再生骨料損傷機(jī)理研究進(jìn)展★

郝貴強(qiáng)，馮寒非，趙媛媛，于海豐，趙婼婷

(1.中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050046；2.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 石家莊 050000；3.河北省巖土與結(jié)構(gòu)體系防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)創(chuàng)新中心(籌)，河北 石家莊 050018；4.河北科技大學(xué)智能低碳裝配式建筑技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050018)

0 引言

基建建設(shè)是人類社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)條件，也是我國(guó)乃至世界發(fā)展的前提。然而，隨著舊建筑拆除和新建筑落成，面臨大量建筑垃圾無(wú)處安置危害環(huán)境，同時(shí)，建材日益枯竭也威脅著基建工程的發(fā)展。再生混凝土可為解決這一問(wèn)題提供新的思路。具有多種強(qiáng)度等級(jí)、輕質(zhì)、保溫等優(yōu)點(diǎn)的再生混凝土，其在減少天然砂石資源消耗的同時(shí)，處理了建筑垃圾。社會(huì)發(fā)展使20世紀(jì)的舊建筑面臨拆除，混凝土、黏土磚在我國(guó)建筑垃圾中占據(jù)重要部分。然而，當(dāng)前關(guān)于再生骨料混凝土研究還比較少，關(guān)于強(qiáng)度、耐久性、損傷機(jī)理等問(wèn)題缺乏認(rèn)知，這一問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了再生骨料混凝土的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。強(qiáng)度、耐久性、損傷機(jī)理等問(wèn)題與骨料品質(zhì)、優(yōu)化配比等密切相關(guān)，從微觀角度分析再生骨料損傷機(jī)理，為今后提升再生混凝土強(qiáng)度提供研究方向。

1 研究背景及意義

2020年4月住建部發(fā)布《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑市場(chǎng)監(jiān)管司2020年工作要點(diǎn)》，文件中提出要大力推行綠色建造的發(fā)展，推進(jìn)建筑垃圾源頭化處理[1]。近年來(lái)建筑行業(yè)迅速發(fā)展，我國(guó)大量舊建筑被拆除和新建筑落成，隨之而來(lái)的是拆除的舊建筑垃圾以及新建筑施工中產(chǎn)生的垃圾無(wú)處安置。同時(shí)，天然的建筑材料由于過(guò)度開(kāi)采也面臨枯竭，同樣阻礙了建筑行業(yè)的發(fā)展[2]。針對(duì)建筑垃圾循環(huán)利用、再生混凝土研究，國(guó)內(nèi)外專業(yè)學(xué)者做了大量研究工作[3-5]。受骨料性能影響，再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都普遍低于普通混凝土[6-8]。但如果嚴(yán)格控制磚骨料顆粒級(jí)配會(huì)減緩再生混凝土強(qiáng)度的下降趨勢(shì)[9-10]。

對(duì)再生混凝土的研究，有利于推進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)可持續(xù)化發(fā)展，緩解天然砂石資源短缺問(wèn)題，但由于國(guó)內(nèi)研究再生混凝土較晚，在國(guó)內(nèi)大規(guī)模推廣還存在很多問(wèn)題，技術(shù)參數(shù)及基本指標(biāo)還不完善，需要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。

2 再生混凝土骨料研究

2.1 廢黏土磚作為再生混凝土骨料研究

2013年，J.Hua[11]研究了被鉛污染的黏土磚材料壓碎作為再生混凝土骨料，給出再生混凝土配合比曲線試驗(yàn)，提出最優(yōu)配合比。同時(shí)結(jié)果表明：由于水泥的高堿度，鉛可以被隔離，或使其不能浸出，使該混凝土不再具有鉛的毒性特性，是可作為建筑材料再次使用的。

