再生混凝土結構工程應用研究綜述

汪小南

（1.武漢市城市建設投資開發集團有限公司，湖北 武漢 430000；2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，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發展的需求，再生混凝土在建筑結構領域得到廣泛推廣[2]。建筑固廢資源化是將建筑廢棄多次分解與合成，加工成高品質原材料或回到原始狀態，來實現建筑固廢產業“閉環”[3]，進一步解決建筑固廢帶來的環境與社會問題[4]。在細微觀結構中，水泥基材料界面過渡區的復雜程度是區分原生與再生混凝土材料的關鍵，附著老砂漿存在是再生混凝土材料、構件及結構性能劣化的根本原因[5]。

再生混凝土完全或部分替代傳統混凝土的粗/細骨料，減少了山砂和山石開采，保護了生態的平衡[6]。在工程應用中，再生混凝土結構的使用較多，理論研究基礎扎實，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工藝和研究背景，并對近年來的研究成果和工程應用情況進行了綜述。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構進行了詳細的介紹，包括其研究現狀和應用情況。此外，學習了再生混凝土技術標準和部分實際工程實例，給出了推廣依據。

1 生產工藝

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

在國內，再生混凝土的生產工藝起步較晚，但發展迅速，并形成了滿足當前經濟技術需要的一整套十分完整的再生混凝土生產工藝[9]。再生混凝土在制備中，首先對廢舊混凝土進行破碎與篩分，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300℃并持時一段時間，因此，二級處理的經濟合理性及使用有待商榷[10]。

2 再生混凝土結構研究現狀

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重要。Xiao 等[11]進行了低周反復荷載試驗，發現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，結果表明兩試件均符合“強柱弱梁”的要求，其破壞機理及特征均一致。張鵬等[13]對現有試驗進行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力云圖與變形曲線。肖建莊等[14]對開展了某再生混凝土結構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。發現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。通過數據擬合得到的剪力系數和動力放大系數，結合滯回特性和四折線型恢復力模型，對結構的性能指標進行了分析，并基于變形和能量組合雙破壞準則評估了抗震能力。經過多次振動臺試驗，發現它的破壞情況較為嚴重，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]發現預制或現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構受力性能影響較大，增加結構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面影響。張向岡[16]發現取代率為100%時，再生混凝土框架梁發生彎剪破壞或彎曲破壞，屬于梁鉸破壞機制；破壞時，框架模型的粘滯阻尼系數均不低于0.2，表現出良好的耗能性能；最后，通過對模型的破壞位移轉角為1/41 和1/30 的抗震性能進行研究后建立了“三水準”下的性能水準目標。孟二從[17]對再生混凝土柱- 再生混凝土深受彎梁組合結構進行了設計，該結構為8 榀方鋼管框架結構，并進行了模型的抗震性能試驗，發現再生粗骨料和再生細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]則通過數值模擬，發現100%再生骨料取代情況下結構，其抗震性能良好。李帥[19]同時通過模型試驗和數值模擬對方鋼管再生混凝土框架結構進行了研究，發現延性系數范圍為3.35～3.43。此外，研究還發現增加再生混凝土的強度等級、鋼材的屈服強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行了分析，這些分析結果均為鋼管混凝土和鋼管再生混凝土框架結構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]發現填充墻優先破壞，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，結構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，延性減小；性能評估發現，在空框架填砌墻體，即使填砌不規則，所得結構均能很好的滿足抗震設防要求，處于安全范圍。王召猛[26]基于肖建莊等[21-25]對再生混凝土本構關系的研究，對Pushover 分析了4 層、8 層和12 層的框架，認為裝配式鋼筋再生混凝土框架結構均具有較好的抗震能力，最后總結出了該框架模型再生骨料取代率與滯回耗能的規律。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、抗滲、抗熱下的抗彎性能，以期將研究成果應用于福建省具有抗滲要求和熱工性能要求的裝配式結構工程中，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構再生混凝土掛墻板具有最優抗滲性能，如果外掛墻體為非承重部件，30%粉煤灰摻量也滿足抗滲要求；其中，100%取代率和30%粉煤灰摻量、150 mm墻板厚，結構保溫性能最優，可用于福建省裝配式結構的節能設計。紀昌威[28]對1 榀鋼框架- 再生混凝土墻板結構和3 榀單層單跨鋼框架- 預制再生混凝土墻結構進行低周反復荷載破壞試驗，建立了三維精細化有限元模型；墻厚、再生混凝土強度、高跨比、軸壓比對結構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，達到了“生命安全”的性能目標；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 再生混凝土技術標準與工程實例

