再生混凝土耐高溫性能研究現(xiàn)狀分析

孔琳潔

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產(chǎn)

再生混凝土耐高溫性能研究現(xiàn)狀分析

孔琳潔

（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

本文對再生混凝土耐高溫性能的研究現(xiàn)狀進行了客觀分析，認為目前對于再生混凝土構(gòu)件的耐高溫性能分析所采用的參數(shù)缺乏可靠的試驗研究依據(jù)，基本為普通混凝土的建議公式；對再生混凝土耐高溫性能進行系統(tǒng)性的試驗研究，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的模型用于再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐高溫性能分析是十分必要的。

再生骨料；再生混凝土；耐高溫性能

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)的高速發(fā)展，各類城市改造、拆遷和新建產(chǎn)生了大量的建筑廢棄物。據(jù)統(tǒng)計，每拆除1平方米建筑物將產(chǎn)生大約1噸的建筑廢棄物，每新建1立方米建筑物將產(chǎn)生0.6平方米的建筑廢棄物，目前，我國的城市建筑廢棄物數(shù)量已經(jīng)占到城市垃圾總量的40%左右。倘若這些建筑廢棄物無法得到有效的再循環(huán)利用，那么隨著我國城市化建設(shè)的推進，建筑廢棄物產(chǎn)量的與日增加，將對環(huán)境造成巨大壓力。

以杭州市為例，根據(jù)2019年相關(guān)媒體報道，近幾年杭州市因為工程建設(shè)和拆遷等所產(chǎn)生的建筑廢棄物平均每年為5000萬噸以上。建筑廢棄物的主要成分為：建筑余泥、廢棄混凝土、廢棄砂漿、廢棄磚瓦和廢棄瀝青等。但是，全市每年的建筑廢棄物再利用量卻不到100萬噸，即全市每年的建筑廢棄物利用率不到3%。具了解，目前城市建筑廢棄物的主要處理方式為填埋和堆放，極少量被應(yīng)用于地基、路基的填充或是防凍，將建筑廢棄物經(jīng)破碎處理后應(yīng)用于再生骨料混凝土的量更是微乎及微了。

一方面，采用傳統(tǒng)的方式處理建筑廢棄物，需要占用大量的土地，對土壤、地下水和大氣的污染也十分嚴重。另一方面，隨著城市化建設(shè)的推進，建設(shè)用的混凝土需求量十分巨大，具統(tǒng)計我國目前每年的混凝土使用量為10億立方米左右，每生產(chǎn)1立方米混凝土需要消耗2000千克左右的沙石。如此巨大的砂石需求量對生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力，隨著天然砂石開采量的逐年下降，各個城市都出現(xiàn)了不同程度的資源緊張，尋找合適的沙石替代品成為迫在眉睫的事情。

建筑廢棄物中，廢棄混凝土、廢棄砂漿和廢棄磚瓦所占的比例為60%左右，將它們分揀出來，進行破碎、篩分和除雜等處理，制備成一定粒徑的粗細骨料顆粒，用以部分或者全部取代天然砂石，制備的再生骨料混凝土，一方面可以改善建筑廢棄物投放造成的環(huán)境污染，另一方面可以部分解決天然砂石開采造成的環(huán)境破壞。由此可見，利用建筑廢棄物制備再生骨料混凝土是兼具環(huán)保價值和經(jīng)濟價值的重要舉措。

通過破碎廢棄混凝土得到的再生骨料，由于其表面黏附有殘余砂漿、內(nèi)部混雜著雜質(zhì)以及粉碎過程可能產(chǎn)生一些裂縫，使再生骨料比天然骨料表觀密度和強度都有所下降，吸水性和孔隙率都明顯增加。因此，利用再生骨料制備的再生混凝土，其物理性能、力學(xué)性能、耐久性能等都有所下降。為此，很過發(fā)達國家，特別是在再生混凝土領(lǐng)域比較先進的國家都出臺了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范來規(guī)定再生骨料的最大取代率。我國也分別于2010年和2011年就再生骨料的分級和應(yīng)用范圍頒布了兩部國家標(biāo)準(zhǔn)：《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）[1]和《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 240-2011）[2]。

近年來，隨著再生混凝土從部分應(yīng)用于多層建筑基礎(chǔ)部分，到大量應(yīng)用于高層建筑主體結(jié)構(gòu)，再生混凝土在高層建筑在的應(yīng)用正在逐漸增加，因此對其高溫性能的研究也在逐漸重視。

