再生混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用研究綜述

汪小南

（1.武漢市城市建設(shè)投資開發(fā)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000；2.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

近十年來，建筑固廢總量增長了近4 倍，未來仍將保持較高水平[1]。為滿足建筑固廢資源化和建筑資源可持續(xù)發(fā)展的需求，再生混凝土在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛推廣[2]。建筑固廢資源化是將建筑廢棄多次分解與合成，加工成高品質(zhì)原材料或回到原始狀態(tài)，來實現(xiàn)建筑固廢產(chǎn)業(yè)“閉環(huán)”[3]，進(jìn)一步解決建筑固廢帶來的環(huán)境與社會問題[4]。在細(xì)微觀結(jié)構(gòu)中，水泥基材料界面過渡區(qū)的復(fù)雜程度是區(qū)分原生與再生混凝土材料的關(guān)鍵，附著老砂漿存在是再生混凝土材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)性能劣化的根本原因[5]。

再生混凝土完全或部分替代傳統(tǒng)混凝土的粗/細(xì)骨料，減少了山砂和山石開采，保護(hù)了生態(tài)的平衡[6]。在工程應(yīng)用中，再生混凝土結(jié)構(gòu)的使用較多，理論研究基礎(chǔ)扎實，工程背景較多，既能滿足“雙碳”要求，又能較好的解決固廢工程應(yīng)用的問題[7]。在本文中，我們提供了切實可行的再生混凝土生產(chǎn)工藝和研究背景，并對近年來的研究成果和工程應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述。其中，對再生混凝土框架和鋼與再生混凝土組合框架這兩類結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括其研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況。此外，學(xué)習(xí)了再生混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和部分實際工程實例，給出了推廣依據(jù)。

1 生產(chǎn)工藝

再生混凝土的生產(chǎn)工藝是制約再生混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。在國外，再生混凝土的生產(chǎn)工藝較為成熟，其功能不同而工藝有所區(qū)別。日本的生產(chǎn)工藝具有兩大特點：現(xiàn)場直接轉(zhuǎn)化和再生利用率較高，有利于搬運中的損耗，但再生混凝土品質(zhì)極難保證。在汲取日本的生產(chǎn)工藝經(jīng)驗后，德國生產(chǎn)工藝主要看重再生混凝土的強(qiáng)度及使用性能，其粉碎分離技術(shù)較先進(jìn)，用途廣范，但該生產(chǎn)工藝尚處于較低水平，生產(chǎn)效率低下，成本高昂。隨后，俄羅斯自主研制并生產(chǎn)了雙篩網(wǎng)篩分機(jī)組，使得再生混凝土的生產(chǎn)工藝化零為整，提出了一整套較為完善地再生混凝土生產(chǎn)工藝[8]。

在國內(nèi)，再生混凝土的生產(chǎn)工藝起步較晚，但發(fā)展迅速，并形成了滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)需要的一整套十分完整的再生混凝土生產(chǎn)工藝[9]。再生混凝土在制備中，首先對廢舊混凝土進(jìn)行破碎與篩分，得到直徑為5～40 mm 的骨料，稱之為一級處理，隨后對一級處理獲得的骨料進(jìn)行加溫、破碎與篩分，該過程稱之為二級處理。值得注意的是，一級處理制備骨料僅適用于C30 以下混凝土，二級處理的骨料可用于C30 以上混凝土[10]。加溫時，要求溫度高達(dá)300℃并持時一段時間，因此，二級處理的經(jīng)濟(jì)合理性及使用有待商榷[10]。

