再生骨料損傷機理研究進展★

郝貴強，馮寒非，趙媛媛，于海豐，趙婼婷

(1.中土大地國際建筑設計有限公司，河北 石家莊 050046；2.河北科技大學建筑工程學院，河北 石家莊 050000；3.河北省巖土與結構體系防災減災技術創新中心(籌)，河北 石家莊 050018；4.河北科技大學智能低碳裝配式建筑技術研究中心，河北 石家莊 050018)

0 引言

基建建設是人類社會發展的基礎條件，也是我國乃至世界發展的前提。然而，隨著舊建筑拆除和新建筑落成，面臨大量建筑垃圾無處安置危害環境，同時，建材日益枯竭也威脅著基建工程的發展。再生混凝土可為解決這一問題提供新的思路。具有多種強度等級、輕質、保溫等優點的再生混凝土，其在減少天然砂石資源消耗的同時，處理了建筑垃圾。社會發展使20世紀的舊建筑面臨拆除，混凝土、黏土磚在我國建筑垃圾中占據重要部分。然而，當前關于再生骨料混凝土研究還比較少，關于強度、耐久性、損傷機理等問題缺乏認知，這一問題嚴重阻礙了再生骨料混凝土的設計和應用。強度、耐久性、損傷機理等問題與骨料品質、優化配比等密切相關，從微觀角度分析再生骨料損傷機理，為今后提升再生混凝土強度提供研究方向。

1 研究背景及意義

2020年4月住建部發布《住房和城鄉建設部建筑市場監管司2020年工作要點》，文件中提出要大力推行綠色建造的發展，推進建筑垃圾源頭化處理[1]。近年來建筑行業迅速發展，我國大量舊建筑被拆除和新建筑落成，隨之而來的是拆除的舊建筑垃圾以及新建筑施工中產生的垃圾無處安置。同時，天然的建筑材料由于過度開采也面臨枯竭，同樣阻礙了建筑行業的發展[2]。針對建筑垃圾循環利用、再生混凝土研究，國內外專業學者做了大量研究工作[3-5]。受骨料性能影響，再生混凝土抗壓強度、抗拉強度和抗折強度都普遍低于普通混凝土[6-8]。但如果嚴格控制磚骨料顆粒級配會減緩再生混凝土強度的下降趨勢[9-10]。

對再生混凝土的研究，有利于推進我國建筑行業可持續化發展，緩解天然砂石資源短缺問題，但由于國內研究再生混凝土較晚，在國內大規模推廣還存在很多問題，技術參數及基本指標還不完善，需要對其進行系統性的研究。

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，提出最優配合比。同時結果表明：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、細骨料在混凝土、砂漿、墻體材料以及可回收水泥生產的原材料或助劑中的應用。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水泥(GRC)中的天然砂，研究發現廢磚再生骨料具有火山灰效應，對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。利用立方體的試驗分析，確定建筑垃圾、土壤和水泥的最佳配比，試驗復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骨料，制備了不同水泥-砂比和水-固比的受控低強度材料(CLSM)混合物。通過試驗不同水泥-砂和水-固的配合比下強度分析，建立了準確預測CLSM混合物抗壓強度的擬合模型。

2014年，張昌[16]采用三種長度的竹纖維，在不同摻量下對竹纖維混凝土進行單軸壓、劈拉和彎折試驗。結果顯示：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行試驗，在其基礎上加入了鋼纖維，對鋼纖維再生混凝土進行韌性及延性的研究，給出了用纖維因子為參數的損傷本構關系。

從經濟、使用效果等多方面綜合考慮，實現廢棄黏土磚最優資源再利用。將廢棄的黏土磚進行初級破碎作為混凝土粗骨料，需要對碎磚骨料本身低強度和吸水率高等缺陷進行改善。

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骨料和再生微粉配置受控性低強度材料，提出適宜的水粉比、砂灰比等配合比參數，根據目標需要提供合適的水粉配合比。再生細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、黏結力、與其他材料適應性等為主要研究方向。在對使用建筑廢棄黏土磚制備高活性摻合料的研究發現，其品質相當于礦粉S95級，可以滿足配制強度等級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，但分析性能發現，若再生細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、黏結力、與其他材料適應性，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，加入堿性激發劑等建筑廢料生產再生混凝土砌塊的方法，并優化確定了代替材料的配合比[21]。2016年，楊樹森[22]對摻加聚丙烯纖維的再生細骨料混凝土進行研究，優化了纖維再生細骨料混凝土配合比。2017年，Huang等[23]研究采用聚酯纖維增強塑料作為再生骨料混凝土圍封材料，試驗結果表明再生骨料混凝土的承載能力明顯增強。聚酯纖維增強塑料材料成本低、抗拉應變能力大，與低強再生混凝土有很好的協同工作能力。2019年，Gyurko測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度、熱導率和耐久性能。試驗結果表明：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]在前期研究開發與環境和結構有利的砌體單元的基礎上，提出一種填充新單元，通過與以往不同填充形式框架研究成果對比，對前期填充單元進行改善，增加框架填充交互作用的積極方面。Li和Kou[25-26]試驗發現再生混凝土在抗壓強度、抗拉強度和抗折強度等方面普遍要低于普通混凝土，但嚴格控制磚骨料的顆粒級配會使再生混凝土強度的這種下降趨勢減弱[27]。

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

3 再生骨料的強化

3.1 再生骨料強化機理

將混凝土、黏土磚初級破碎作為混凝土粗骨料，并對再生骨料本身存有的低強度、高吸水率、耐久性缺陷等進行改善，改善機理如圖1(a)～圖1(c)所示,T1指原生粗骨料與附著化學試劑界面、T2指原生粗骨料內部裂縫與附著化學試劑界面、T3指附著化學試劑與水泥硬化層界面，使強化磚骨料達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，從微觀層面對不同強化效果作用機理和損傷機理進行分析，結合再生混凝土工作性能和力學性能指標，研究材料微觀結構與宏觀力學性能內部聯系，為再生骨料資源再利用提供設計和實際應用數據參考。

