再生骨料混凝土力学、变形和耐久性能的研究

吴仕成，严捍东

（华侨大学土木工程学院，福建厦门361021）

混凝土是建设行业不可或缺的重要建筑材料，同时也是主要的固体废弃物源头。废弃混凝土主要来源于旧钢混构筑物拆除废弃物、混凝土生产、施工或试验产生的废弃物等。再生骨料混凝土是指将废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级后，按一定的级配要求混合形成的骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成的新混凝土［1］。美国、日本和欧洲等发达国家和地区对废弃混凝土的再生利用始于20世纪六七十年代，我国基于国家层面的废弃混凝土再生利用项目始于20世纪末期。国内外的研究结果均表明，对废弃混凝土进行相关处理所生产的再生骨料，经合理技术配制的再生骨料混凝土性能可达天然骨料混凝土性能要求。

硬化混凝土力学、变形和耐久性能是决定其是否能够长期安全使用于建筑构件的基本材料性能，本文在对国内外有关再生骨料混凝土性能研究成果系统综述和分析的基础上，结合2010年和2011年相继颁布的《混凝土和砂浆用再生细骨料》（GB／T 25176）、《混凝土用再生粗骨料》（GB／T25177）和《再生骨料应用技术规程》（JGJ／T240）提出再生骨料混凝土在结构工程应用方面应注意的关键技术问题。

1 再生骨料混凝土的力学性能

1.1 抗压强度

王智威［2］试验了原强度等级为C20、C35、C40、 C50、C80的废弃混凝土再生骨料对混凝土抗压强度的影响规律。结果表明，28d时再生骨料混凝土的抗压强度较普通混凝土均有一定程度的降低，降低幅度为12.5%～9.0%。造成抗压强度有降低的主要原因是再生骨料表面附着的废旧水泥砂浆强度较低，在再生骨料与新的水泥砂浆间形成受力的薄弱区域，另外，再生骨料表面黏附的水泥砂浆吸水率大，在相同用水量时，再生骨料混凝土的流动性降低使得混凝土不易密实成型。笔者认为，再生骨料混凝土抗压强度降低幅度随废弃混凝土原强度等级降低而提高，因废弃高强混凝土在破碎时砂浆及砂浆与骨料界面结构受损程度小，使得骨料表面黏附砂浆强度高，吸水率低，有利于减小对新拌混凝土流动性和抗压强度的不利影响。宋瑞旭等［4］的试验结果也证明了上述观点，其再生骨料采用废弃的C100高强混凝土生产，与相同配比的天然骨料混凝土相比，所配制的C80再生骨料混凝土的抗压强度不仅没有降低，反而有所提高，根据《混凝土和砂浆用再生细骨料》（GB／T25176）和《混凝土用再生粗骨料》（GB／T25177）规定，再生粗骨料可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类3个等级，压碎指标分别为12%、20%、30%，吸水率分别为3%、5%、8%，而《建设用卵石、碎石》（GB／T14685）的相应规定分别为，碎石为10%、20%、30%，卵石为12%、14%、16%，吸水率要求为1%、2%、2%，差异较大，在再生混凝土设计时应给予重视。再生细骨料也分为3个等级，压碎指标要求分别为20%、25%、30%。

Poon等［4］分别使用自然干燥、完全干燥以及饱和面干的3种含水状态的再生粗骨料等体积取代（取代率分别为0、50%、80%、100%）天然粗骨料配制C40以上再生混凝土（水灰比为0.57）。试验结果表明，自然风干再生粗骨料所配制混凝土的工作性和抗压强度均优于其他2种含水状态的再生骨料混凝土的抗压强度，且再生粗骨料取代率不超过50%时混凝土抗压强度与天然骨料混凝土抗压强度并无较大区别，其结论与我国《再生骨料应用技术规程》（JGJ／T240）中所给出的对于Ⅰ类再生粗骨料以及取代率小于30%的Ⅱ、Ⅲ类粗骨料再生混凝土可视其为常规混凝土这一条文具有较好的相符性。Sim等［5］也通过试验发现随着再生骨料掺量的增加，再生混凝土的抗压强度逐渐降低，并建议当结构混凝土的天然粗骨料被完全取代时，其砂子也可使用再生细骨料取代，但其等体积取代率不应超过60%。杨宁等［6］的试验结果表明，表面喷洒聚乙烯醇溶液外裹水泥浆的再生骨料制备的再生混凝土立方体抗压强度提高约22%。

