率對(duì)坍落度及坍落度比的影響

圖3 再生粗骨料取代率對(duì)用水量及用水量比的影響

通過(guò)圖2(a)及圖3(b)可以看出：當(dāng)取代率達(dá)到30%時(shí)坍落度下降趨勢(shì)增大，用水量與取代率之間有較明顯的線性關(guān)系；當(dāng)100%取代時(shí)，坍落度下降了約40%，用水量增加了10%。其主要原因?yàn)樵偕止橇媳砻娲植凇⑽蚀?、孔隙多、用漿量多，攪拌時(shí)須增加部分水來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到目標(biāo)坍落度[30]。同時(shí)，肖建莊等[31]分析發(fā)現(xiàn)混凝土拌合物在拌合與澆筑時(shí)的摩擦阻力因骨料表面的粗糙而有所增大，從而黏聚性和保水性得以提高。

1.2.2 再生細(xì)骨料混凝土

同樣分析孫宇坤等[32]、石瑩等[33]、馮慶革等[34]、聶立武等[35]、肖建莊等[36]、李秋義等[37]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖4，5，其中W/C為水灰比，w為混凝土中的水泥用量)，發(fā)現(xiàn)再生細(xì)骨料混凝土工作性能隨著取代率的增加而降低。用水量和取代率之間同樣存在著較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)取代率在30%以內(nèi)時(shí)，其坍落度變化幅度很??；當(dāng)取代率達(dá)到100%時(shí)，混凝土的用水量增加5%～10%，坍落度降低了約20%。其原因在于再生細(xì)骨料顆粒表面粗糙造成骨料間摩擦力增大，降低了混凝土的流動(dòng)性[38]，并且再生細(xì)骨料的孔隙率大，所需填充孔隙的水泥漿量也大，從而造成包裹骨料的水泥漿層厚度減小，潤(rùn)滑作用減小，進(jìn)一步降低混凝土的工作性[39]。

圖4 再生細(xì)骨料取代率對(duì)坍落度及坍落度比的影響

圖5 再生細(xì)骨料取代率對(duì)用水量及用水量比的影響

1.3 再生骨料單取代的混凝土力學(xué)性能

1.3.1 再生粗骨料混凝土

根據(jù)胡敏萍[40]、Ngoc等[41]、Thomas等[42]、徐蔚[43]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析混凝土抗壓強(qiáng)度與取代率的關(guān)系，用不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)的抗壓強(qiáng)度比擬合曲線(圖6)。總體而言，隨著再生粗骨料取代率增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)取代率較低時(shí)對(duì)強(qiáng)度的影響不明顯，當(dāng)取代率達(dá)到30%及更高時(shí)，強(qiáng)度降低趨勢(shì)會(huì)增大，達(dá)到100%取代時(shí)，強(qiáng)度降低了約20%。文獻(xiàn)[40],[42],[44]～[47]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)取代率的變化更加敏感，會(huì)隨著再生骨料取代率的增加而迅速降低，100%取代率時(shí)降低25%。彈性模量的變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度類似，在取代率達(dá)到30%后迅速降低，最高降低約40%。

圖6 再生粗骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度比的影響

從現(xiàn)有結(jié)果來(lái)看，當(dāng)取代率低于30%時(shí)，再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度變化很小，超過(guò)30%后，其各項(xiàng)力學(xué)性能迅速下降。分析其原因?yàn)椋阂环矫嬖偕止橇媳砻娲植冢淙〈实脑黾訒?huì)增大漿體與骨料間的黏結(jié)力[48]，即再生粗骨料的正面效應(yīng)；另一方面根據(jù)耿歐等[49]、孫連波等[50]對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究，再生骨料表面的粉塵增多，阻礙漿體與骨料之間的黏結(jié)作用，肖建莊等[51]的研究指明再生粗骨料在破碎過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生了許多微小裂縫，因此更容易形成應(yīng)力集中，降低了其承載和傳力能力，即再生粗骨料的負(fù)面效應(yīng)。當(dāng)取代率較小時(shí)，正面效應(yīng)較大，但隨著取代率的增大，負(fù)面效應(yīng)漸漸超過(guò)正面效應(yīng)，最終出現(xiàn)混凝土抗壓強(qiáng)度隨取代率的增加先上升后下降的試驗(yàn)結(jié)果[52]。

