再生混凝土抗?jié)B性能的研究進(jìn)展

肖力光，劉曉天

(吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展，建筑業(yè)產(chǎn)生了大量的建筑和拆遷廢棄物，建筑業(yè)成為對環(huán)境影響最大的行業(yè)[1]。近些年來，我國每年產(chǎn)生30～40億噸的建筑垃圾，是城市垃圾總量的40%左右[2]。與此同時(shí)，我國地鐵、隧道等地下工程發(fā)展越來越迅速，再生混凝土也逐漸應(yīng)用到地下工程中[3]，地下工程對混凝土抗?jié)B性能要求更高，但再生混凝土骨料粗糙且包裹砂漿，同時(shí)可能存在再生骨料破壞時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的微裂縫，這增加了其孔隙率，從而降低了其抗?jié)B性能。隨之而來的是地下工程出現(xiàn)的漏水、滲水等安全問題，地下工程的防水抗?jié)B功能也越來越受到學(xué)者和各大高校的重視[4]。因此，再生混凝土抗?jié)B性能的研究有非常重要的意義。

1 再生混凝土抗?jié)B性能的研究現(xiàn)狀

與再生混凝土的配合比[5-6]、力學(xué)性能[7-10]、抗碳化[11-12]等性能相比，再生混凝土在抗?jié)B性能方面的研究相對較少，但依然有部分國內(nèi)外的專家、學(xué)者對此做出了研究。

胡耀文[3]通過實(shí)驗(yàn)探究了粉煤灰摻量、再生骨料取代率以及水灰比對再生混凝土抗?jié)B性的影響，結(jié)果表明當(dāng)再生骨料取代率和水灰比較低時(shí)，其吸水系數(shù)相應(yīng)較低，再生混凝土的抗?jié)B性能較為理想，并且指出可以通過添加適量的粉煤灰來降低再生混凝土的滲透性。粉煤灰的微集料效應(yīng)使得膠凝體系更加密實(shí)，提高了其抗?jié)B性。

劉月麗[13]通過實(shí)驗(yàn)研究貝殼粉的摻量和再生粗骨料取代率對再生混凝土滲水高度和軟化系數(shù)的影響，以此來分析二者對再生混凝土滲透性和耐久性的影響。結(jié)果表明固定骨料取代率時(shí)，隨著貝殼粉摻量的增加，再生混凝土的滲水高度呈逐漸減小的趨勢，即抗?jié)B性能逐漸提高；而固定貝殼粉摻量時(shí)，隨著再生粗骨料取代率的提高，滲水高度呈逐漸增大的趨勢，即抗?jié)B性能逐漸降低；并結(jié)合耐水性給出了5%～10%摻量的貝殼粉、50%摻量的再生粗骨料的最優(yōu)配比。

朱纓[14]通過實(shí)驗(yàn)表明了復(fù)摻合成纖維與粉煤灰時(shí)再生混凝土的滲水高度下降最多，抗?jié)B效果最好。周靜海[15]通過自然擴(kuò)散法測試廢棄纖維摻量與長度對再生混凝土抗?jié)B性能的影響，結(jié)果表明廢棄纖維可以顯著提高再生混凝土的抗?jié)B性能，并給出摻量為膠凝材料體積分?jǐn)?shù)的0.16%、纖維長度為19 mm的最佳方案。

張李黎[16]通過對天然混凝土與再生混凝土的對比實(shí)驗(yàn)，探究強(qiáng)度(該實(shí)驗(yàn)僅設(shè)計(jì)C20、C30兩種強(qiáng)度對照)、水灰比、砂率對再生混凝土抗?jié)B性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于天然混凝土，再生混凝土的抗?jié)B性較差；相比于砂率，水灰比對再生混凝土抗?jié)B性的影響更大；且隨著再生混凝土水灰比的增大，其抗?jié)B性能逐漸降低；平均來說，C30再生混凝土的抗?jié)B性比C20再生混凝土抗?jié)B性要高，說明再生混凝土的強(qiáng)度越高，其抗?jié)B性越好。

張冬梅[17]通過實(shí)驗(yàn)研究硫酸鈣晶須摻量對不同骨料取代率的再生混凝土滲透高度的影響，進(jìn)一步分析了硫酸鈣晶須對其抗?jié)B性的影響，研究結(jié)果表明硫酸鈣晶須對再生混凝土的抗?jié)B性能有顯著的提高，但應(yīng)將其摻量控制在5 kg/m3以內(nèi)，且相同摻量的硫酸鈣晶須對不同骨料取代率再生混凝土的作用不同，當(dāng)取代率為50%時(shí)，滲水高度下降最多，抗?jié)B性能效果最好。