1.2 抗折强度

徐蔚［7］在相同水灰比条件下，用再生粗骨料以0、30%、50%、70%、100%等质量取代天然粗骨料配制混凝土。试验结果表明，再生混凝土的抗折强度随着取代率的增加呈现类似上凸二次抛物线变化，但其压折较普通混凝土高，且随着再生骨料取代率的增加而增加。

Padmini等［8］通过试验发现，再生骨料混凝土抗折强度比基准混凝土抗折强度低，且与基准混凝土之间抗折强度的差值随着混凝土强度的降低而逐渐减小。Amnon等［9］也得出了相似的结论在相同的水灰比条件下，再生骨料混凝土的抗折强度低于天然骨料混凝土。

1.3 劈裂抗拉强度

刘丰等［10］研究了再生粗骨料等质量取代0、30%、50%、70%、100%天然骨料配制C20、C30混凝土的劈裂抗拉性能，提出再生骨料混凝土劈裂抗拉强度和抗压强度间的关系式为：ft，s＝1.363＋0.046fcu，两者间线性关系良好，而普通混凝土劈裂抗拉强度和抗压强度间的关系式为：ftk＝0.88αc2×0.395f0.55cu，k（1－1.645δ）0.45［11］，两者间不具有线性关系。

Tabsh等［12］根据ASTM C496方法测定了再生骨料混凝土的劈裂抗拉性能。结果表明，基准混凝土的强度越低，与基准混凝土相比其劈裂抗拉强度损失率便越大，当基准混凝土达到50MPa时再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度与天然骨料混凝土的劈裂抗拉强度已相差不大。Marios等［13］对再生高性能混凝土的研究结果表明，天然骨料混凝土抗拉强度比再生骨料混凝土抗拉强度高，但两者相差不超过10%，粉煤灰或硅粉共同掺入可提高再生骨料混凝土的抗拉性能。Evangelista等［14］通过试验指出，在天然粗骨料被完全取代的条件下，使用再生细骨料的混凝土劈裂抗拉强度随着再生细骨料掺量的增加而降低，并指出再生细骨料的掺加量以等体积取代率不超过30%为宜。

吴建华等［15］研究了不同掺量的聚丙烯纤维和硅粉对再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响，发现聚丙烯纤维和硅粉双掺可以使再生混凝土的劈拉强度提高33.3%，且聚丙烯纤维对混凝土劈拉强度的影响比硅粉大。

结合《再生骨料应用技术规程》（JGJ／T240—2011）分析可知，混凝土原强度等级、再生骨料的坚固性、压碎指标、吸水率、强化与否及取代率均是影响再生混凝土力学性能的重要因素，同时，广大研究者所提出的粗、细骨料取代率也与此规范所推荐的50%、30%较吻合［16］。

2 再生骨料混凝土的变形性能

2.1 弹性模量

胡敏萍［17］用再生粗骨料以30%、50%、70%、100%等质量取代天然粗骨料进行了再生骨料混凝土弹性模量的试验，结果表明，当再生粗骨料的取代率增加时，混凝土的弹性模量逐渐降低，再生粗骨料完全取天然粗骨料时，弹性模量下降23.4%。笔者认为，再生骨料表面黏附砂浆仍是造成混凝土弹性模量降低的主要原因。

Dhir［18］和Mellmann［19］分别研究了再生粗骨料取代率为100%时混凝土弹性模量与抗压强度的关系，并分别得到了关系表达式：Ec＝7.77×103× f0.33cu、Ec＝13 100＋370fcu和Ec＝8 242＋378fcu。其与普通混凝土的经验公式［20］有较大的差异。

根据《再生骨料应用技术规程》（JGJ／T240—2011）和《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010），再生混凝土弹性模量较基准混凝土弹性模量低，且在C40以下其差值随着混凝土强度的增大逐渐增大，差值范围为（0.37～0.62）×104N／mm2［21］，具有较大的波动范围，在再生混凝土设计施工中应给予充分重视。