1.3.2 再生細(xì)骨料混凝土

分析聶立武等[35]、肖建莊等[36]、李秋義等[37]、郝彤等[53]的試驗(yàn)(圖7)，發(fā)現(xiàn)再生細(xì)骨料混凝土在取代率達(dá)到30%之前，抗壓強(qiáng)度基本不會(huì)受到影響，在達(dá)到100%取代率后其抗壓強(qiáng)度降低20%左右。根據(jù)Bravo等[54]、戴鵬[55]的試驗(yàn)結(jié)論，當(dāng)再生細(xì)骨料取代率低于30%時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本沒(méi)有變化，取代率超過(guò)30%后抗拉強(qiáng)度的減小速率加快，可降低15%～40%。

圖7 再生細(xì)骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度比的影響

根據(jù)現(xiàn)有結(jié)論，再生細(xì)骨料混凝土在取代率低于30%之前，其基本性能無(wú)明顯變化，超過(guò)30%后各項(xiàng)力學(xué)性能均下降。主要的原因?yàn)椋阂环矫骐S著再生細(xì)骨料取代率增加，細(xì)骨料中裂縫增多，混凝土的孔隙率增大；另一方面再生細(xì)骨料中含有的水泥顆粒會(huì)繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)，再生細(xì)骨料內(nèi)部的吸附水將用于水化養(yǎng)護(hù)，提高混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展，同時(shí)當(dāng)取代率較小時(shí)，天然砂能與再生細(xì)骨料形成更加良好的級(jí)配，從而降低骨料的空隙率[56]。隨著取代率增大，不利作用超過(guò)有利作用，混凝土的力學(xué)性能下降。

1.4 再生骨料單取代的混凝土耐久性能

1.4.1 再生粗骨料混凝土

針對(duì)再生粗骨料混凝土耐久性的相關(guān)研究也有很多，根據(jù)肖建莊等[57]的總結(jié)分析，再生粗骨料混凝土的抗碳化性能低于同水灰比的普通混凝土，但與同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土接近，并且當(dāng)取代率低于70%時(shí)，碳化深度隨著取代率的增加而增大，取代率超過(guò)70%后，其碳化深度有所下降[58]。趙偉[59]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生粗骨料混凝土的干燥收縮變形大于普通混凝土，且隨著取代率的增加而增加，Eguchi等[60]分析其原因?yàn)樵偕橇蠌椥阅Ａ枯^小，老砂漿吸水后收縮，使得粗骨料對(duì)水泥砂漿干燥收縮變形的抑制作用降低。根據(jù)肖建莊等[57]的總結(jié)，再生粗骨料混凝土的抗氣滲透和抗氯離子滲透性能均低于普通混凝土，申士軍等[61]用Fick第二定律進(jìn)行了解釋，Limbachiya等[62]、肖開(kāi)濤[63]分別通過(guò)試驗(yàn)得出再生粗骨料混凝土抗氣滲透與抗氯離子滲透性能都隨取代率的增大而降低，但當(dāng)取代率低于30%時(shí)，其抗氣滲透性能基本沒(méi)有變化。這主要因?yàn)樵偕炷恋目紫堵孰S著粗骨料取代率的增加而增大，但是Medina等[64]發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用再生陶瓷骨料時(shí)，雖然混凝土的孔隙率有所增大，但其抗氣滲透性能卻沒(méi)有變化。Dhir等[65]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)取代率低于50%時(shí)，再生粗骨料混凝土的耐磨性能和抗硫酸鹽腐蝕性能基本沒(méi)有變化，且與普通混凝土接近，當(dāng)取代率超過(guò)50%后，其耐磨性能和抗硫酸鹽磨損性能隨著取代率的增加而下降。