2016年，程海麗[12]介紹了廢黏土磚作為可回收粗、細(xì)骨料在混凝土、砂漿、墻體材料以及可回收水泥生產(chǎn)的原材料或助劑中的應(yīng)用。2019年Haili Cheng[13]用廢混凝土、廢磚再生骨料分別取代玻璃纖維增強(qiáng)水泥(GRC)中的天然砂，研究發(fā)現(xiàn)廢磚再生骨料具有火山灰效應(yīng)，對(duì)GRC的耐久性改善作用顯著。另外，加入再生骨料可以提高GRC基體的抗折強(qiáng)度，并降低輕玻璃纖維的侵蝕程度，從而提高GRC的耐久性。

2016年，Jayasinghe[14]研究了一種以建筑拆除廢料(BDW)為原料，與泥土和水泥混合而成的建筑材料。利用立方體的試驗(yàn)分析，確定建筑垃圾、土壤和水泥的最佳配比，試驗(yàn)復(fù)合材料可以滿足低層建筑的承載力。

2017年，冉晉等[15]利用城市紅磚建筑垃圾中回收的細(xì)骨料，制備了不同水泥-砂比和水-固比的受控低強(qiáng)度材料(CLSM)混合物。通過(guò)試驗(yàn)不同水泥-砂和水-固的配合比下強(qiáng)度分析，建立了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)CLSM混合物抗壓強(qiáng)度的擬合模型。

2014年，張昌[16]采用三種長(zhǎng)度的竹纖維，在不同摻量下對(duì)竹纖維混凝土進(jìn)行單軸壓、劈拉和彎折試驗(yàn)。結(jié)果顯示：混凝土劈拉、彎折性能明顯提高。2017年，李斌等[17]使用破碎后的廢棄磚瓦或再生黏土磚進(jìn)行試驗(yàn)，在其基礎(chǔ)上加入了鋼纖維，對(duì)鋼纖維再生混凝土進(jìn)行韌性及延性的研究，給出了用纖維因子為參數(shù)的損傷本構(gòu)關(guān)系。

從經(jīng)濟(jì)、使用效果等多方面綜合考慮，實(shí)現(xiàn)廢棄黏土磚最優(yōu)資源再利用。將廢棄的黏土磚進(jìn)行初級(jí)破碎作為混凝土粗骨料，需要對(duì)碎磚骨料本身低強(qiáng)度和吸水率高等缺陷進(jìn)行改善。

2.2 廢黏土磚作為再生混凝土微粉研究

2017年，Sagbansua[18]利用建筑廢料和自然原料(改性玉米)這些材料為主要成分，制備了一種新型墻體保溫的生物復(fù)合材料。2018年，李飛等[19]利用建筑垃圾廢料中難以再利用的再生細(xì)骨料和再生微粉配置受控性低強(qiáng)度材料，提出適宜的水粉比、砂灰比等配合比參數(shù)，根據(jù)目標(biāo)需要提供合適的水粉配合比。再生細(xì)骨料和再生微粉主要是代替水泥或摻合料加入混凝土中，以提高凝膠材料活性、黏結(jié)力、與其他材料適應(yīng)性等為主要研究方向。在對(duì)使用建筑廢棄黏土磚制備高活性摻合料的研究發(fā)現(xiàn)，其品質(zhì)相當(dāng)于礦粉S95級(jí)，可以滿足配制強(qiáng)度等級(jí)C30，C40的普通混凝土[20]。

再生混凝土工作性能雖較普通混凝土尚有不足，但分析性能發(fā)現(xiàn)，若再生細(xì)骨料和再生微粉代替水泥或摻合料加入混凝土中，可以提高凝膠材料活性、黏結(jié)力、與其他材料適應(yīng)性，且以粉末狀形式用作摻合料有利于再生混凝土的承重。

