再生骨料混凝土现状问题与发展趋势.docx

再生骨料混凝土现状、问题与发展趋势摘 要： 通过大量国内外文献分析与研究,本文对再生骨料混凝土现状、 问题与发展趋势进行综述,主要包括再生骨料的性质、再生混凝土的配合比设计及工作性能、再生混凝土的力学性能、再生混凝土耐久性能、再生混凝土存在的问题与发展趋势等。研究表明，再生混凝土的力学性能和耐久性较普通混凝土差。但是，通过减小水胶比、掺加粉煤灰、减小再生骨料最大粒径、对再生骨料进行改性等措施可以改善再生混凝土的力学性质和耐久性。最后，结合环境保护和建筑业可持续发展，提出了关于再生混凝土需要进一步研究的问题和发展趋势。 关键词：再生骨料； 再生混凝土；现状；问题；发展趋势 1. 引 言 近二三十年来，随着我国城市化进程加快，建筑业进入高速发展阶段，大量旧建筑物被拆除， 产生了大量的建筑垃圾， 在建筑垃圾中作为最大宗的建筑材料废弃混凝土所占份额最大。目前，一方面，我国每年浇注混凝土约 1520 亿立方米，而混凝土中砂石骨料占总重量的 70%以上，因此我国每年的开山采石约为 1114 亿立方米。另一方面，我国每年废弃混凝土量约为 600 万立方米， 其中一小部分用于填筑海岸、 充当道路和建筑物的基础垫层外，绝大部分作为垃圾填埋，这不仅占用大量的土地（甚至是耕地），而且造成环境污染。为解决这些问题， 我们必须改变传统的混凝土生产方式， 将混凝土的生产方式转变到一个可持续发展的轨道上来。 再生骨料混凝土技术可实现对废弃混凝土的再加工， 使其恢复原有性能，形成新的建材产品，从而既能使有限资源得以利用，又解决了部分环保问题。这是发展绿色混凝土，实现建筑资源环境可持续发展的主要措施之一。 2. 再生混凝土的概念 再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）简称再生混凝土（Recycled Concrete），它是指将废弃混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然骨料（主要是粗骨料）配制而成的新的混凝土。相对于再生混凝土而言，把用来生产再生骨料的原始混凝土称为基体混凝土(Original Concrete)。再生混凝土按骨料的组合形式可以有以下几种：骨料全部为再生骨料；粗骨料为再生骨料、细骨料为天然砂； 粗骨料为天然碎石或卵石、 细骨料为再生骨料； 再生骨料替代部分粗骨料或细骨料。 3. 再生骨料的性质 3.1 再生骨料的物理特性 基体混凝土经过破碎处理生产的再生骨料含有 30%左右的硬化水泥砂浆，这些水泥砂浆大多数独立成块，少量附着在天然骨料的表面，同时由于在破碎的过程中，由于破碎机械使混凝土受到挤压、冲撞、研磨等外力的影响，造成损伤积累使骨料内部存在大量的微裂纹，使得基体混凝土块中骨料和水泥浆体的原始界面受到影响和破坏， 粘结力下降。 导致其相对于天然骨料吸水率高，吸水速度快，表观密度、堆积密度小，压碎指标大等特点。见表 1。 表 1 基体混凝土强度为 60Mpa 的再生骨料的性能再生骨料的吸水率大和吸水速度快，而且受基体混凝土的影响吸水率的离散性比较大。吸水率随着再生骨料的最大粒径的下降而提高， 而且随着基体混凝土强度的提高而下降。 一般再生细骨料的吸水率在 10%12，粗骨料的吸水率在 2.512，远远高于天然骨料的吸水率。同时，再生骨料的吸水速率也远远大于天然骨料，其中前 10 分钟的吸水速率最大，之后吸水速率下降，基本趋于饱和。主要是由于骨料表面附着砂浆，其孔隙率大，在短时间内即可吸水饱和， 10 分钟即可达到饱和程度的 85左右， 30 分钟可达到饱和程度的 95%以上，这些特性对再生混凝土的配合比设计和工作性产生较大的影响。 再生骨料的堆积密度和表观密度均小于天然骨料， 从目前的文献看， 其数值的离散性较大。