1.4.2 再生細(xì)骨料混凝土

劉星偉等[66]研究發(fā)現(xiàn)再生細(xì)骨料混凝土的碳化深度隨著取代率的增加而增加，根據(jù)Evangelista等[67]的研究結(jié)論，當(dāng)取代率達(dá)到100%時(shí)，其碳化深度增大了35%。孫家瑛等[68]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)取代率低于40%時(shí)，再生細(xì)骨料混凝土的抗塑性收縮性能基本沒(méi)有變化，超過(guò)40%后，其抗塑性收縮能力降低幅度迅速加大，當(dāng)達(dá)到100%取代率時(shí)，其裂縫最大寬度與普通混凝土相比增加了184%，最大長(zhǎng)度增加了16%，裂縫面積增加了370%。肖開(kāi)濤[63]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生細(xì)骨料混凝土的抗氯離子滲透性能隨著取代率的增加而下降，并且再生細(xì)骨料對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響要大于再生粗骨料。分析其原因?yàn)槠扑楹蟮脑偕?xì)骨料空隙率大，表面存在微裂縫，同時(shí)試驗(yàn)中需要添加附加水來(lái)滿足拌合物對(duì)工作性能的要求，導(dǎo)致再生細(xì)骨料混凝土的水灰比過(guò)高、密實(shí)度較低、孔隙率和孔徑較大，最終表現(xiàn)為混凝土的耐久性能下降，并且相同取代率下的再生粗骨料混凝土表面附著老砂漿含量更高，導(dǎo)致再生粗骨料混凝土的密實(shí)度更低，耐久性更差。

2 再生粗、細(xì)骨料雙取代的混凝土

2.1 再生骨料雙取代的混凝土配合比設(shè)計(jì)

相比再生骨料單取代混凝土，再生骨料雙取代混凝土的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用較少。常見(jiàn)的再生骨料全取代的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法如下：

(1)全面試驗(yàn)法?？紤]所有變量的各種組合，找到其中的最優(yōu)配合比。該方法結(jié)果準(zhǔn)確，但是試驗(yàn)工作量龐大，周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)繁雜。

(2)正交試驗(yàn)法。基于正交試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)方法[69]用部分試驗(yàn)代替全面試驗(yàn)，減少不必要的工作量，易于分析出各因素的主效應(yīng)。

(3)自由水灰比法?；谧杂伤冶鹊呐浜媳仍O(shè)計(jì)方法[70]充分體現(xiàn)了再生骨料的高吸水率特性，被廣泛用于雙取代再生混凝土的配制。

(4)等量砂漿法?；诘攘可皾{法的再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[71]通過(guò)調(diào)整再生骨料的量，使最終混凝土中骨料體積和漿體體積量值與相應(yīng)普通混凝土中各量值相等。該方法充分體現(xiàn)了再生骨料中殘余漿體的特性。

(5)基于再生骨料品質(zhì)和取代率的再生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[72]。結(jié)合試驗(yàn)研究、數(shù)值分析和理論分析，建立高精度的用水量和強(qiáng)度計(jì)算公式，最終得到再生混凝土配合比。該方法可以提出精確的再生骨料雙取代混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式，但是需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。