Sasanipour[18]通過在自密實(shí)混凝土中取代25%，50%，75%和100%的細(xì)骨料和粗骨料，分析了細(xì)骨料和粗骨料對抗氯離子滲透能力的影響。在所有對照組中，水灰比固定且水泥含量不變，結(jié)果表明，25%的粗骨料取代率對自密實(shí)混凝土的抗氯離子滲透性沒有顯著影響；隨著再生細(xì)骨料取代率的增加，抗氯離子滲透能力顯著降低。

Masood[19]研究和比較了低鈣膨潤土對天然混凝土和再生混凝土耐久性能的影響。分別以取代率為0，5%，10%，15%和20%的膨潤土代替普通硅酸鹽水泥對抗氯離子滲透等性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在摻入低鈣膨潤土后，保證其和易性與天然混凝土相同時(shí)，再生混凝土的吸水率顯著降低；在膨潤土取代率為15%時(shí)，再生混凝土吸水率的下降幅度最大(高達(dá)8%)。在摻入低鈣膨潤土后，再生混凝土的耐久性會明顯提高，且低鈣膨潤土對再生混凝土耐久性的貢獻(xiàn)大于對天然混凝土的貢獻(xiàn)。

Zhang[20]用碎磚作為粗骨料和用天然骨料制成的纖維增強(qiáng)混凝土的耐久性進(jìn)行了對比研究，提出并討論了纖維含量對耐久性的影響。結(jié)果表明纖維可以提高抗?jié)B性，當(dāng)添加0.6 kg/m3的纖維量時(shí)，樣品表現(xiàn)出最低的吸水率和吸水系數(shù)。與無纖維的再生混凝土相比，加入聚丙烯纖維后，直徑在2 000～20 000 nm 之間的孔隙消失，直徑在50～100 nm的孔隙體積減小，小于30 nm的孔隙增加。這表明由于纖維的加入，較大直徑的孔的數(shù)量較少，而較小直徑的孔數(shù)目增加。使用聚丙烯纖維可以降低整體孔隙率和大孔體積，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。

Zaharieva[21]將再生混凝土的表面滲透性、透氣性和透水性與天然混凝土進(jìn)行對比。研究表明，與天然混凝土相比，再生混凝土的透水性高2倍。

Yao[22]用Al2(SO4)3和Ca(HCO3)2對再生骨料進(jìn)行處理來探究再生混凝土的抗氯離子滲透性。結(jié)果表明，處理后的再生混凝土的抗氯離子滲透性能得到一定程度的提高，且25 ℃硅酸鈉溶液比 60 ℃ 硅酸鈉溶液降低再生混凝土滲透性更加明顯。

Zhang[23]通過巴氏芽孢桿菌對再生骨料進(jìn)行微生物碳酸鹽沉積處理后，發(fā)現(xiàn)再生骨料表面覆蓋碳酸鈣沉淀，降低了再生混凝土的吸水率，且經(jīng)過 10 d 的處理后，其吸水率的下降程度可達(dá)31.4%。

國內(nèi)外學(xué)者主要通過水灰比、再生骨料取代率、天然混凝土與再生混凝土性能對比、添加摻合料(粉煤灰、礦渣、貝殼粉、膨潤土、硫酸鈣晶須等物質(zhì))等方面對再生混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行了分析研究，同時(shí)又有部分學(xué)者通過強(qiáng)化再生骨料的方式來提高再生混凝土的抗?jié)B性，且取得了一定的成果。但研究方向不僅限于此，混凝土的滲透性由其內(nèi)部孔隙的大小、數(shù)量以及連通情況等決定，可以通過界面過渡區(qū)的微觀變化和膠凝材料的孔結(jié)構(gòu)等方面來分析再生混凝土的抗?jié)B性。