1 國外學(xué)者的研究現(xiàn)狀

阿根廷學(xué)者Zega和Di Miao[3,4]，于2006年到2009年對再生混凝土在500℃高溫后的抗壓強度和彈性模量進行研究，試驗采用的骨料類型為花崗巖、礫石、石英巖，取75%的再生骨料取代率，水灰比分別取了0.40、0.55、0.70，高溫作用的時間為1小時和4小時。試驗結(jié)果表明，高溫作用時間為1小時，再生混凝土的耐高溫性能跟水灰比成反曲線；當(dāng)高溫作用時間為4小時時，再生混凝土與普通混凝土耐高溫性能相近。

葡萄牙學(xué)者Vieira等[5]，于2011年對再生混凝土在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)后的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量進行了研究，試驗采用石灰?guī)r骨料，取0%、20%、50%和100%的再生骨料取代率。試驗結(jié)果表明，再生混凝土與普通混凝土力學(xué)損傷相近。

加拿大學(xué)者Sarhat和Sherwood[6]，于2013年對再生混凝土在溫度為250℃、500℃和750℃的高溫后的抗壓強度、劈裂抗拉強度與彈性模量進行了試驗研究，試驗采用的骨料類型為礫石和石灰石，取0%、25%、50%、75%和100%的再生骨料取代率。試驗結(jié)果表明，再生粗骨料取代率越高，其高溫后力學(xué)性能損傷反而越小。

法國學(xué)者Laneyrie等[7]，于2016年對來源于工地和實驗室的廢棄混凝土所制備的再生骨料混凝土進行了高溫后的抗壓強度、劈裂抗拉強度以及彈性模量研究。試驗結(jié)果表明，源自工地的廢棄混凝土所制備的再生骨料混凝土高溫后的力學(xué)性能損傷更大，其主要原因應(yīng)該是由于這類廢棄混凝土中的雜質(zhì)更多。

悉尼科技大學(xué)學(xué)者Li等[8]，于2017年對再生混凝土圓鋼管短柱高溫后的殘余軸向抗壓強度進行了研究。試驗采用非標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)，溫度為200℃、500℃和700℃，高溫后恒溫3小時，以確保構(gòu)件整體到達預(yù)設(shè)溫度，主要考察再生骨料取代率和溫度對試驗構(gòu)件抗壓強度、彈性模量以及峰值應(yīng)變的影響。研究表明，在相同高溫作用下再生混凝土鋼管短柱的軸向抗壓強度低于普通混凝土鋼管短柱。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，作者還給出了一個抗壓強度、彈性模量以及峰值應(yīng)變的折減公式。

2 國內(nèi)學(xué)者的研究現(xiàn)狀

2006年，同濟大學(xué)的肖建莊[9]，對不同再生粗骨料取代率的再生混凝土立方體試塊在20～800℃下的高溫試驗.通過對試驗現(xiàn)象與結(jié)果的對比與分析,研究了再生混凝土的抗火性能,分析了高溫后再生混凝土的殘余抗壓強度與經(jīng)歷溫度之間的相互關(guān)系及變化特點.最后,在與已有文獻中普通混凝土、輕骨料混凝土、高強混凝土和高性能混凝土等不同類型混凝土抗火性能對比分析的基礎(chǔ)上,提出了基于統(tǒng)計的再生混凝土殘余抗壓強度與經(jīng)歷溫度之間關(guān)系的建議公式.

2012年到2015年，東南大學(xué)的徐明[10,11]，研究了再生骨料取代率為0%、50%和100%的再生混凝土耐高溫性能和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。研究結(jié)果表明，再生骨料取代率越大，試件高溫后的力學(xué)性能損傷也越大，根據(jù)試驗結(jié)果，該學(xué)者還給出了不同再生骨料取代率的混凝土強度、彈性模量折減公式和抗壓強度的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

2012年，大連理工大學(xué)楊有福與侯睿[12]，對高溫后圓、方形鋼管再生混凝土短柱的殘余力學(xué)性能進行了研究。試驗采用非標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)，溫度為300℃、600℃和800℃，高溫后恒溫3小時以確保構(gòu)件整體到達預(yù)設(shè)溫度。研究結(jié)果表明，同溫度高溫后，鋼管再生混凝土短柱的剩余承載力與剛度均低于對應(yīng)的鋼管普通混凝柱，這應(yīng)該是由于再生混凝土的強度與彈性模量低于對應(yīng)的普通混凝土的原因。

2017年，昆明理工大學(xué)的萬夫雄[14]，進行了再生混凝土高溫后經(jīng)歷自冷和水冷的抗壓強度試驗，并建立了再生混凝土高溫后自冷和水冷后的強度計算公式。試驗表明，在600℃以前，再生混凝土高溫后水冷比自冷的強度低很多，但600℃后兩者強度接近。隨著溫度的升高，再生粗骨料與水泥石的界面裂縫加寬，同時水泥石孔洞尺寸變大,結(jié)構(gòu)變得疏松，并且水冷卻比自然冷卻對微觀結(jié)構(gòu)損傷更大。