在我國，針對再生混凝土再利用的研究起步晚、起點低、發展迅速，在“十三五”規劃后迎來了迅速發展的契機，取得大量系統的研究成果和技術規程與標準[29]。相關規范規定了再生粗、細骨料的選取，為后續再生混凝土的制備和使用提供了科學依據。為了進一步推廣技術應用，國家出臺了《工程施工廢棄物再生利用技術規范》（GB/T 50743—2012），住建部于2018 年發布了《再生混凝土結構技術標準》（JGJ/T 443—2018）。通過這些規范和標準的制定和推行，給予了再生混凝土科學應用的契機。

與上述技術標準與規程相比，再生混凝土應用于工程要早許多，如2002 年的新江灣機場道路、2003 年的同濟大學剛性路面、2004 年的上海空心砌塊砌體試點房屋、2009 年的四川都江堰示范工程、2011 年的北京建筑工程學院土木與交通學院第六實驗樓（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，即臨潼綠色產業園項目辦公樓（如圖2 所示）。這些實際工程案例的建設和成功應用進一步驗證了再生混凝土技術的可行性和可靠性。研究表明[30]，再生混凝土結構體系的承載能力均弱于同等級強度的普通混凝土結構體系。對于再生混凝土構件的計算，有必要進行適當的折減處理，以考慮其相對較低的強度和其他特性，這樣的折減計算方法可以有效地評估再生混凝土結構的承載能力，并為工程設計和結構安全提供準確的依據。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，再生混凝土結構在各項性能指標上表現良好，未出現明顯的裂紋，沒有出現任何工程質量問題。這些成功案例表明再生混凝土結構在抗震設計和工程應用方面取得了顯著的成果。這些結構的良好性能證明再生混凝土的可靠性和可行性，為進一步推廣和應用再生混凝土結構提供了有力的支持。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展和廣泛應用提供了有益的借鑒。其他類型的工程實例，包括2004 年建成的同濟道路、2007 年建成的復旦道路、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 北京建筑工程學院第六實驗樓

圖2 臨潼綠色產業園項目辦公樓

關于再生混凝土結構體系的落地工程較少，但研究成果系統且豐碩，在綠色建筑與資源可持續、循環利用的創想下，亟需進一步大力推廣，來解決環境與資源危機問題。

4 結 論

（1）建筑固廢資源化是實現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”。但再生混凝土技術依然困難較多，諸如交叉學科探析、新舊結構維護等均弱于普通混凝土，因此再生混凝土的推廣應用范圍較局限。進一步研究和改進再生混凝土的強度、耐久性、磨耗性能、力學性能和結構性能，探索方法和材料的改良，使其達到高性能水平，可以有效增強其在建筑領域的可行性和競爭力。這將為可持續建筑發展和資源循環利用做出重要貢獻。

（2）原生與再生混凝土物理性能試驗發現，二者存在較多差異。在再生骨料的破碎過程中，常會出現細小裂紋和空洞，這對結構的微觀力學穩定性造成不利影響。因此，尋求或提出更優化的再生混凝土破碎工藝變得尤為迫切。此外，考慮微觀損傷效應對再生混凝土性能的提升具有關鍵意義。因此，未來的研究應側重于發展針對再生骨料的優化破碎工藝，以減少細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，進行性能改進和優化，對實現再生混凝土各項性能的提升至關重要。

（3）再生混凝土應該與混凝土區別開，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。應該充分認識二者差異，探析并制定滿足再生混凝土的標準規范，在確保它滿足正常使用和極限承載力要求下，具有良好的質量保證和耐久性可靠度需求，才能將它普及推廣。