2.2 再生骨料雙取代的混凝土工作性能

再生骨料雙取代的混凝土工作性能與再生粗骨料和再生細(xì)骨料的取代率都有關(guān)系。根據(jù)蘇林行等[73]的研究，再生骨料雙取代的混凝土相比普通混凝土，其工作性能顯著降低。當(dāng)再生粗骨料取代率一定時(shí)，用水量隨著再生細(xì)骨料取代率的增加而增加；再生細(xì)骨料取代率一定時(shí)，用水量同樣隨著再生粗骨料取代率的增加而增加，并且二者的變化規(guī)律均呈較好的線性關(guān)系，當(dāng)再生粗骨料取代率達(dá)到75%或再生細(xì)骨料取代率達(dá)到50%時(shí)，用水量的增加趨勢(shì)變緩。這是因?yàn)樵偕?xì)骨料的表面附著有較多的微粉[74]，在攪拌過(guò)程中與水發(fā)生反應(yīng)后附著在骨料的表面，從而減少了被再生骨料所吸收的水分，所以相比較再生粗骨料其用水量略少，如圖8所示。

圖8 再生骨料取代率對(duì)用水量的影響

由圖8可以看出，當(dāng)再生粗骨料與再生細(xì)骨料均達(dá)到100%取代率時(shí)，用水量達(dá)到最大，比普通混凝土增加了22%。標(biāo)注出用水量增加10%的分界線，同樣發(fā)現(xiàn)當(dāng)再生粗骨料取代率達(dá)到75%或再生細(xì)骨料取代率達(dá)到50%時(shí)，用水量增加幅度將超過(guò)10%，同時(shí)表明，再生細(xì)骨料取代對(duì)混凝土工作性能的影響大于再生粗骨料取代，張淑泉等[69]也用正交試驗(yàn)分析證明了這個(gè)結(jié)論。

2.3 再生骨料雙取代的混凝土力學(xué)性能

2.3.1 立方體抗壓強(qiáng)度

分析蘇林行等[73]的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)再生粗骨料取代率一定時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨再生細(xì)骨料取代率的增加而減小，且曲線隨著再生粗骨料取代率的增加而平緩，這表明再生粗骨料的添加弱化了再生細(xì)骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，并且隨著再生粗骨料取代率的增加，這種弱化效果更加明顯。再生細(xì)骨料的添加也會(huì)帶來(lái)同樣的弱化效果。當(dāng)再生粗骨料與再生細(xì)骨料均達(dá)到100%取代率時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最低，比普通混凝土降低了40%，當(dāng)再生粗骨料取代率超過(guò)50%或再生細(xì)骨料取代率超過(guò)50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度的下降幅度超過(guò)10%。采用郭樟根等[74]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩者相吻合，如圖9，10所示。對(duì)比分析再生粗骨料與再生細(xì)骨料各自100%取代的再生骨料雙取代混凝土抗壓強(qiáng)度降低幅度，發(fā)現(xiàn)前者大于后者，說(shuō)明再生粗骨料取代對(duì)再生骨料雙取代混凝土抗壓強(qiáng)度的影響大于再生細(xì)骨料取代，張淑泉等[69]用正交試驗(yàn)、Cabral等[75]對(duì)比抗壓模型均得到了同樣的結(jié)論。

圖9 文獻(xiàn)[73]再生骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖10 文獻(xiàn)[74]再生骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

將一些經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的再生骨料雙取代的混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型整理在表1中?？梢钥闯?，現(xiàn)有的再生骨料雙取代的混凝土強(qiáng)度還沒(méi)有形成公認(rèn)的預(yù)測(cè)模型，當(dāng)其粗骨料為再生混凝土骨料時(shí)，鮑羅米公式仍然在調(diào)整合理的參數(shù)后適用，當(dāng)再生粗骨料為其他類型時(shí)，鮑羅米公式的適用性仍然有待驗(yàn)證。