再生细骨料的堆积密度为天然骨料的 7585，再生粗骨料的堆积密度为天然骨料的 85%以上； 再生细骨料的表观密度为天然骨料的 8085， 再生粗骨料的表观密度为天然骨料的 90以上。 再生骨料的压碎指标比天然骨料的压碎指标要高， 同时， 再生骨料的压碎指标还与基体混凝土的强度和加工破碎方法有很大的关系， 基体混凝土的强度越高， 再生骨料的压碎指标就越低，破碎过程中水泥浆体和砂浆脱落越多，压碎指标越低。 3.2 再生骨料的性能改善 再生骨料的性能改善现有机械活化和酸液活化两种:机械活化的目的在于破坏弱的再生碎石颗粒或去除黏附在碎石表面上的低强度水泥石残渣， 但是没有必要通过高耗能途径来进行机械活化， 一方面是不经济， 另一方面是会产生大量的粉末， 这些粉末处理起来非常困难;酸液活化是再生骨料通过在化学酸液中浸泡处理， 不仅可以提高再生骨料的强度， 改善再生混凝土的和易性，而且还可以使泊松比降低，徐变减少，但残留的酸性物质会对混凝土的弱碱性产生影响。杜婷等人分别用纯水泥浆、水泥外掺 Kim 粉混合浆液、水泥外掺硅粉液和水泥外掺级粉煤灰浆液对再生骨料进行浸泡增强,试验表明对再生骨料的强度有一定的增强，但从经济性方面来考虑，有其局限性。3.3 再生骨料的问题 在实验室中再生骨料的来源单一，质量相对均匀，再生骨料性质的离散性较低，而在实际生产中的再生骨料由于其来源很不稳定，质量不均匀，其本身的随机性能和变异性较大，将导致再生混凝土的抗压强度的变异性增加， 因此， 对骨料本身性能随机性和变异系数的研究对再生骨料的现实应用有着很大的影响。 现阶段废弃的混凝土均为基体混凝土强度较低的混凝土， 因此， 对再生骨料进行加强处理对提高再生混凝土的各种性能具有现实意义， 而现有的再生骨料强化处理措施在经济性和可行性上均具有一定的局限性，因此对再生骨料的性能的改善还有待进一步的研究探讨。 4. 再生混凝土的配合比设计及其工作性能 4.1 再生混凝土配合比 由于再生骨料各方面性质的不同于天然骨料,因此必须根据再生骨料的特点，对再生混凝土的配合比设计进行专门的研究，张亚梅3等的试验研究表明，当再生混凝土设计强度为C20 时，以普通混凝土配合比设计方法配制的再生混凝土的强度高于基准混凝土，但工作性能降低。在此基础上提出了再生骨料预吸水法，这种方法的用水量分为两部分，一部分为再生骨料所吸附的水， 另一部分为拌和用水， 这部分水用来提高混凝土的流动性并参与水泥的水化反应，吸附水的量根据试验确定，一般采用再生骨料浸泡 10 分钟时所吸收的水量。这种方法配制的再生混凝土具有较好的工作性能， 且坍落度的损失也为普通配合比设计的再生混凝土为小，但强度低于普通混凝土配合比设计的再生混凝土。 在配合比设计中，水灰比和强度之间的关系有着重要意义，根据孔德玉4等人的研究，再生混凝土 7d、 28d 强度与灰水比及净灰水比之间存在很好的线性关系， 其相关系数 r 均在0.97 以上，即混凝土强度和灰水比或净灰水比之间满足 Bolomey 公式线性关系，只是常数A,B 不同。而常数 A,B 与再生骨料的压碎指标有一定的关系，即随着压碎指标的增大，其斜率 A 逐渐减小，截距 B 逐渐增大，由此可以建立常数 A,B 与压碎指标之间的关系。孔德玉等人得出的不考虑压碎指标时再生骨料的常数 A,B 分别为 0.93 和 0.86， 但其的相关系数较低。为进一步研究再生混凝土的配合比设计， 应当进一步研究常数 A,B 与压碎指标和吸水率之间的关系。 4.2 再生混凝土物理性能 由于再生骨料比天然骨料的表观密度小， 因此再生混凝土的密度低于普通混凝土， 随着再生骨料掺量的增加， 再生混凝土的密度有规律的降低， 全部采用再生骨料的再生混凝土密度较普通混凝土降低 7.5%5。再生混凝土的自重低对于提高抗震性和保温性能有利。 