2.2 干缩变形性能

水中和等［22］研究了再生粗骨料在不同含水状态下（自然干燥、饱和面干、完全干燥）所配制混凝土的干缩变形性能，试验显示，由饱和面干状态和完全干燥状态的再生骨料制备混凝土的干缩值明显高于自然干燥再生骨料混凝土的干缩值。这是因再生骨料的吸水性强，当其含水过高或过低时都可能导致界面区微结构的多孔性，从而导致干缩增大。

李占印［23］使用弓形螺旋测微器研究了再生粗骨料完全取代天然粗骨料时混凝土的干缩变形性能，得出半年的收缩应变为（510～600）×10－6，较天然骨料混凝土的（600～900）×10－6略小，并指出再生骨料混凝土的龄期、再生混凝土粗骨料及水泥浆基体是影响再生混凝土收缩变形的关键因素。

Valeria［24］使用再生粗、细骨料分别等体积取代30%天然粗、细骨料，并测试了0.40，0.45，0.50，0.55和0.60水灰比条件下再生骨料混凝土的干缩性能，结果表明，相对于天然骨料混凝土，其180d时的收缩应变分别减少了14%和23%，且其早期收缩应变较低。

2.3 徐变

有关再生混凝土徐变的研究还比较少见。邹超英等［25］的研究结果表明，再生粗骨料的掺加可降低再生混凝土的徐变度，且随着再生细骨料的增加，徐变度总体表现为增加，其数据表明相对于基准混凝土，粗骨料完全被取代的再生混凝土的60、90d徐变度均降低16.6%。Andrzej等［26］通过试验也得出了相似的结论——再生混凝土1年的徐变量要比普通混凝土低20%。

Domingo等［27］在相同的水胶比（0.5）条件下，研究了C40以上再生粗骨料不同取代率的再生混凝土徐变性能，结果显示，天然粗骨料被完全取代的再生混凝土180d的徐变度较基准混凝土增加了32%，根据《再生骨料应用技术规程》（JGJ／T240—2011）分析可知，其水胶比远大于规范规定的0.4，水胶比过大是影响再生混凝土徐变增大的一个主要因素。

3 再生骨料混凝土的耐久性

3.1 抗冻性

崔正龙等［28］以再生粗、细骨料完全替代天然石、砂，测试0.45和0.55两个不同水灰比时再生骨料混凝土的抗冻融性能。采用水中冻结溶解试验方法，冻融循环300次以上，结果显示，相对于天然骨料混凝土，其耐久性指数分别降低6%和10%，但均满足混凝土冻融循环性能要求。《混凝土用再生粗骨料》（GB／T 25177）和《建设用卵石、碎石》（GB／T14685）规定了再生粗骨料和建筑用石的坚固性指标：对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类粗骨料质量损失率限值分别为5%、10%、15%和5%、8%、12%，Ⅱ、Ⅲ类再生粗骨料的规定限值略有放宽。

Roumiana等［29］研究表明，再生骨料混凝土并不适用于暴露在极端条件下的有抗冻要求的结构中，但当水灰比低于0.55时，可以使用于一般寒冷环境中。分析认为，高水灰比时再生骨料混凝土的孔隙率较高，力学性能较低，其结论也直接证明了《再生骨料应用技术规程》（JGJ／T240—2011）中提倡使用高效减水剂而非提高水胶比这一条文具有较好的科学性。

张雷顺等［30］分别对再生骨料分别进行了3种不同处理，即：不处理、饱和面干状态以及增浆法（增加设计水泥浆的10%）对饱和面干再生骨料进行预裹浆，采用快速冻融法对3种不同再生骨料混凝土进行了200次抗冻融性能试验，并与天然骨料混凝土作对比。发现引气剂能够改善再生骨料混凝土的抗冻性能，并且增浆法配制的再生混凝土的抗冻融性能最好，并指出使用强度损失指标能够更好的衡量再生骨料混凝土的抗冻融性能。

3.2 抗氯离子渗透性

肖开涛等［31］针对不同取代率的再生骨料混凝土按ASTMCl202—97法分别做了2组氯离子抗渗试验，其分别为使用再生混凝土骨料中的粗骨料（5～20mm）取代天然碎石和细骨料（0.15～5mm）取代天然砂，取代为等质量取代，取代率为0、30%、50%、70%、100%。试验证明，随着再生混凝土骨料掺量的逐渐增加，再生骨料混凝土的氯离子抗渗性逐渐降低。随着再生粗骨料取代量的增加，再生骨料混凝土的耐久性逐渐降低，且完全取代天然粗骨料的再生混凝土56d的抗氯离子渗透指标值较天然骨料混凝土增大了86.5%，再生骨料的取代率是影响混凝土抗氯离子渗透性的重要因素。

