再生水泥混凝土性能研究綜述

龔文劍，周勝波，柳 夢

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

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再生水泥混凝土性能研究綜述

龔文劍1，2，周勝波1，2，柳 夢1，2

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

文章對再生水泥混凝土集料的性質(zhì)、制備與分級，再生水泥混凝土的微觀構(gòu)造、物理力學(xué)性能，以及再生水泥混凝土工程運用等研究成果進行了匯總分析，提出了相關(guān)研究建議，以期能對再生水泥混凝土的研究與應(yīng)用提供指導(dǎo)與借鑒。

再生水泥混凝土；集料；性能；制備；應(yīng)用；綜述

0 引言

資料表明，水泥混凝土全球年產(chǎn)量已達42億m3，其中我國占比達到總產(chǎn)量的1/3。粗細(xì)集料作為水泥混凝土的主要成分，約占水泥混凝土總量的75%，可預(yù)見如若不采取有效措施，天然集料將被消耗殆盡[1]。此外，隨著城市化進程加快，房屋拆遷、改建等產(chǎn)生的建筑水泥混凝土廢料以及道路改擴建產(chǎn)生的水泥混凝土廢料與日俱增，如何有效處置水泥混凝土廢料成為亟需解決的問題?；谝陨显?，研究者將水泥混凝土廢料進行回收、破碎處理后制備成再生水泥混凝土集料(RCA—Recycled Concrete Aggregate)，并將其運用于建筑以及道路工程等領(lǐng)域。

為了對今后再生水泥混凝土的相關(guān)研究與應(yīng)用提供指導(dǎo)與借鑒，本文主要對以下幾個方面進行匯總分析并提出進一步研究建議：(1)RCA與天然集料的技術(shù)指標(biāo)對比，以及RCA的制備與分級；(2)RCA混凝土微觀構(gòu)造及其物理、力學(xué)性能；(3)RCA混凝土應(yīng)用。

1 RCA性能

RCA集料(實際使用時主要為粗集料)作為RCA混凝土重要組成成分，與新集料(亦稱天然集料，NA-Natural Aggregate)存在較大的性能差異，因此有必要對其與天然集料的性能對比進行探討。同時考慮由于來源與制備方式的差異導(dǎo)致RCA性能的差異，亦有必要對RCA破碎技術(shù)與分級標(biāo)準(zhǔn)進行相關(guān)分析，以促進我國RCA應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定。

1.1 RCA技術(shù)指標(biāo)與界面改性

國內(nèi)外用于評價再生骨料性質(zhì)的技術(shù)指標(biāo)主要有：表觀密度、吸水率、壓碎值、針片狀顆粒含量、氯化物含量、硫酸鹽含量、沖擊值、有機物含量等[2]。由于RCA來源、制備工藝的不同導(dǎo)致不同文獻RCA指標(biāo)參數(shù)存在較大的隨機性與變異性。但總體而言，RCA由于裹覆有疏松、輕質(zhì)的水泥砂漿，主要表現(xiàn)出表觀密度(或堆積密度)小、吸水率大、壓碎值大等特點[2，3]。其中RCA表觀密度與堆積密度分別為天然集料的85%與90%左右[4]，這主要是由于附著的水泥砂漿密度小于天然集料密度所致。吸水率也由于來源與制備的不同存在較大差異[5，6]，總體而言RCA吸水率均遠高于NA，且隨著天然集料吸水率的增大而增大。RCA壓碎值則與基體混凝土的強度和加工破碎方法有關(guān)，基體混凝土強度越高、破碎時水泥砂漿脫落程度越大則壓碎值越小[2]。

表1列舉了RCA與天然集料典型技術(shù)指標(biāo)對比[7]情況。

表1 RCA與NA主要技術(shù)指標(biāo)對比表

針對RCA與天然集料的性能差異，RCA界面改性處理也成為了學(xué)者關(guān)注的研究點?？紤]該差異主要是由附著的水泥砂漿引起，改性處理主要在于促進集料表面水泥砂漿的脫落。根據(jù)處理工藝的不同，界面改性處理可分為物理方法與化學(xué)方法[2]。其中物理方法主要是通過改善制備工藝進行實現(xiàn)；化學(xué)方法是指將RCA在聚合物、水泥砂漿以及酸、堿等化學(xué)漿液中進行浸泡、干燥處理。如肖開濤的研究表明采用聚合物(PVA溶液)和有機硅防水劑對RCA進行處理，可改善RCA性能[8]。

1.2 RCA制備

前述分析可知，RCA部分性能指標(biāo)較天然集料差，主要是由于裹附的水泥砂漿影響所致，而RCA制備方法直接影響著裹覆水泥砂漿含量。無論RCA還是天然集料，粒徑及界面性狀均會對混凝土性能影響產(chǎn)生較大影響，有必要對RCA制備技術(shù)引起重視。