2.3 其他再生混凝土發(fā)展研究

2015年，劉冶坤研究了粉煤灰代替水泥，破碎混凝土替代普通混凝土中石子，加入堿性激發(fā)劑等建筑廢料生產(chǎn)再生混凝土砌塊的方法，并優(yōu)化確定了代替材料的配合比[21]。2016年，楊樹(shù)森[22]對(duì)摻加聚丙烯纖維的再生細(xì)骨料混凝土進(jìn)行研究，優(yōu)化了纖維再生細(xì)骨料混凝土配合比。2017年，Huang等[23]研究采用聚酯纖維增強(qiáng)塑料作為再生骨料混凝土圍封材料，試驗(yàn)結(jié)果表明再生骨料混凝土的承載能力明顯增強(qiáng)。聚酯纖維增強(qiáng)塑料材料成本低、抗拉應(yīng)變能力大，與低強(qiáng)再生混凝土有很好的協(xié)同工作能力。2019年，Gyurko測(cè)試了以蒸壓加氣混凝土廢料為骨料或輔料的試樣的抗壓強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和耐久性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：以顆粒狀加氣混凝土廢料作為骨料用于承重的能力有限，但以粉末狀形式非常有利。Markulak等[24]在前期研究開(kāi)發(fā)與環(huán)境和結(jié)構(gòu)有利的砌體單元的基礎(chǔ)上，提出一種填充新單元，通過(guò)與以往不同填充形式框架研究成果對(duì)比，對(duì)前期填充單元進(jìn)行改善，增加框架填充交互作用的積極方面。Li和Kou[25-26]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生混凝土在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等方面普遍要低于普通混凝土，但嚴(yán)格控制磚骨料的顆粒級(jí)配會(huì)使再生混凝土強(qiáng)度的這種下降趨勢(shì)減弱[27]。

針對(duì)再生骨料缺陷進(jìn)行改性處理，是減弱再生混凝土與普通混凝土強(qiáng)度差異的重要方向，常見(jiàn)的再生骨料改性方式有機(jī)械處理、浸泡處理、酸腐蝕、碳化加強(qiáng)和裹漿處理等手段。

3 再生骨料的強(qiáng)化

3.1 再生骨料強(qiáng)化機(jī)理

將混凝土、黏土磚初級(jí)破碎作為混凝土粗骨料，并對(duì)再生骨料本身存有的低強(qiáng)度、高吸水率、耐久性缺陷等進(jìn)行改善，改善機(jī)理如圖1(a)～圖1(c)所示,T1指原生粗骨料與附著化學(xué)試劑界面、T2指原生粗骨料內(nèi)部裂縫與附著化學(xué)試劑界面、T3指附著化學(xué)試劑與水泥硬化層界面，使強(qiáng)化磚骨料達(dá)到再生骨料使用要求。

研究不同磚骨料取代率下磚骨料再生混凝土最佳配合比，從微觀層面對(duì)不同強(qiáng)化效果作用機(jī)理和損傷機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合再生混凝土工作性能和力學(xué)性能指標(biāo)，研究材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能內(nèi)部聯(lián)系，為再生骨料資源再利用提供設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)參考。

3.2 再生骨料強(qiáng)化方式及效果

對(duì)再生粗骨料研究多是以提高強(qiáng)度、降低吸水性以及規(guī)整形狀等達(dá)到強(qiáng)化效果作為研究重點(diǎn)，且研究表明，機(jī)械強(qiáng)化后的再生骨料顆粒光滑、吸水率低、粒形好，可減少環(huán)境污染[28]。但物理強(qiáng)化前期投入成本大，處理效果采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)漿液或溶液，通過(guò)浸泡、干燥、滲透等強(qiáng)化工藝，能夠有效地填充再生骨料內(nèi)外部的微裂紋、孔結(jié)構(gòu)[29]。并發(fā)現(xiàn)使用聚合硫酸鋁浸漬和水玻璃浸漬的化學(xué)強(qiáng)化效果優(yōu)于物理強(qiáng)化，當(dāng)物理強(qiáng)化與化學(xué)強(qiáng)化協(xié)同工作的強(qiáng)化效果最佳。在微觀層面發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)化學(xué)強(qiáng)化處理后的再生粗骨料表面缺陷和內(nèi)部裂縫，可以很大程度上的被反應(yīng)產(chǎn)物改善[30]。對(duì)再生骨料進(jìn)行碳化強(qiáng)化處理，可以減少界面過(guò)渡區(qū)孔隙，使其結(jié)構(gòu)更加致密，從而改善再生骨料的舊界面過(guò)渡區(qū)域的強(qiáng)度[31]。通過(guò)對(duì)再生粗骨料吸水速率高、吸水速度快的特點(diǎn)分析，研究表明不同含水率對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能也有很大的影響，并且拌合物中的自由水量對(duì)其靜態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度有很大影響[32]。