4.3 再生混凝土的工作性能 在用水量相同的情况下，与基准混凝土相比，再生混凝土的坍落度减小，流动性变差，同时由于骨料表面粗糙，自重轻，增加了再生混凝土拌和物的摩擦阻力，使再生混凝土的粘聚性和保水性增强。研究发现，在保持用水量不变的情况下，随着再生骨料掺量的增加，混凝土的坍落度逐渐下降。Mukai 的实验研究表明，只采用再生粗骨料时，用水量需增加 5%，全部再生粗细骨料时，用水量需增加 15左右。柯国军6等的研究表明，当再生粗骨料的掺量为低于 60时，坍落度损失小，对施工影响不大，主要是由于再生粗骨料用量较少，吸水量较少。但当掺量超过 70时，再生混凝土的坍落度明显减低，影响到施工。再生混凝土的坍落度随水灰比的增大而增大，这和普通混凝土相一致。但在混凝土的搅拌工艺，泵送工艺，初凝时间和终凝时间的控制等方面还未见报道。 5. 再生混凝土的力学性能 5.1 再生混凝土抗压强度特征 与普通混凝土的抗压强度相比，再生混凝土的抗压强度约降低 532。其原因一般认为是再生骨料孔隙率较高， 在承受轴向应力时容易形成应力集中现象， 再生骨料与新旧水泥浆之间存在一些结合较弱的区域， 再者再生骨料本身的强度较低。 水灰比对再生混凝土强度有着主要的影响：当水灰比较大时，再生混凝土的抗压强度随着水灰比的增大而降低，这与普通混凝土相似， 但当水灰比较小时， 再生混凝土的强度并不能随着水灰比的降低而得到进一步的加强，其原因是水灰比较高时，再生骨料周围的水泥浆强度降低，混凝土的破坏始自水泥浆体的破坏。而水灰比较小时，水泥浆体具有相对较高的强度，混凝土破坏从强度相对较低的再生骨料开始，从而使混凝土的强度不能随着水灰比的下降而提高。另外，再生混凝土抗压强度随龄期的发展和普通混凝土一致。 再生骨料对再生混凝土强度的有一定的影响，但影响有限。Hansen7的实验研究表明：随着基体混凝土的强度降低，再生混凝土的抗压强度呈下降趋势。但是，对于不同强度等级的再生混凝土影响不同：配制强度较高的再生混凝土时，再生骨料的强度影响较大，配制中等强度的混凝土时影响次之， 配制低强度的再生混凝土时影响最小。 同时随着再生骨料含量的增加，再生混凝土的抗压强度降低。 值得指出， 再生骨料表面包裹着水泥砂浆， 使得再生骨料与新的水泥砂浆之间的弹性模量相差很少，界面得到加强。同时，由于再生骨料的亲水性强，能很快被水润湿，再生骨料表面的许多微裂纹会吸入新的水泥颗粒，使接触区的水化更加完全，形成致密的结构，使界面结合得到加强，再生骨料强度较低而导致的再生混凝土性能上的缺陷得到了一定的补偿，目前，有关再生混凝土的微观结构以及如何加强再生混凝土的强度还有待进一步研究。再生混凝土由于骨料来源的不均匀性，造成其抗压强度的变异系数较大，De Paw8的试验结果证实了这一点，配制的抗压强度为 41MPa,其强度标准差为 5 MPa，其变异系数为 12。对于搅拌站和施工现场，抗压强度的变异系数无疑将进一步增大，有关这方面的研究有待进一步开展，此外，关于再生混凝土抗压强度的概率分布规律，材料分项系数以及设计取值等未见报道，有待进一步研究9。 5.2 再生混凝土干缩与徐变 再生混凝土和普通混凝土一样， 随着水灰比的增大其干缩也增大。 再生混凝土的收缩率大于普通混凝土，这种增大的数值取决于基体混凝土的性能、再生骨料的来源和性能、以及再生混凝土的性能。同时，粘附在再生骨料上的水泥砂浆含量越高，再生混凝土的收缩率也越大。 通常认为其原因是再生骨料中有大量老旧的水泥砂浆附着其上或者再生骨料的弹性模量较低。后期由于黏附在再生骨料上的水泥水化不完全，也会导致更大的干缩10。 与普通混凝土相比，再生混凝土的干缩量和徐变量增加 4080。这影响到再生混凝土的推广和应用，如何降低再生混凝土的收缩和徐变，还有待进一步的研究。 