2 再生混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

2.1 再生混凝土框架

框架是建筑物的重要抗震配件之一，其抗震性能或抗倒塌性能研究至關(guān)重要。Xiao 等[11]進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗，發(fā)現(xiàn)100%再生骨料取代率的試件具有最佳的延性，各試件的延性系數(shù)相近。曹萬林等[12]開展了2 層2 跨、2 榀1∶2 框架試驗，其中，試件1采用100%再生混凝土材料，結(jié)果表明兩試件均符合“強(qiáng)柱弱梁”的要求，其破壞機(jī)理及特征均一致。張鵬等[13]對現(xiàn)有試驗進(jìn)行ANSYS 有限元分析，證明了該法在再生混凝土框架模擬中的合理性，并獲得了各截面材料的應(yīng)力云圖與變形曲線。肖建莊等[14]對開展了某再生混凝土結(jié)構(gòu)的三維六自由度振動臺試驗，模型為1∶4 縮尺的6 層2 跨2 開間框架。發(fā)現(xiàn)在相同地震動作用下，各樓層的最大層剪力和最大傾覆力矩總體上隨高度遞減。通過數(shù)據(jù)擬合得到的剪力系數(shù)和動力放大系數(shù)，結(jié)合滯回特性和四折線型恢復(fù)力模型，對結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，并基于變形和能量組合雙破壞準(zhǔn)則評估了抗震能力。經(jīng)過多次振動臺試驗，發(fā)現(xiàn)它的破壞情況較為嚴(yán)重，但在9 度罕遇下并未倒塌，說明其抗倒塌性能較好。雷斌等[15]發(fā)現(xiàn)預(yù)制或現(xiàn)澆的施工工藝對再生混凝土框架延性影響極小。

2.2 鋼與再生混凝土組合框架

再生混凝土初始損傷對結(jié)構(gòu)受力性能影響較大，增加結(jié)構(gòu)含鋼率能夠有效緩減甚至避免再生骨料性能較差帶來的負(fù)面影響。張向?qū)鵞16]發(fā)現(xiàn)取代率為100%時，再生混凝土框架梁發(fā)生彎剪破壞或彎曲破壞，屬于梁鉸破壞機(jī)制；破壞時，框架模型的粘滯阻尼系數(shù)均不低于0.2，表現(xiàn)出良好的耗能性能；最后，通過對模型的破壞位移轉(zhuǎn)角為1/41 和1/30 的抗震性能進(jìn)行研究后建立了“三水準(zhǔn)”下的性能水準(zhǔn)目標(biāo)。孟二從[17]對再生混凝土柱- 再生混凝土深受彎梁組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，該結(jié)構(gòu)為8 榀方鋼管框架結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了模型的抗震性能試驗，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料和再生細(xì)骨料分別用于填充方鋼管和填充墻；框架模型以剪切破壞為主，柱底產(chǎn)生壓彎塑性鉸，填充墻局部壓壞、脫落，并提出了抗剪承載力的理論計算方法，計算值與試驗值吻合較好。而毛捷[18]則通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)100%再生骨料取代情況下結(jié)構(gòu)，其抗震性能良好。