白雷雷[33]使用硅灰水泥漿液浸泡對(duì)粗骨料進(jìn)行強(qiáng)化，浸泡5 h時(shí)可明顯降低壓碎指標(biāo)值，從抗壓性能的角度，歸納對(duì)比了再生混凝土與普通混凝土強(qiáng)度差異，但對(duì)于其他力學(xué)性能以及硅灰水泥漿液強(qiáng)化粗骨料機(jī)理并未系統(tǒng)研究。肖建莊課題組配制具有不同配合比的再生混凝土進(jìn)行凍融后的抗凍和力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，再生混凝土的抗凍性及凍融循環(huán)強(qiáng)度隨著再生粗骨料取代率的增加而下降[34]。當(dāng)再生骨料取代率為30%，Na2SO4體積濃度5%時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨水灰比的增大，再生混凝土表面剝蝕程度越嚴(yán)重，界面過(guò)渡區(qū)越薄弱，各項(xiàng)性能指標(biāo)劣化越顯著[35]。在NaCl和Na2SO4溶液浸泡下，顯微追蹤S和Cl元素時(shí)，發(fā)現(xiàn)界面過(guò)渡區(qū)是再生混凝土離子侵蝕的主要通道，如圖2所示[36]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)利用CO2固化來(lái)提高RA及制備RAC性能的研究也逐漸增加。CO2固化產(chǎn)物可以填充RCA附著砂漿孔隙，改善其致密程度，減小孔隙和吸水率，從而提高RCA的強(qiáng)度[37-38]。

再生骨料強(qiáng)化改性可以有效改變?cè)偕炷潦芷茐男问?，提高其抗壓?qiáng)度。消除舊界面過(guò)渡區(qū)對(duì)再生混凝土的劣化影響后，再生骨料本身性能對(duì)再生混凝土的影響同樣重要，通過(guò)強(qiáng)化手段使再生骨料品質(zhì)提升，是磚骨料再生混凝土最佳選擇。

3.3 再生骨料混凝土本構(gòu)關(guān)系

骨料作為混凝土主要受力骨架，當(dāng)骨料強(qiáng)度不足時(shí)，材料力學(xué)性能無(wú)法被充分利用，為更明確混凝土工作性能和破壞機(jī)理，展開(kāi)對(duì)再生骨料模型研究。Chao Liu等[39]提出再生骨料分配-界面熱濕傳遞模型。肖建莊在再生骨料方位模型的基礎(chǔ)上，對(duì)再生混凝土的破壞演變進(jìn)行了分析，并對(duì)其裂縫發(fā)生、發(fā)展、應(yīng)變分布和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了研究，提出再生骨料方位對(duì)再生混凝土損傷的演化規(guī)律[40]。呂西林研究了再生粗骨料取代率、水灰比和壓應(yīng)力比在壓剪復(fù)合荷載作用下對(duì)再生混凝土剪切強(qiáng)度的影響[41]。周云平整普通混凝土、廢混凝土骨料混凝土和廢磚骨料混凝土，制得再生混凝土模型，獲得整體應(yīng)變場(chǎng)和界面過(guò)渡區(qū)域的局部應(yīng)變場(chǎng)，通過(guò)對(duì)再生混凝土的裂縫發(fā)展和破壞機(jī)制的分析，發(fā)現(xiàn)廢磚骨料再生混凝土的彈性模量最低，但比廢混凝土骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度高[42]。也有研究表明，混凝土強(qiáng)度的提升主要取決于再生骨料架構(gòu)貢獻(xiàn)強(qiáng)度的增大，見(jiàn)圖3，圖4[43]。