2.3.2 其他力學(xué)性能與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

將部分經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的再生骨料雙取代混凝土其他力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型進(jìn)行整理，并與普通混凝土預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。發(fā)現(xiàn)再生骨料雙取代混凝土的其他力學(xué)性能評(píng)價(jià)模型均是以普通混凝土模型為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合的方式得到合適的參數(shù)，從而得到評(píng)價(jià)模型。對(duì)于軸心抗壓強(qiáng)度而言，按照普通混凝土規(guī)范計(jì)算的結(jié)果偏于安全，對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量，按照普通混凝土規(guī)范計(jì)算的結(jié)果偏于危險(xiǎn)，因此當(dāng)需要快速評(píng)估再生骨料雙取代混凝土的其他力學(xué)性能時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度可以按照普通混凝土規(guī)范中的模型進(jìn)行計(jì)算，彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度則不適用此類預(yù)測(cè)方法。

表1 再生骨料雙取代的混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型Tab.1 Strength Prediction Model of Recycled Aggregate Replacing Concrete

表2 再生骨料雙取代的混凝土其他力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型Tab.2 Mechanical Property Prediction Model of Recycled Aggregate Replacing Concrete

2.4 再生骨料雙取代的混凝土耐久性能

牛海成等[80]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)碳化深度隨著再生骨料取代率的增加而增加，并且再生細(xì)骨料對(duì)混凝土碳化深度的影響要小于再生粗骨料，當(dāng)再生粗、細(xì)骨料均達(dá)到100%取代率時(shí)，混凝土的碳化深度比普通混凝土增加了73%。分析其原因?yàn)樵偕橇弦环矫媸沟没炷恋目紫堵试龃螅固蓟阅軠p弱，另一方面使得老砂漿含量上升，碳化物質(zhì)增多，增加了抗碳化性能，骨料品質(zhì)、取代率等因素不同，二者作用的大小不同。韋慶東等[81]采用電通量法研究混凝土的抗氯離子滲透性能，發(fā)現(xiàn)其隨著再生粗骨料與再生細(xì)骨料取代率的增加而降低，Tangchirapat等[82]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)表明，相比普通混凝土，再生骨料雙取代的混凝土抗氣滲透性能會(huì)大幅度降低。Ravindrarajah等[83]通過(guò)試驗(yàn)得出，再生粗、細(xì)骨料雙取代的混凝土收縮變形明顯大于普通混凝土，并且隨著取代率的增加而增大。再生粗、細(xì)骨料雙取代的混凝土耐久性能下降主要是因?yàn)樵偕橇仙a(chǎn)時(shí)裂縫較多及老砂漿使得界面過(guò)渡區(qū)增多，最終導(dǎo)致混凝土的孔隙率增大，耐久性能降低。

3 再生粉體對(duì)混凝土的影響

3.1 再生粉體對(duì)工作性能的影響

試驗(yàn)研究表明，再生粉體中含有大量C—S—H凝膠體，其比表面積比較大，對(duì)減水劑的吸附能力強(qiáng)，因此高摻量再生粉體會(huì)導(dǎo)致混凝土坍落度損失過(guò)快。再生粉體的取代率和取代方式對(duì)于混凝土工作性能的影響程度不同，比如再生磚粉取代率增加，混凝土的流動(dòng)度將降低[84]；再生混凝土粉和再生磚粉以一定比例取代粉煤灰，當(dāng)取代率小于10%時(shí)，摻合料有較好的復(fù)合效果[85]；當(dāng)再生磚粉取代水泥或硅灰制備活性粉末混凝土?xí)r，隨著再生磚粉取代率增加，混凝土的工作性能和力學(xué)性能都降低[86]。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)摻的效果優(yōu)于再生粉體單摻，薛翠真等[87]研究了建筑垃圾復(fù)合粉體材料摻量對(duì)C30混凝土性能的影響并進(jìn)行了機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合粉體材料顆粒級(jí)配良好，活性發(fā)揮較佳，能改善混凝土的孔徑分布，促進(jìn)混凝土中大孔向小孔轉(zhuǎn)化，提高混凝土的性能。

