再生混凝土研究綜述

王 鶴 亭

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán) 國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710075)

0 引言

十三五期間，國(guó)家圍繞科學(xué)發(fā)展的主線(xiàn)，提出了以綠色、生態(tài)、低碳理念指導(dǎo)城鄉(xiāng)建設(shè)，積極探索最大效率利用資源和最低限度影響環(huán)境的建設(shè)發(fā)展模式[1]，為再生混凝土材料的相關(guān)研究及工程應(yīng)用提供了良好的機(jī)遇。再生混凝土能夠從根本上解決廢棄混凝土的出路問(wèn)題，既能減輕廢棄混凝土對(duì)環(huán)境的污染，又能節(jié)省天然骨料資源，減少對(duì)自然資源和能源的消耗，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色建筑的主要途徑之一[2]。從節(jié)能環(huán)保方面講，再生混凝土原料來(lái)源于建筑垃圾，對(duì)建筑垃圾進(jìn)行了再利用、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，同時(shí)降低建筑成本。因此，開(kāi)展再生混凝土的相關(guān)研究，推廣再生混凝土在工程上的應(yīng)用，對(duì)發(fā)展綠色、生態(tài)、低碳的建設(shè)模式起到十分重要的作用。

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014年我國(guó)商品混凝土的消費(fèi)量為15.54億m3，并仍呈上升趨勢(shì)。混凝土中砂骨料占總質(zhì)量的80%以上，因此需要進(jìn)行大量的開(kāi)山采石來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的混凝土供應(yīng)量，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。另一方面，由于市政拆遷改造、無(wú)序、重復(fù)建造等因素的存在，建筑垃圾也在不斷增加，其中廢棄混凝土占了很大的比例。一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本和歐洲等國(guó)家對(duì)廢棄混凝土的再利用研究進(jìn)行的較早，第二次世界大戰(zhàn)以后，德國(guó)、日本、新加坡等國(guó)對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究和再生利用，已經(jīng)召開(kāi)過(guò)多次有關(guān)廢棄混凝土再利用的專(zhuān)題國(guó)際會(huì)議，提出混凝土必須綠色化。混凝土的利用已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家所共同研究的課題，有些國(guó)家還采用立法形式來(lái)保證有關(guān)再生混凝土的專(zhuān)項(xiàng)研究和應(yīng)用，并已將研究成果大量運(yùn)用到實(shí)際工程中，如圖1所示即為新加坡三和建筑公司利用100%再生骨料建造的三和環(huán)保大廈。我國(guó)對(duì)于再生混凝土的研究起步較晚，目前尚處于研究階段。因此，對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行研究和再利用已經(jīng)成為混凝土走可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

綜上所述，對(duì)再生混凝土材料進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析與試驗(yàn)研究，建立該結(jié)構(gòu)的理論分析模型和設(shè)計(jì)方法，對(duì)于完善我國(guó)的建筑材料體系，順應(yīng)我國(guó)建設(shè)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，具有重大的實(shí)際工程價(jià)值和理論意義。

1 再生混凝土研究進(jìn)展

1.1 材料性能

早期，再生混凝土的應(yīng)用主要集中在路基、路面及非承重構(gòu)件方面[3]。在材料力學(xué)性能方面，肖建莊等[4]系統(tǒng)研究了再生混凝土抗壓強(qiáng)度與再生粗骨料取代率、水灰比、齡期及表觀密度之間的關(guān)系。Bairagi等[5,6]給出了不同骨料取代率下再生混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)，指出不同再生粗骨料取代率的本構(gòu)關(guān)系相似，但下降段有所不同。A.G.Razaqpur等[7]研究了再生混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的蠕變、收縮以及其耐久性，總結(jié)出再生混凝土的性能主要取決于再生骨料的配合比以及其強(qiáng)度。M.C.Limbachiya等[8,9]對(duì)再生混凝土骨料的強(qiáng)度以及粗骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度、耐久性、抗碳化、硫酸鹽侵蝕的影響進(jìn)行了研究。王博等[10]提出了三段式的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。崔正龍等[11]通過(guò)對(duì)比強(qiáng)度試驗(yàn)和碳化試驗(yàn)評(píng)價(jià)了再生混凝土內(nèi)部存在的界面過(guò)渡區(qū)與混凝土性能的關(guān)系。