5.3 再生混凝土的弹性模量 再生混凝土的弹性模量比普通混凝土低 3%-28%，视加入再生骨料的种类和数量的不同， 弹性模量会有较大的差异， 通常再生细骨料对弹性模量的影响比再生粗骨料的影响更为明显，当全部骨料为再生骨料时，弹性模量降低 30左右，而当粗骨料为再生骨料、细骨料为天然骨料时，弹性模量降低 528左右6. 再生混凝土的耐久性能 6.1 再生混凝土的抗渗性 B.C.S.J12通过试验研究了水灰比为0.50.7， 坍落度为210mm的再生混凝土的渗透性，结果表明，再生混凝土的渗透性为普通混凝土的 25 倍，而且试验结果较为离散。Rasheeduzzafar 和 Khan13比较了水灰比相同的再生混凝土与普通混凝土的渗透性，试验结果表明，再生混凝土的渗透性随水灰比的增大而增加。当水灰比较高时，再生混凝土的渗透性与普通混凝土差别不大；当水灰比较小时，再生混凝土的渗透性约为普通混凝土的 3 倍。Mandal14等人的试验研究了相同配合比的再生混凝土与普通混凝土的渗透深度和吸水率， 混凝土的水灰比为 0.4，水泥用量为 360kg/3。试验结果发现普通混凝土的渗透深度和吸水率分别为 18mm 和 4.1%， 而再生混凝土的指标为 25mm 和 5.9%， 分别较普通混凝土增加了 38%和 44%，表明再生混凝土的抗渗性能较相同配合比的普通混凝土差。综合以上试验结果可以看出，再生混凝土的抗渗性较普通混凝土差，其主要原因是由于再生骨料孔隙率较高，吸水率较大22。 6.2 再生混凝土的抗碳化性 Dhir 等人的研究表明，当再生骨料掺量为 50时，再生混凝土的碳化速度与普通混凝土相差不大，随着再生骨料掺量的进一步增加，再生混凝土的碳化速度略有增加。Otsuki15等人的试验也发现再生混凝土的碳化深度较普通混凝土略大， 同时随着水灰比的增加， 再生混凝土的碳化深度增加。其原因是由于再生骨料的孔隙率高，抗渗性差16。 6.3 再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性 关于再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性的研究较少。Mandal14的研究表明，再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性较同水灰比的普通混凝土略差。 这是由于再生混凝土的孔隙率高， 抗渗性差的缘故。Dhir17等人研究了再生粗骨料掺量分别为 0、20%、30%、50%、100%的再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性，实验结果表明：当再生骨料的掺量小于 30时，再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性与普通混凝土基本相同， 随着再生骨料掺量的增加， 再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性降低，但差别不大。 6.4 再生混凝土抗氯离子渗透性 Otsuki15等人研究了相同水灰比的再生混凝土和普通混凝土的抗氯离子渗透性， 发现再生混凝土的氯离子渗透深度较普通混凝土略大， 表明再生混凝土的抗氯离子渗透性差， 其主要原因是由于再生骨料的孔隙率高。 通过掺加粉煤灰可以改善混凝土的渗透性， 这是由于加入的粉煤灰填补了再生骨料中的裂纹或者是骨料与骨料之间的间隙， 使混凝土骨料与水泥砂浆的界面更加严密，从而使抗氯离子渗透性得到加强18。 6.5 再生混凝土的抗冻融性 Malhotrah19和 Buck20先后进行了不同水灰比再生混凝土的抗冻融性试验， 结果表明再生混凝土的抗冻融性并不低于普通混凝土，有些情况下甚至优于普通混凝土。