杜婷等［32］使用ASTM C1202法将天然骨料混凝土与掺入了粉煤灰、矿粉等微细矿物掺合料和加入高效减水剂的再生骨料混凝土进行了对比试验。结果表明，粉煤灰、矿粉等矿物掺合料可以改善再生骨料混凝土的氯离子渗透性，但再生骨料混凝土的抗氯离子渗透性仍比天然骨料混凝土差，不过其抗氯离子渗透性较好。

3.3 耐磨性

关于再生混凝土耐磨性研究的成果并不多。陈建良［33］用再生混凝土粗骨料以0、25%、50%、75%、100%（质量比）取代天然粗骨料配制再生骨料混凝土，并按国标JTGE30－2005进行耐磨试验。结果显示，再生骨料混凝土耐磨性能与天然骨料混凝土相差不大，当完全取代时再生骨料混凝土的耐磨性下降了16.5%，并指出掺入20%（与水泥的质量比）的粉煤灰可以提高再生骨料混凝土的后期耐磨性能。

3.4 抗碳化性

叶禾［34］使用天然碎石、传统工艺制备的普通再生骨料，以及在传统工艺基础上增加了机械磨损和水冲洗两道工序制备的高品质再生骨料分别配置C20～C30混凝土，并进行了28d抗碳化对比试验。结果显示，普通再生骨料混凝土骨料和高品质再生骨料混凝土较天然再生骨料混凝土的碳化深度分别有了9%的增加和2%的减少。笔者认为，再生骨料砂浆微粉含量过高是造成再生混凝土抗碳化性能等耐久性降低的一个重要原因。

崔正龙等［35］使用再生粗、细骨料的置换率均为50%（质量比例）进行配制C30再生骨料混凝土，其中钙系膨胀剂的掺量为20kg／m3，利用加速碳化试验方法进行碳化试验。结果显示，再生骨料混凝土与天然骨料混凝土碳化深度相差不大。分析认为是由于混凝土中添加了钙系膨胀剂后的水化产物在一定程度上填充了混凝土结构内部微小的毛细孔，从而增强了混凝土的抗碳化能力。

Claudio等［36］通过使用再生混凝土骨料的细骨料以0、20%、30%等体积取代天然细骨料，配制再生混凝土，并放在工业区的天然环境中进行310d和620d的再生骨料混凝土的碳化试验。结果显示，再生骨料混凝土与天然骨料混凝土的抗碳化性能基本一样。《混凝土和砂浆用再生细骨料》（GB／T 25176）和《建设用砂》（GB／T14684）规定了再生细骨料和建筑用砂的坚固性指标：对于Ⅰ、Ⅱ类细骨料质量损失率均不能超过8%、10%，而对于Ⅲ类细骨料《建设用砂》（GB／T14684）规定为10%，《混凝土和砂浆用再生细骨料》（GB／T 25176）规定为12%，且不宜用于配制结构混凝土。

4 结语

（1）再生骨料在原材料、性能、工程应用方面与天然骨料略有不同。《混凝土和砂浆用再生细骨料》（GB／T 25176）、《混凝土用再生粗骨料》（GB／T25177）中对再生骨料的压碎指标、坚固性、吸水率等性能的相关规定对再生骨料至关重要，同时其针片状含量指标也偏于严格，扩大再生骨料的工程应用范围，其前提必须能够更好地解决再生骨料的制备、强化等问题。

（2）有关再生混凝土的力学、变形和耐久性能的研究均显示其具有较好的工程应用性，但有关再生骨料对混凝土各项性能影响机理的研究还不够透彻，应加强再生骨料——砂浆黏附界面机理的微观研究。

（3）相对于广大研究者进行的单轴抗压、劈裂抗拉、抗折的简单应力情况下的力学试验，工程应用中的混凝土往往处于复杂应力状态下，因而加强再生混凝土在复杂应力作用下的研究具有重要意义。

（4）再生混凝土的变形性能较基准混凝土具有较大变化，再生骨料的取代率、含水率以及水泥浆基体是影响再生混凝土变形性能的主要因素，同时，在再生混凝土设计施工中对再生混凝土的变形性能应给予充分考虑。

［1］ 肖建庄，李佳彬，兰 阳.再生混凝土技术研究最新进展与评述［J］.混凝土，2003，168（10）：17－20.