李帥[19]同時通過模型試驗和數(shù)值模擬對方鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)延性系數(shù)范圍為3.35～3.43。此外，研究還發(fā)現(xiàn)增加再生混凝土的強(qiáng)度等級、鋼材的屈服強(qiáng)度和柱鋼管的厚度均有助于提高模型的抗震性能。胡樂樂[20]采用了ANSYS 和SPA2000 等軟件，對10 層鋼管混凝土和鋼管再生混凝土框架體系進(jìn)行了分析，這些分析結(jié)果均為鋼管混凝土和鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能評估提供了重要的參考。任瑞、劉菲、崔蔓蔓、羅崢和雷思維[21-25]發(fā)現(xiàn)填充墻優(yōu)先破壞，其次是梁端柱腳的塑性鉸破壞，說明隨著填充墻的增加，剛度退化速率增加；拉筋間距的減小，結(jié)構(gòu)的承載力與延性均增加；承載力與初始剛度排序為空框架＜半高砌筑填充墻框架＜全高砌筑填充墻框架，延性與耗能三者接近；隨高寬比的增加，承載力、初始剛度、剛度退化速率均增加，延性減??；性能評估發(fā)現(xiàn)，在空框架填砌墻體，即使填砌不規(guī)則，所得結(jié)構(gòu)均能很好的滿足抗震設(shè)防要求，處于安全范圍。王召猛[26]基于肖建莊等[21-25]對再生混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究，對Pushover 分析了4 層、8 層和12 層的框架，認(rèn)為裝配式鋼筋再生混凝土框架結(jié)構(gòu)均具有較好的抗震能力，最后總結(jié)出了該框架模型再生骨料取代率與滯回耗能的規(guī)律。鄭志毅[27]研究了100%取代率和不同粉煤灰摻量（10%、15%、20%、25%、30%）下再生混凝土掛墻板在抗壓、抗?jié)B、抗熱下的抗彎性能，以期將研究成果應(yīng)用于福建省具有抗?jié)B要求和熱工性能要求的裝配式結(jié)構(gòu)工程中，研究表明，由100%再生粗骨料取代率和15%粉煤灰摻量制備的裝配式結(jié)構(gòu)再生混凝土掛墻板具有最優(yōu)抗?jié)B性能，如果外掛墻體為非承重部件，30%粉煤灰摻量也滿足抗?jié)B要求；其中，100%取代率和30%粉煤灰摻量、150 mm墻板厚，結(jié)構(gòu)保溫性能最優(yōu)，可用于福建省裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計。紀(jì)昌威[28]對1 榀鋼框架- 再生混凝土墻板結(jié)構(gòu)和3 榀單層單跨鋼框架- 預(yù)制再生混凝土墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周反復(fù)荷載破壞試驗，建立了三維精細(xì)化有限元模型；墻厚、再生混凝土強(qiáng)度、高跨比、軸壓比對結(jié)構(gòu)抗震性能影響不容忽視；在多遇地震、基本烈度下，滿足最大彈性變形和“小震不壞”要求，具有足夠的承載力，達(dá)到了“生命安全”的性能目標(biāo)；在罕遇地震下，其彈性變形滿足層間位移限值，延性較好，滿足“防止倒塌”要求。