Coquillat、Nottler、Karaa 等人的试验也得出了类似的结论。但是，Nishibayashi 和 Yamura21的试验则发现再生混凝土的动弹性模量和重量损失率均较普通混凝土高出很多， 表明其抗冻融性较普通混凝土差。 他们认为其原因是由于再生骨料吸水率较高。 近年来， Salem 等人、 Oliverira和 Vazquez 的试验也发现再生混凝土的抗冻融性较普通混凝土差。 造成上述研究结果差别较大的原因可能来自于再生骨料性能的差异。 6.6 再生混凝土的耐磨性 Dhir17等人研究了水灰比相同而再生骨料取代率不同的混凝土的耐磨性。试验结果发现，再生骨料取代率低于 50时，再生混凝土的磨损深度与普通混凝土差别不大，再生骨料取代率超过 50时，再生混凝土的磨损深度随着再生骨料取代率的增加而增加，当再生骨料取代率为 100时，再生混凝土的磨损深度较普通混凝土增加 34。Hansen7的试验表明，随着再生骨料尺寸的减小，其耐磨性明显降低。原因是再生骨料尺寸越小，其含有硬化砂浆颗粒的概率越大， 而砂浆的耐磨性较差。 再生骨料的耐磨性较差导致了再生混凝土的耐磨性较差， 如何提高再生混凝土的耐磨性是能否将其应用到路面工程中的关键技术之一， 需要进一步展开研究。 6.7 再生混凝土的抗裂性和其他性质 再生混凝土的极限延伸率为(2.53.0)10-4，同普通混凝土相比，再生混凝土极限延伸率增加 27.7。由于再生混凝土弹性模量低，拉压比高，因此再生混凝土抗裂性优于基准混凝土。关于再生混凝土的碱骨料反应、耐火性等未见研究报道，为了进一步推动再生混凝土的工程应用，关于这方面的研究亟待展开。 6.8 再生混凝土的耐久性的改善措施 总体来讲，再生混凝土的抗渗性、抗冻融性、抗硫酸盐侵蚀性、抗碳化能力、抗氯离子渗透性和耐磨性均较普通混凝土弱， 主要是由于再生骨料的孔隙率和吸水率较高的缘故。 再生混凝土的抗渗性可以通过减小水灰比或掺加粉煤灰加以改善； 通过降低水灰比、 减小再生骨料的最大粒径、 二次搅拌或采用半饱和面干的再生骨料可提高再生混凝土的抗冻融性； 掺加粉煤灰能提高再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性； 再生混凝土的抗碳化性和耐磨性可以通过减小水灰比得以改善； 掺加粉煤灰、 采用二次搅拌工艺能有效增加再生混凝土的抗氯离子渗透性。 7. 再生混凝土存在的问题与发展趋势 7.1 再生混凝土存在的问题 在配合比设计中， 水灰比和强度之间的关系有着重要意义， 因此有必要确定再生混凝土的强度和水灰比的关系式。而在确定水灰比和再生混凝土强度关系式时，即在中的 A 和 B 时,应首先对再生骨料分类， 根据不同种类的再生骨料，利用数理统计回归迭代的方法确定。 由于再生骨料分类问题并未很好解决， 因而 A 和 B 还有待确定。 国外的许多研究人员已经论述了再生混凝土质量与原生混凝土和砂浆性能、 原生混凝土损坏状况、 破碎方法和新混合料成分之间的关系。 一般认为粘附在再生骨料上的基体混凝土水泥砂浆胶结料、 砂浆和界面区的质量、 以及基体混凝土中砂浆含量对测定再生混凝土性能中起重要影响。 试验结果表明再生混凝土强度特性受一些关键因素的影响， 如基体混凝土强度， 基体混凝土中粗细骨料的比率， 基体混凝土中骨料最大粒径与再生混凝土骨料最大粒径之比及再生骨料的磨蚀损失和吸水性的影响。 这些因素还影响水灰比、 骨料最大粒径和干拌时间对再生混凝土强度特性的作用。在实际应用中，国内的情况与国外还有一定的差距，通常缺乏基体混凝土的资料，控制再生混凝土的质量就有了一定的难度。因而在使用时,必须对再生骨料和再生混凝土的性能进行测试。 另外， 经济性是阻碍再生混凝土大规模推广应用的主要原因之一。 由于再生骨料的生产要耗费较多的人力物力，致使目前的