2018年，香港理工大學(xué)Xuan等[15]，對高溫后未碳化再生混凝土與碳化再生混凝土力學(xué)性能與微裂縫進行了研究。研究結(jié)果表明，再生骨料取代率對再生混凝土高溫后的抗壓強度影響較大：當(dāng)再生骨料取代率為20~40%時，取代率越高力學(xué)損傷越?。划?dāng)再生骨料取代率大于40%時，取代率越高力學(xué)損傷越大。

3 小結(jié)

利用建筑廢棄物制備再生粗細骨料，用于部分或者全部替代天然粗細骨料，制備再生骨料混凝土，一方面能夠有效減少城市建筑廢棄物的投放，減少土地侵占，改善城市環(huán)境，減少污染；另一方面也可以減少天然砂石的開采，減少生態(tài)環(huán)境的破壞?？傊媒ㄖU棄物制備再生骨料混凝土是兼具環(huán)保價值和經(jīng)濟價值的重要舉措。

目前對于再生混凝土耐高溫性能研究并不多，且大多數(shù)研究集中于高溫后的力學(xué)性能研究，對高溫下的再生混凝土的性能研究基本處于空白狀態(tài)。目前對于再生混凝土構(gòu)件的耐高溫性能分析所采用的參數(shù)基本為普通混凝土的建議公式，缺乏可靠的試驗研究依據(jù)。因此，系統(tǒng)的進行再生混凝土耐高溫性能的試驗研究，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的模型用于再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐高溫性能分析是十分必要的。

[1] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）[S]. 北京: 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 2010.

[2] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 240-2011）[S]. 北京: 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2011.

[3] Zega C J, Di Maio A A. Recycled Concrete Exposed to High Temperatures[J]. Magazine of Concrete Research, 2006, 58(10): 675-682.

[4] Zega C J, Di Maio A A. Recycled Concrete Made with Different Natural Coarse Aggregates Exposed to High Temperature[J]. Construction and Building Materials, 2009, 23: 2047-2052.

[5] Vieira J P B, Correia J R, de Brito J. Post-Fire Residual Mechanical Properties of Concrete Made with Recycled Concrete Coarse Aggregates[J]. Cement and Concrete Research, 2011, 41(5): 535-541.

[6] Sarhat S R, Sherwood E G. Residual Mechanical Response of Recycled Aggregate Concrete after Exposure to Elevated Temperatures[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2013, 25(11): 1721-1730.

[7] Laneyrie C, Beaucour A L, Green M F et al. Influence of Recycled Coarse Aggregates on Normal and High Performance Concrete Subjected to Elevated Temperatures[J]. Construction and Building Materials, 2016, 111: 368-378.

[8] Li W G, Luo Z Y, Tao Z et al. Mechanical Behaviour of Recycled Aggregate Concrete-Filled Steel Tube Stub Columns after Exposure to Elevated Temperatures[J]. Construction and Building Materials, 2017, 146: 571-581.

[9] 肖建莊,黃運標(biāo).高溫后再生混凝土殘余抗壓強度[J].建筑材料學(xué)報,2006,(第3期).

[10] 徐明, 張牟, 唐永輝, 等. 高溫后再生混凝土抗壓強度的試驗研究[J]. 混凝土, 2012, (11): 42-44.

[11] 徐明, 王韜, 陳忠范. 高溫后再生混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2015, 36(2): 158-164.

[12] Yang Y F, Hou R. Experimental Behaviour of RACFST Stub Columns after Exposed to High Temperatures[J]. Thin-Walled Structures, 2012, 59: 1-10.

[13] 張侔.再生混凝土簡支梁高溫后受力性能的試驗研究[D]. 南京: 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2012.

[14] 萬夫雄,趙鵬輝,連會杰,徐清.高溫后再生混凝土強度與微觀機理[J].混凝土,2017,(第1期).

[15] Xuan D X, Zhan B J, Poon C S. Thermal and Residual Mechanical Profile of Recycled Aggregate Concrete Prepared with Carbonated Concrete Aggregates after Exposure to Elevated Temperatures[J]. Fire and Materials, 2018, 42(1): 134-142.

孔琳潔（1988.10- ）女，漢族，浙江省杭州市人，研究生，講師，研究方向：新型建材。

浙江省教育廳一般科研項目(Y201840736)。

TQ172

A

1007-6344（2021）01-0025-03