3 再生混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與工程實例

在我國，針對再生混凝土再利用的研究起步晚、起點低、發(fā)展迅速，在“十三五”規(guī)劃后迎來了迅速發(fā)展的契機(jī)，取得大量系統(tǒng)的研究成果和技術(shù)規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)[29]。相關(guān)規(guī)范規(guī)定了再生粗、細(xì)骨料的選取，為后續(xù)再生混凝土的制備和使用提供了科學(xué)依據(jù)。為了進(jìn)一步推廣技術(shù)應(yīng)用，國家出臺了《工程施工廢棄物再生利用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50743—2012），住建部于2018 年發(fā)布了《再生混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 443—2018）。通過這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定和推行，給予了再生混凝土科學(xué)應(yīng)用的契機(jī)。

與上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程相比，再生混凝土應(yīng)用于工程要早許多，如2002 年的新江灣機(jī)場道路、2003 年的同濟(jì)大學(xué)剛性路面、2004 年的上?？招钠鰤K砌體試點房屋、2009 年的四川都江堰示范工程、2011 年的北京建筑工程學(xué)院土木與交通學(xué)院第六實驗樓（如圖1 所示）以及陜西省于2019 年建成了首個再生混凝土示范工程，即臨潼綠色產(chǎn)業(yè)園項目辦公樓（如圖2 所示）。這些實際工程案例的建設(shè)和成功應(yīng)用進(jìn)一步驗證了再生混凝土技術(shù)的可行性和可靠性。研究表明[30]，再生混凝土結(jié)構(gòu)體系的承載能力均弱于同等級強(qiáng)度的普通混凝土結(jié)構(gòu)體系。對于再生混凝土構(gòu)件的計算，有必要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p處理，以考慮其相對較低的強(qiáng)度和其他特性，這樣的折減計算方法可以有效地評估再生混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，并為工程設(shè)計和結(jié)構(gòu)安全提供準(zhǔn)確的依據(jù)。在上述工程中，在承載力計算中就采用了折減再生混凝土材料性能的方法，工程建成至今，再生混凝土結(jié)構(gòu)在各項性能指標(biāo)上表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)明顯的裂紋，沒有出現(xiàn)任何工程質(zhì)量問題。這些成功案例表明再生混凝土結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計和工程應(yīng)用方面取得了顯著的成果。這些結(jié)構(gòu)的良好性能證明再生混凝土的可靠性和可行性，為進(jìn)一步推廣和應(yīng)用再生混凝土結(jié)構(gòu)提供了有力的支持。這些成功案例不僅在工程實踐中得到驗證，也對再生混凝土的未來發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供了有益的借鑒。其他類型的工程實例，包括2004 年建成的同濟(jì)道路、2007 年建成的復(fù)旦道路、2012 年世博會建成的3 層展廳、2014 年揚州建成的5 層辦公樓、2008 年四川災(zāi)后重建以及2016 年上海建成的12 層寫字樓，使用至今，依然具有良好的壽命保障和承載力。

圖1 北京建筑工程學(xué)院第六實驗樓

圖2 臨潼綠色產(chǎn)業(yè)園項目辦公樓

關(guān)于再生混凝土結(jié)構(gòu)體系的落地工程較少，但研究成果系統(tǒng)且豐碩，在綠色建筑與資源可持續(xù)、循環(huán)利用的創(chuàng)想下，亟需進(jìn)一步大力推廣，來解決環(huán)境與資源危機(jī)問題。

4 結(jié) 論

（1）建筑固廢資源化是實現(xiàn)新型建筑材料的根本路徑，將建筑廢棄材料分類后的再利用，有利于形成建筑生命周期“閉環(huán)”。但再生混凝土技術(shù)依然困難較多，諸如交叉學(xué)科探析、新舊結(jié)構(gòu)維護(hù)等均弱于普通混凝土，因此再生混凝土的推廣應(yīng)用范圍較局限。進(jìn)一步研究和改進(jìn)再生混凝土的強(qiáng)度、耐久性、磨耗性能、力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能，探索方法和材料的改良，使其達(dá)到高性能水平，可以有效增強(qiáng)其在建筑領(lǐng)域的可行性和競爭力。這將為可持續(xù)建筑發(fā)展和資源循環(huán)利用做出重要貢獻(xiàn)。

（2）原生與再生混凝土物理性能試驗發(fā)現(xiàn)，二者存在較多差異。在再生骨料的破碎過程中，常會出現(xiàn)細(xì)小裂紋和空洞，這對結(jié)構(gòu)的微觀力學(xué)穩(wěn)定性造成不利影響。因此，尋求或提出更優(yōu)化的再生混凝土破碎工藝變得尤為迫切。此外，考慮微觀損傷效應(yīng)對再生混凝土性能的提升具有關(guān)鍵意義。因此，未來的研究應(yīng)側(cè)重于發(fā)展針對再生骨料的優(yōu)化破碎工藝，以減少細(xì)小裂紋和空洞的生成，從而提升再生混凝土的性能。同時，考慮微觀損傷效應(yīng)，進(jìn)行性能改進(jìn)和優(yōu)化，對實現(xiàn)再生混凝土各項性能的提升至關(guān)重要。

（3）再生混凝土應(yīng)該與混凝土區(qū)別開，包括施工工藝、配合比等方面，混凝土廠家批量化再生骨料或再生混凝土的做法是不可取的。應(yīng)該充分認(rèn)識二者差異，探析并制定滿足再生混凝土的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在確保它滿足正常使用和極限承載力要求下，具有良好的質(zhì)量保證和耐久性可靠度需求，才能將它普及推廣。