3.2 再生骨料強化方式及效果

對再生粗骨料研究多是以提高強度、降低吸水性以及規整形狀等達到強化效果作為研究重點，且研究表明，機械強化后的再生骨料顆粒光滑、吸水率低、粒形好，可減少環境污染[28]。但物理強化前期投入成本大，處理效果采用適當的化學漿液或溶液，通過浸泡、干燥、滲透等強化工藝，能夠有效地填充再生骨料內外部的微裂紋、孔結構[29]。并發現使用聚合硫酸鋁浸漬和水玻璃浸漬的化學強化效果優于物理強化，當物理強化與化學強化協同工作的強化效果最佳。在微觀層面發現，經過化學強化處理后的再生粗骨料表面缺陷和內部裂縫，可以很大程度上的被反應產物改善[30]。對再生骨料進行碳化強化處理，可以減少界面過渡區孔隙，使其結構更加致密，從而改善再生骨料的舊界面過渡區域的強度[31]。通過對再生粗骨料吸水速率高、吸水速度快的特點分析，研究表明不同含水率對再生混凝土的力學性能也有很大的影響，并且拌合物中的自由水量對其靜態屈服應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粗骨料進行強化，浸泡5 h時可明顯降低壓碎指標值，從抗壓性能的角度，歸納對比了再生混凝土與普通混凝土強度差異，但對于其他力學性能以及硅灰水泥漿液強化粗骨料機理并未系統研究。肖建莊課題組配制具有不同配合比的再生混凝土進行凍融后的抗凍和力學性能試驗。試驗表明，再生混凝土的抗凍性及凍融循環強度隨著再生粗骨料取代率的增加而下降[34]。當再生骨料取代率為30%，Na2SO4體積濃度5%時，發現隨水灰比的增大，再生混凝土表面剝蝕程度越嚴重，界面過渡區越薄弱，各項性能指標劣化越顯著[35]。在NaCl和Na2SO4溶液浸泡下，顯微追蹤S和Cl元素時，發現界面過渡區是再生混凝土離子侵蝕的主要通道，如圖2所示[36]。

近年來，國內外有關利用CO2固化來提高RA及制備RAC性能的研究也逐漸增加。CO2固化產物可以填充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的強度[37-38]。

再生骨料強化改性可以有效改變再生混凝土受破壞形式，提高其抗壓強度。消除舊界面過渡區對再生混凝土的劣化影響后，再生骨料本身性能對再生混凝土的影響同樣重要，通過強化手段使再生骨料品質提升，是磚骨料再生混凝土最佳選擇。

3.3 再生骨料混凝土本構關系

骨料作為混凝土主要受力骨架，當骨料強度不足時，材料力學性能無法被充分利用，為更明確混凝土工作性能和破壞機理，展開對再生骨料模型研究。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上，對再生混凝土的破壞演變進行了分析，并對其裂縫發生、發展、應變分布和發展狀況進行了研究，提出再生骨料方位對再生混凝土損傷的演化規律[40]。呂西林研究了再生粗骨料取代率、水灰比和壓應力比在壓剪復合荷載作用下對再生混凝土剪切強度的影響[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，獲得整體應變場和界面過渡區域的局部應變場，通過對再生混凝土的裂縫發展和破壞機制的分析，發現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度高[42]。也有研究表明，混凝土強度的提升主要取決于再生骨料架構貢獻強度的增大，見圖3，圖4[43]。

相比于物理和化學強化再生骨料方式，微生物強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渡區[45]。

影響再生磚骨料混凝土的力學性能規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、影響磚骨料再生混凝土破壞形式改變的因素，均未見到過多研究，這導致再生磚骨料的發展和應用受到限制。

4 未來研究展望

目前，再生混凝土的研究已取得了很多有價值的成果，從材料種類、材料配合比、材料破碎程度等方面對再生混凝土進行深入研究。但目前仍面臨著若干問題，有待進一步研究：

1)目前研究表明，再生骨料本身的力學特性與天然骨料表現出明顯的不同，若沿用普通混凝土配合比設計配比，再生混凝土很難滿足使用要求，所以對不同再生骨料進行不同的配合比研究是未來的研究重點。

2)目前研究通過同時摻入粉煤灰和高效減水劑，可通過改善其保水性、黏聚性和流動性，達到提高耐久性的效果。未來提高再生混凝土耐久性的研究重點可以為改善再生混凝土骨料的舊截面過渡區以提高混凝土的抗滲透性能。

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

4)當前的研究成果表明，再生混凝土工作性能受其再生骨料類型、品質、水灰比、強化方式及骨料取代率多方面影響，且受其地區、原材料質量影響，表現明顯的差異，現有研究多針對再生混凝土骨料的性能，但對其的適用性研究需進一步開展。

5 結語

目前，再生混凝土的研究已取得了很多有價值的成果，從材料種類、材料配合比、材料破碎程度等方面對再生混凝土進行深入研究。再生混凝土將建筑廢料、垃圾等一些無法直接二次利用的材料，作為添加物或替換物重新應用到建筑建造中，減少建筑垃圾對環境的影響。關于強化磚骨料再生混凝土主要參數影響其力學性能規律以及損傷機理的問題，當前研究比較有限。而我國建筑垃圾逐年增加，為推動廢建筑垃圾資源化，亟需針對再生骨料混凝土開展深入研究。同時，近年來我國基建資源逐漸短缺，強化磚骨料再生混凝土的研究可以給我國基建材料注入新的血液。