侯景鵬等設(shè)計了帶有風(fēng)力分級設(shè)備的骨料再生工藝，可以通過風(fēng)力分級裝置以及洗塵設(shè)備對粒徑為0.15～5 mm細(xì)骨料進行篩選[9]，進而實現(xiàn)細(xì)骨料的再生利用，這為集料的分離處理提供了較好的制備思路。德國RCA生產(chǎn)有干法與濕法兩種制備工藝，其中干法可分為兩個處理階段：(1)預(yù)處理階段：該階段主要為分揀雜質(zhì)、初次破碎以及利用磁性分離機去除鐵質(zhì)；(2)粒組分化階段：二次篩分，利用空氣分離機對各粒組細(xì)小雜質(zhì)進行分離。濕法則是利用脈沖水流依據(jù)不同物質(zhì)密度不同進行篩選[10]。

以上研究成果均注重RCA的分離技術(shù)而忽略了關(guān)鍵的破碎技術(shù)，其多以顎式破碎并輔以人工方式進行RCA制備，并沒有專用的破碎機械與破碎工藝，這也是造成RCA測試數(shù)據(jù)具有較大變異性的原因之一。鑒于此，如長安大學(xué)基于硬化水泥混凝土的結(jié)構(gòu)組成與破碎機理，研發(fā)了壓研破碎技術(shù)來制備RCA，以提高其集料的性能與制備效率，通過相關(guān)研究其取得了較好的試驗效果[1]。循環(huán)壓研技術(shù)主原理在于運用兩塊相對轉(zhuǎn)動的粗糙錐面襯板對再生水泥混凝土塊連續(xù)施加擠壓、剪切、搓研和摩擦作用力，使混凝土微結(jié)構(gòu)中最薄弱組成相——集料與水泥砂漿界面過渡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力和剪應(yīng)力甚至拉應(yīng)力的聯(lián)合作用，從而導(dǎo)致裂縫拓展以致破壞分離。

1.3 RCA分級

由于來源與制備的差異，導(dǎo)致RCA性能指標(biāo)差異性較大，為了保證物盡其用，建立合適的分級方法以保證RCA在不同領(lǐng)域的應(yīng)用尤為必要。日本作為最早使用RCA的國家，早在1977年就制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》，并在RCA的制備上形成了一套完整的制備工藝[2]。在英美，BS(英國標(biāo)準(zhǔn))和ASTM美國材料試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)也采用了最低表觀密度、最大吸水率、最大針片狀含量以及最大氯含量等評價指標(biāo)對不同應(yīng)用領(lǐng)域RCA指標(biāo)進行了限定[2]。我國雖還未制定相應(yīng)規(guī)范，但近年來我國學(xué)者也在該領(lǐng)域取得了一定的研究成果，其中劉數(shù)華為了對RCA進行性能分級，采用RCA壓碎值作為分級指標(biāo)，并將其分為了3個等級[11]。李秋義等提出了需水量比和強度比兩項新指標(biāo)，并基于兩項指標(biāo)將RCA分為3級，同時也指出了不同等級集料的可應(yīng)用領(lǐng)域[12]，這對促進我國RCA研究、應(yīng)用的規(guī)范化具有一定的指導(dǎo)價值。

2 RCA混凝土性能

2.1 RCA微觀構(gòu)造

水泥混凝土作為一種多相復(fù)合非均質(zhì)材料，主要由水泥漿與粗細(xì)集料等組成，各相性質(zhì)以及不同相之間的界面作用對混凝土物理、力學(xué)性能具有重要影響[13]。研究表明，水泥混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在界面過渡區(qū)(ITZ-Interfacial Transition Zone)，該區(qū)域位于粗細(xì)集料與水泥膠漿結(jié)合處，為混凝土力學(xué)性能最薄弱部位[13]。界面過渡區(qū)性能直接影響著水泥混凝土抗彎強度、抗拉強度以及耐久性等性質(zhì)[14]。RCA混凝土較普通混凝土有著更加復(fù)雜的界面構(gòu)造，因此其ITZ區(qū)域各相物質(zhì)間粘結(jié)特性也較普通混凝土更加復(fù)雜。魏鴻等學(xué)者借助于掃描電鏡和電子能譜儀，對RCA混凝土的微觀形貌和結(jié)構(gòu)進行了觀察，表明RCA混凝土界面過渡區(qū)呈現(xiàn)疏松、多孔特性，且大粒徑水化物晶體相對較多[15]。肖建莊研究表明舊界面過渡區(qū)相對密實，而新界面過渡區(qū)比較疏松，厚度范圍相對較大，這是由于RCA表面粉塵較多而造成[16]。水中和等研究表明，表面狀況對RCA混凝土微觀結(jié)構(gòu)具有較大影響，表面孔隙率高，強度較低的普通再生混凝土集料可引起集料-水泥界面微觀結(jié)構(gòu)的多孔和疏松，而含硅灰的高強混凝土再生集料可獲得密實的新界面。因此改善RAC集料的表面狀態(tài)，是改善RCA混凝土性能的一個重要途徑[13]。