3.2 再生粉體對(duì)力學(xué)性能的影響

3.2.1 單摻再生粉體

張修勤[88]、陳雪等[89]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著再生粉體摻量的增加，混凝土強(qiáng)度減小，并且減小的幅度也在上升。當(dāng)再生粉體摻量較低時(shí)，強(qiáng)度下降并不明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)度增高的現(xiàn)象。這是因?yàn)椋阂环矫?，?jīng)過(guò)物理研磨活化后的再生粉體的細(xì)度比水泥小，能夠稀釋和分散水泥顆粒，促進(jìn)水泥水化，填充水泥漿體的孔隙，提高密實(shí)度，即再生粉體對(duì)混凝土的正面效應(yīng)[90]；另一方面，再生粉體取代水泥后，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，降低了水化產(chǎn)物生成量，且再生粉體活性低，參與水泥水化反應(yīng)的能力有限，造成混凝土強(qiáng)度的降低，即再生粉體對(duì)混凝土的負(fù)面效應(yīng)[91]。隨著再生粉體摻量增大，正面效應(yīng)逐漸被負(fù)面效應(yīng)掩蓋，所以抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

3.2.2 復(fù)摻再生粉體

常見(jiàn)的再生粉體包括再生混凝土粉與再生磚粉，試驗(yàn)表明再生混凝土粉與再生磚粉不同比例復(fù)摻后，所配制的混凝土早期抗壓強(qiáng)度都比單摻再生粉體低[92]。比較后期強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn)，復(fù)摻與單摻的同齡期抗壓強(qiáng)度差距較小，并且復(fù)摻可以改善混凝土的工作性能。這是因?yàn)閺?fù)合摻合料取代水泥的比例越高，參與早期水化反應(yīng)的水泥就越少，而再生粉體發(fā)揮早期的活性作用不強(qiáng)，對(duì)增加早期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，水泥的水化更充分，混凝土體系中Ca(OH)2濃度升高，再生粉活性被激發(fā)，二次水化作用增強(qiáng)，能夠有效地減緩混凝土后期抗壓強(qiáng)度的降低[93]。同時(shí)再生粉體與礦粉復(fù)摻時(shí)，早期和后期抗壓強(qiáng)度相比單摻再生粉體都有所提高，且后期強(qiáng)度提高相比早期更明顯[94]。分析認(rèn)為，再生粉體和礦粉在混凝土中都能起到一定的微集料效應(yīng)，但再生粉體的活性比礦粉低，礦粉早期和后期在堿性物質(zhì)的激發(fā)下都能發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而有效提高混凝土的強(qiáng)度。

4 全再生混凝土問(wèn)題及展望

全再生混凝土從最初的再生骨料單取代100%，發(fā)展到再生粗細(xì)骨料雙取代，其對(duì)建筑固廢的消納能力得到普遍認(rèn)可，下一步要將再生粉體作為膠凝材料摻合料加入混凝土中，得到最符合全再生意義的生態(tài)混凝土。

研究表明，當(dāng)再生粗骨料與再生細(xì)骨料取代率均達(dá)到100%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度下降了40%左右，用水量增加了20%左右。雖然合理的再生粉體摻量會(huì)改善再生骨料雙取代混凝土的性能，但效果有限，全再生混凝土性能下降還是限制其應(yīng)用的主要原因。目前全再生混凝土的研究還停留在初級(jí)階段，關(guān)于全再生骨料引起的混凝土性能變化的機(jī)理研究、理論模型的建立等大量工作需要進(jìn)一步開(kāi)展。

智能破碎工藝可以解決傳統(tǒng)的機(jī)械破碎作業(yè)帶來(lái)的噪聲及粉塵污染等問(wèn)題，全再生混凝土與之結(jié)合可以更充分地體現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展的特色。目前智能破碎的研究可以分為2類：第一類為智能破碎工藝，比如擺振水射流破碎混凝土技術(shù)[95]、超高壓水射流破拆機(jī)器人噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[96]等；第二類為破碎工藝的智能控制研究，比如基于Marx發(fā)生器充電電源智能控制方法[97]等。