相比于物理和化學(xué)強(qiáng)化再生骨料方式，微生物強(qiáng)化同樣可以顯著改善再生骨料性能。FENG在微生物碳酸鹽中沉積3 d，7 d，10 d和14 d，使再生混凝土骨料(RCA)吸水率降低22.0%，27.3%，28.6%和31.4%[44]；SINGH采用濃度107cell/mL的尿素分解菌和非尿素水解菌培養(yǎng)液，7 d的浸泡后，吸水率下降了64.3%和42.9%，顯著改善了RAC的黏附砂漿與石子間的老界面過(guò)渡區(qū)[45]。

影響再生磚骨料混凝土的力學(xué)性能規(guī)律的主要因素尚不明確及磚骨料再生混凝土受力破壞形式特點(diǎn)、影響磚骨料再生混凝土破壞形式改變的因素，均未見(jiàn)到過(guò)多研究，這導(dǎo)致再生磚骨料的發(fā)展和應(yīng)用受到限制。

4 未來(lái)研究展望

目前，再生混凝土的研究已取得了很多有價(jià)值的成果，從材料種類、材料配合比、材料破碎程度等方面對(duì)再生混凝土進(jìn)行深入研究。但目前仍面臨著若干問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究：

1)目前研究表明，再生骨料本身的力學(xué)特性與天然骨料表現(xiàn)出明顯的不同，若沿用普通混凝土配合比設(shè)計(jì)配比，再生混凝土很難滿足使用要求，所以對(duì)不同再生骨料進(jìn)行不同的配合比研究是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

2)目前研究通過(guò)同時(shí)摻入粉煤灰和高效減水劑，可通過(guò)改善其保水性、黏聚性和流動(dòng)性，達(dá)到提高耐久性的效果。未來(lái)提高再生混凝土耐久性的研究重點(diǎn)可以為改善再生混凝土骨料的舊截面過(guò)渡區(qū)以提高混凝土的抗?jié)B透性能。

3)目前減弱再生混凝土與普通混凝土強(qiáng)度差異的重要方向是針對(duì)再生骨料缺陷進(jìn)行改性處理，建議對(duì)常見(jiàn)的再生骨料的改性方式如機(jī)械處理、浸泡處理、酸腐蝕、碳化加強(qiáng)和裹漿處理等手段進(jìn)行深入研究。

4)當(dāng)前的研究成果表明，再生混凝土工作性能受其再生骨料類型、品質(zhì)、水灰比、強(qiáng)化方式及骨料取代率多方面影響，且受其地區(qū)、原材料質(zhì)量影響，表現(xiàn)明顯的差異，現(xiàn)有研究多針對(duì)再生混凝土骨料的性能，但對(duì)其的適用性研究需進(jìn)一步開(kāi)展。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，再生混凝土的研究已取得了很多有價(jià)值的成果，從材料種類、材料配合比、材料破碎程度等方面對(duì)再生混凝土進(jìn)行深入研究。再生混凝土將建筑廢料、垃圾等一些無(wú)法直接二次利用的材料，作為添加物或替換物重新應(yīng)用到建筑建造中，減少建筑垃圾對(duì)環(huán)境的影響。關(guān)于強(qiáng)化磚骨料再生混凝土主要參數(shù)影響其力學(xué)性能規(guī)律以及損傷機(jī)理的問(wèn)題，當(dāng)前研究比較有限。而我國(guó)建筑垃圾逐年增加，為推動(dòng)廢建筑垃圾資源化，亟需針對(duì)再生骨料混凝土開(kāi)展深入研究。同時(shí)，近年來(lái)我國(guó)基建資源逐漸短缺，強(qiáng)化磚骨料再生混凝土的研究可以給我國(guó)基建材料注入新的血液。