2 再生混凝土的滲透機(jī)理

混凝土是由粗細(xì)骨料、膠凝材料、水以及外加劑按照適當(dāng)?shù)谋壤浜?，?jīng)均勻攪拌、成型及養(yǎng)護(hù)硬化而成的人造石材，其本質(zhì)上是一種非均質(zhì)、多孔性的復(fù)合材料[24]，因此，混凝土有一定的透水性，當(dāng)外界環(huán)境中的水通過孔道進(jìn)入混凝土內(nèi)部時(shí)，外界的Cl-、SO2、CO2和硫酸鹽等物質(zhì)會溶于水通過孔道進(jìn)入混凝土內(nèi)部，造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞、鋼筋的銹蝕以及其他建筑材料的損壞，嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)的耐久性[25-28]。而再生混凝土由于再生骨料較天然骨料性能差(破碎過程中產(chǎn)生的裂縫、含有部分舊的水泥石等原因)，其抗?jié)B性能相比于天然混凝土要差。因抗?jié)B性對于混凝土的耐久性十分重要。

在工程施工中，為了保證混凝土的和易性，拌和混凝土?xí)r加入的水量一定會超過水泥水化的所需用水量，而多余的這一部分水分在水泥水化后會逐漸蒸發(fā)，水分蒸發(fā)之后會在混凝土的內(nèi)部留下很多孔洞，這些孔洞可能會連通成孔道，且水泥水化凝結(jié)會發(fā)生化學(xué)收縮，這也會在硬化的水泥石中產(chǎn)生孔道；以及由于混凝土成型時(shí)振搗不實(shí)等原因產(chǎn)生的蜂窩、孔洞等缺陷都會造成混凝土滲水，嚴(yán)重影響其抗?jié)B性。

混凝土的界面過渡區(qū)水灰比高、孔隙率大，Ca(OH)2結(jié)晶顆粒大、數(shù)量多，且以層狀平行于骨料取向生長，這導(dǎo)致界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，所以界面過渡區(qū)的強(qiáng)度相比于混凝土的其他位置較低，因此，在廢棄混凝土進(jìn)行破碎處理的過程中更容易產(chǎn)生裂縫，增加了再生混凝土的滲透性。骨料本身的性質(zhì)對混凝土的抗?jié)B性能也起著非常重要的作用，相較于再生骨料，天然骨料構(gòu)成單一完整、結(jié)構(gòu)致密，會在混凝土內(nèi)部切斷孔隙通道的連續(xù)性，從而增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性；而再生骨料表面附著舊水泥凝結(jié)成的水泥石[29]，不利于新的拌和砂漿與再生骨料內(nèi)天然石子的良好粘結(jié)，因此再生骨料與新拌砂漿的密實(shí)性較差，不僅不能有效切斷孔隙通道的連續(xù)性，甚至?xí)樗值牧魍ㄌ峁┬碌耐ǖ?，降低了混凝土的抗?jié)B性能。再生骨料表面的舊水泥砂漿會使得再生混凝土有更高的吸水性，凝結(jié)硬化過程中新水泥漿體水分損失更多，給再生混凝土界面過渡區(qū)造成的孔道、裂縫會更多，抗?jié)B性能更差。

3 影響再生混凝土抗?jié)B性能的因素

再生混凝土的抗?jié)B性能在不同程度上受水灰比、再生骨料取代率、礦物摻合料等因素[30-32]的影響。

3.1 水灰比

與天然混凝土相同，隨著水灰比的逐漸增加，其抗?jié)B性能隨之降低。水灰比增加，再生混凝土內(nèi)部的自由水就增加，導(dǎo)致水泥水化凝結(jié)之后蒸發(fā)的水分變多，留下的孔隙自然就越多；而且在相同的水化程度下，水灰比越高，混凝土的最可幾孔徑越大，這些孔隙連接成孔道的可能性就越高，增加了再生混凝土的滲透性。因此，可通過適當(dāng)降低其水灰比的方式來提高再生混凝土的抗?jié)B性，這一結(jié)論也被Rasheeduzzafar[33]所證實(shí)，并且該學(xué)者進(jìn)一步說明了相同強(qiáng)度時(shí)，當(dāng)再生混凝土的水灰比較天然混凝土降低0.05～0.10時(shí)，二者的抗?jié)B性相近。