2.2 物理及力學(xué)性能

RCA混凝土抗壓強度主要受到水灰比、RCA使用量等因素影響。文獻表明，其它條件相同時，在保證RCA混凝土抗壓強度不受到較大影響的前提下，RCA使用量(占總集料質(zhì)量百分比)最高可達到25%～30%。且當(dāng)RCA使用量在0%～30%時，隨著水灰比變化，其抗壓強度曲線與普通水泥混凝土抗壓強度曲線非常接近[3]。也有研究表明，當(dāng)RCA使用量為25%以內(nèi)時，抗壓強度不會受到較大影響；但若使50%～100%替代比例的RCA混凝土達到與普通水泥混凝土相同的抗壓強度，則需將水灰比調(diào)低4%～10%；若水灰比不變，當(dāng)完全使用RCA替代時，混凝土抗壓強度將降低20%～25%[17]。

與抗壓強度相比，RCA混凝土劈裂抗拉強度所受影響較小。更有研究表明RCA混凝土抗拉強度與普通混凝土相當(dāng)，有時甚至強于普通混凝土[18]。研究者將此歸因于附著的未水化水泥砂漿以及有效界面過渡區(qū)(此指較優(yōu)集料與水泥砂漿的粘結(jié)區(qū))，認(rèn)為雖然附著砂漿區(qū)雖更易導(dǎo)致抗壓破壞的發(fā)生，但其能在集料和砂漿之間創(chuàng)造較平穩(wěn)的應(yīng)力過渡區(qū)而提升抗拉性能。

季天劍等采用70%質(zhì)量比的RCA粗集料制備RCA混凝土，同普通混凝土進行控制應(yīng)力法疲勞加載對比試驗，并由疲勞試驗結(jié)果得到雙對數(shù)疲勞方程。結(jié)果表明，RCA混凝土的疲勞規(guī)律與普通水泥混凝土相似，且在高應(yīng)力水平狀態(tài)下RCA混凝土的疲勞壽命大于普通水泥混凝土[19]，這與肖建莊研究結(jié)論一致[20]，表明使用RCA混凝土修建的水泥混凝土路面完全能夠滿足混凝土面板的力學(xué)性能要求。

3 RCA混凝土應(yīng)用

研究表明，通過對RCA混凝土進行合理的配合比設(shè)計[21]，完全可以用作道路基層材料使用。實體工程研究表明，應(yīng)用于高等級公路水穩(wěn)基層且無側(cè)限抗壓強度在水泥劑量為4.0%時完全可滿足規(guī)范要求；用作二級公路基層且在水泥劑量為3.5%時也可滿足要求。同時由于RCA裹覆有未水化水泥砂漿，RCA混凝土具有較普通水泥混凝土更高的回彈模量[22]。王軍龍等將RCA應(yīng)用于二灰穩(wěn)定再生混凝土基層也取得了較好的應(yīng)用效果[23]。也有文獻指出，只要合理選用砂率、減水劑以保證混凝土的工作性與混凝土的耐久性，其也可以完全作為低等級公路面層使用[24]。除了用作道路結(jié)構(gòu)層材料，也有將RCA混凝土應(yīng)用于道路養(yǎng)護與維修領(lǐng)域。如鐘發(fā)林利用RCA混凝土進行水泥混凝土路面修復(fù)，取得了較好的經(jīng)濟和環(huán)保效益[25]。

4 結(jié)語

(1)由于裹覆的水泥砂漿，RCA較天然集料具有密度小、孔隙率大以及吸水率大的特點，建議設(shè)定以上指標(biāo)限定值以建立我國的RCA應(yīng)用規(guī)范。

(2)建議對RCA的制備、性能分級等方面進行研究，以促進我國RCA應(yīng)用的規(guī)范化。

(3)RCA混凝土部分物理與力學(xué)性能較普通水泥混凝土具有一定差距，但RCA在各級公路基層、養(yǎng)護與維修乃至低等級公路面層等應(yīng)用領(lǐng)域具有較好的經(jīng)濟效益與環(huán)保效益。

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Summary on the Properties of Recycled Cement Concrete

GONG Wen-jian1，2，ZHOU Sheng-bo1，2，LIU Meng1，2

(1.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

This article summarized and analyzed the aggregate properties，preparation and grading，and micro-structure，physical and mechanical properties of recycled cement concrete，as well as the research achievements in the engineering application of recycled cement concrete，then proposed the relevant research suggestions，hoping to provide the guidance and reference for the research and application of recycled cement concrete.

Recycled cement concrete；Aggregates；Performance；Preparation；Application；Summary

U416.26

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.007

1673-4874(2016)09-0027-04

2016-08-06

龔文劍(1990—)，助理工程師，碩士，主要從事道路工程新材料研究工作；

周勝波(1979—)，工程師，博士，主要從事道路水泥混凝土結(jié)構(gòu)與材料耐久性技術(shù)研究工作；

柳 夢(1988—)，助理工程師，主要從事道路工程研究工作。