1.2 基本構(gòu)件

在基本構(gòu)件方面，吳瑾等[12]對(duì)再生混凝土梁進(jìn)行了正截面彎曲性能試驗(yàn)，分析了再生混凝土梁短期剛度及其計(jì)算方法。劉超等[13]對(duì)再生混凝土梁在長(zhǎng)期荷載作用下裂縫寬度的變化進(jìn)行了試驗(yàn)，給出了再生混凝土梁裂縫隨時(shí)間變化的發(fā)展規(guī)律。肖建莊等[14]進(jìn)行了鋼管約束再生混凝土圓柱軸壓試驗(yàn)，分析了試件的破壞特性及約束再生混凝土的橫向變形系數(shù)變化規(guī)律。吳波等[15,16]針對(duì)大尺度廢棄混凝土塊循環(huán)利用技術(shù)，提出再生混合構(gòu)件概念，對(duì)薄壁鋼管再生混合柱、U型外包鋼再生混合梁及外包薄鋼板再生混合墻等構(gòu)件進(jìn)行了系統(tǒng)研究。陳宗平等[17]對(duì)方鋼管再生混凝土柱進(jìn)行了系列試驗(yàn)，對(duì)其主要影響因素進(jìn)行了深入研究。薛建陽(yáng)等[18]對(duì)型鋼再生混凝土柱的破壞形態(tài)和抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1.3 結(jié)構(gòu)體系

在結(jié)構(gòu)體系方面，孫躍東等[19]對(duì)再生混凝土框架進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，對(duì)比評(píng)價(jià)了再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。柳炳康、白國(guó)良等[20,21]對(duì)再生混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)。姚謙峰等[22]對(duì)再生混凝土密肋復(fù)合墻體的破壞機(jī)制和抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。張建偉等[23]分析了各種形式再生混凝土剪力墻體的抗震性能及耗能機(jī)理，明確了再生混凝土剪力墻的適用范圍和受力特點(diǎn)。

2 再生混凝土材性試驗(yàn)研究

再生混凝土材性試驗(yàn)由再生混凝土試件及普通混凝土試件兩部分組成，普通混凝土骨料取自天然骨料，再生粗骨料取自實(shí)驗(yàn)室廢棄的混凝土試件，人工破碎成尺寸10 mm～30 mm的混凝土塊體，如圖2所示。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，配制比例詳見(jiàn)表1。在試件澆筑時(shí)同時(shí)制作100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，與試件同條件養(yǎng)護(hù)，達(dá)到28 d養(yǎng)護(hù)齡期后，根據(jù)GB 50081—2002混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[24]實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及彈性模量，試驗(yàn)后的再生混凝土試件如圖3所示。

表1 混凝土配制比例

混凝土類(lèi)型水灰比砂率1 m3混凝土用量/kg水泥水砂石配合比(水泥∶水∶砂∶石)再生混凝土0.360.315001555601 1851∶0.31∶1.12∶2.37普通混凝土0.360.344721416271 1601∶0.30∶1.33∶2.46注:砂子含水率按5%計(jì)算

再生混凝土的抗壓強(qiáng)度及彈性模量如表2所示。由表2可以看出，再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度較普通混凝土低約10%，彈性模量較普通混凝土低約25%。由此可以看出，相對(duì)于普通混凝土而言，再生混凝土具有足夠的強(qiáng)度，可應(yīng)用于混凝土路面等基本的建筑構(gòu)件。

表2 混凝土力學(xué)性能

3 結(jié)語(yǔ)

由以上闡述的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從基本材料力學(xué)性能、基本構(gòu)件、結(jié)構(gòu)體系三個(gè)方面對(duì)再生混凝土進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。基本材料力學(xué)性能方面，對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、配合比、再生粗骨料取代率與強(qiáng)度的關(guān)系，得到了有益的結(jié)論；基本構(gòu)件方面，對(duì)再生混凝土梁、柱、鋼管再生混凝土柱等構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得出其較普通混凝土的力學(xué)性能略有下降，但在一定范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)體系方面，對(duì)再生混凝土框架的整體性能進(jìn)行了研究，可以看出，再生混凝土框架結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足一定的抗震要求，可應(yīng)用于一些次要建筑結(jié)構(gòu)中。