3.2 再生骨料取代率

再生骨料表面粗糙且一定附有未能完全處理的舊水泥砂漿，這使其孔隙率增多，吸水率相應(yīng)增加，而且廢棄混凝土在進(jìn)行破碎處理的過程中會產(chǎn)生或多或少的裂縫，這也為水分在其內(nèi)部的流通提供了通道，這都會增加再生混凝土的滲透性；在拌和過程中會出現(xiàn)“舊骨料-舊漿體-新漿體-舊漿體-舊骨料”的多重界面過渡區(qū)，多重界面過渡區(qū)的疊加進(jìn)一步降低了再生混凝土的密實(shí)性，降低了其抗?jié)B性。潘秀英[34]、張麗素[35]均指出再生骨料取代率越高，再生混凝土的抗?jié)B性能越差，并且張麗素進(jìn)一步指明取代率高于30%后，再生混凝土的抗?jié)B性能出現(xiàn)急劇下降的變化。但不同來源再生骨料的表面粗糙程度及其缺陷不同，因此，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)將再生骨料取代率控制在合理范圍內(nèi)。

3.3 礦物摻合料

高成輝[36]指出添加適量的粉煤灰、礦渣粉、硅灰等礦物摻合料均對再生混凝土的抗?jié)B性有明顯的提高作用。張麗素[35]、毛添鈿[37]亦通過實(shí)驗(yàn)證明了添加適量的粉煤灰對再生混凝土的抗?jié)B性有提高作用。粉煤灰等礦物摻合料具有微集料效應(yīng)，可以填充于再生混凝土內(nèi)部的孔隙中，改善其孔隙結(jié)構(gòu)，增加再生混凝土的密實(shí)性，從而提高再生混凝土的抗?jié)B性；粉煤灰等礦物摻合料還具有火山灰效應(yīng)，礦物摻合料中的活性物質(zhì)與水泥水化后產(chǎn)生的 Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成致密的水化硅酸鈣凝膠，交叉分布于混凝土內(nèi)部，減少了混凝土內(nèi)部的孔隙，提高抗?jié)B性。但過量的礦物摻合料會使被同質(zhì)量替代的水泥減少，弱化了膠凝材料與骨料之間的粘結(jié)作用，使得界面過渡區(qū)的孔隙率更大。因此，并不是礦物摻合料的摻量越多越好，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)將其摻量控制在合理范圍內(nèi)。

此外，基體混凝土強(qiáng)度、骨料預(yù)處理方法、齡期、養(yǎng)護(hù)方式、制備工藝等因素都對再生混凝土的抗?jié)B性有或多或少的影響。除了控制水灰比和再生骨料的取代率以及摻入礦物摻合料之外，還可以通過改善施工工藝(如二次攪拌法、三次攪拌法)、加入高效減水劑、對再生骨料進(jìn)行預(yù)處理(如用CO2對再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化[38-39]，從而消耗掉舊水泥石中的 Ca(OH)2起到強(qiáng)化界面過渡區(qū)的作用)等方式來提高再生混凝土的抗?jié)B性。

4 結(jié)語與展望

本文對再生混凝土抗?jié)B性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述、對再生混凝土滲透機(jī)理進(jìn)行了梳理分析，并對再生混凝土抗?jié)B性能的影響因素進(jìn)行了總結(jié)。然而由于再生混凝土其自身的復(fù)雜性，在其抗?jié)B性能方面仍然有很多問題需要進(jìn)行深入研究。

(1)在礦物摻合料對再生混凝土抗?jié)B性能的影響這一方面，目前大多數(shù)學(xué)者僅僅通過單摻或雙摻礦物摻合料的方式進(jìn)行研究分析，很少有學(xué)者研究多種礦物摻合料在共同作用下對其抗?jié)B性能的影響，在后續(xù)研究中，可進(jìn)行礦物摻合料在多因素耦合作用下對再生混凝土抗?jié)B性能的影響。

(2)大多數(shù)學(xué)者僅僅通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法研究再生混凝土的抗?jié)B性能，但再生混凝土于實(shí)際工程中的環(huán)境要相對復(fù)雜，影響因素更多，僅僅在室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并不容易完全模擬出實(shí)際環(huán)境，未來可通過有限元等軟件模擬實(shí)際工程環(huán)境進(jìn)行分析。

(3)強(qiáng)化再生骨料是提高再生混凝土抗?jié)B性的有效方法，但目前對于強(qiáng)化再生骨料的方法或成本過高(如微生物碳酸鹽沉積強(qiáng)化法、CO2強(qiáng)化法)，或有其他方面的局限性(如用硅酸鈉溶液對再生骨料進(jìn)行預(yù)處理會增大堿骨料反應(yīng)的概率)，且操作復(fù)雜；目前對于改善再生骨料內(nèi)部裂隙的研究也很少，這一方面需要進(jìn)一步深入研究和探索。