在配合比設(shè)計(jì)方面，可以充分利用機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)方法。比如肖瑞敏[98]提出的混凝土配合比全計(jì)算及智能化設(shè)計(jì)，李順[99]充分利用“數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)”提出了混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，龍宇[100]基于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提出了一種自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法等?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)可以大幅度地減少配合比設(shè)計(jì)中的計(jì)算量及試驗(yàn)量，縮短全再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)周期。

混凝土可靠性分析和安全性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是混凝土抗壓強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率分布，全再生混凝土抗壓強(qiáng)度的概率分布與再生粗骨料、再生細(xì)骨料和再生粉體均有關(guān)，肖建莊及其團(tuán)隊(duì)在再生混凝土抗壓強(qiáng)度概率分布方面做了大量研究[36,101-102]。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)再生粗骨料來(lái)源相同或性能相近的情況下，再生粗骨料取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)影響不大；當(dāng)再生粗骨料為不同來(lái)源廢棄混凝土混合得到的集料時(shí)，混凝土的方差和變異系數(shù)將增大；再生細(xì)骨料混凝土的離散性要大于普通混凝土，當(dāng)再生細(xì)骨料的取代率為40%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到最大。因此，全再生混凝土抗壓強(qiáng)度概率分布研究可以先采用來(lái)源相同或性能相近的再生粗骨料，在減少變量的情況下研究再生細(xì)骨料及再生微粉的影響。全再生混凝土的應(yīng)用還面臨著成本、風(fēng)險(xiǎn)等方面的問(wèn)題，因此需要相關(guān)的政策支持來(lái)推動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)整體上，再生粗骨料混凝土和再生細(xì)骨料混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能隨著再生骨料取代率的增加而降低。當(dāng)再生粗骨料和再生細(xì)骨料單取代的取代率低于30%時(shí)，混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度變化不明顯。當(dāng)粗骨料取代率達(dá)到100%時(shí)，用水量增加10%，坍落度下降了約40%，強(qiáng)度降低了約20%。當(dāng)細(xì)骨料取代率達(dá)到100%時(shí)，用水量增加5%～10%，坍落度下降了約20%，強(qiáng)度降低了15%～40%。

(2)對(duì)于再生粗、細(xì)骨料雙取代混凝土，再生粗骨料對(duì)抗壓強(qiáng)度有更明顯的影響，再生細(xì)骨料對(duì)工作性能的影響更大。當(dāng)二者均達(dá)到100%取代率時(shí)，用水量增加了10%，抗壓強(qiáng)度降低了約40%，建議再生粗骨料取代率與再生細(xì)骨料取代率均不超過(guò)50%。

(3)再生骨料雙取代的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度根據(jù)現(xiàn)有普通混凝土規(guī)范進(jìn)行取值時(shí)結(jié)果偏于安全；其抗拉強(qiáng)度和彈性模量根據(jù)現(xiàn)有普通混凝土規(guī)范進(jìn)行取值時(shí)結(jié)果偏于危險(xiǎn)。

(4)再生粉體常見(jiàn)的參與混凝土配制的方式有2種：一種是取代水泥，另一種是取代粉煤灰等摻合料。一般來(lái)說(shuō)，不同種類的再生粉體復(fù)摻及再生粉體和礦粉復(fù)摻的效果要優(yōu)于再生粉體單摻，但復(fù)摻很多情況會(huì)導(dǎo)致混凝土的早期強(qiáng)度降低。

(5)全再生混凝土具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，是今后再生混凝土發(fā)展的新方向?？梢越Y(jié)合智能破碎工藝、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)方法來(lái)促進(jìn)其精細(xì)加工和精準(zhǔn)設(shè)計(jì)；基于全再生混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的可靠性分析，可以實(shí)現(xiàn)全再生混凝土的安全應(yīng)用。