［2］ 王智威.不同来源再生骨料的基本性能及其对混凝土抗压强度的影响［J］.新型建筑材料，2007，34（7）：57－60.

［3］ 宋瑞旭，万朝均，壬 中，等.高强度再生骨料和再生高性能混凝土试验研究［J］.混凝土，2003，160（2）：29－31.

［4］ Poon CS，Shui ZH，Lam L，et al.Influence of moisture states of natural and recycled aggregates on the slump and compressive strength of concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34（1）：31－36.

［5］ Sim J，Park J.Compressive strength and resistance to chloride ion penetration and carbonation of recycled aggregate concrete with varying amount of fly ash and fine recycled aggregate O－riginal Research Article［J］.Waste Manag，2011，31（11）：2352－2360.

［6］ 杨 宁，王崇革，赵美霞.再生骨料强化技术研究［J］.新型建筑材料，2011，3：45－47.

［7］ 徐 蔚.再生粗骨料取代率对混凝土基本性能的影响［J］.混凝土，2006，203（9）：45－47.

［8］ Padmini AK，Ramamurthy K，Mathews MS.Influence of parent concrete on the properties of recycled aggregate concrete［J］.Construction and Building Materials，2009，23（2）：829－836.

［9］ Amnon K.Properties of concrete made with recycled aggregate from partially hydrated old concrete［J］.Cement and Concrete Research，2003，33（5）：703－711.

［10］ 刘 丰，白国良，柴园园，等.再生骨料混凝土抗拉强度和抗剪强度试验研究［J］.工业建筑，2010，40（12）：70－74.

［11］ 沈蒲生，梁兴文.混凝土结构设计原理［M］.高等教育出版社，2008：19－20.

［12］ Tabsh SW，Abdelfatah AS.Influence of recycled concrete aggregates on strength properties of concrete［J］.Construction and Building Materials，2009，23（2）：1163－1167.

［13］ Marios NS，Tangb K，Stephen GM.Concrete building blocks made with recycled demolition aggregate［J］.Construction and Building Materials，2011，25（2）：726－735.

［14］ Evangelistaa L，Brito JD.Mechanical behaviour of concrete made with fine recycled concrete aggregates［J］.Cement and Concrete Composites，2007，29（5）：397－401.

［15］ 吴建华，马石城，唐昭青，等.聚丙烯纤维和硅粉对再生混凝土的强化试验研究［J］.混凝土，2006，205（11）：36－38.

［16］ JGJ／T240—2011再生骨料应用技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［17］ 胡敏萍.不同取代率再生粗骨料混凝土的力学性能［J］.混凝土，2007，208（2）：52－53.

［18］ Dhir RK，Limbachiya MC.Suitability of recycled aggregate for use in BS 5328designated mixes［J］.Proceedings of the Institution of Civil Engineers，1999，134：257－274.

［19］ Mellmann G.Processed concrete rubble for the reuse as aggregate.Proceedings of the International concrete on Exploiting Waste in concrete［J］.Dundee，1999，171－178.

［20］ 混凝土基本力学性能研究组.混凝土的几个基本力学指标［C］.钢筋混凝土结构研究报告选集，1997.

［21］ GB50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［22］ 水中和，邱 晨，赵正齐，等.再生混凝土骨料含水状态与新拌混凝土的性能［J］.国外建材科技，2003，24（5）：1－2.

［23］ 李占印.再生骨料混凝土性能的试验研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2003.

［24］ Valeria C.Mechanical and elastic behaviour of concretes made of recycled－concrete coarse aggregates［J］.Construction and Building Materials，2010，24（9）：1616－1620.

［25］ 邹超英，王 勇，胡 琼.再生混凝土徐变度试验研究及模型预测［J］.武汉理工大学学报，2009，31（12）：94－98.

［26］ Andrzej A，Alina K.Influence of recycled aggregates on mechanical properties of HS／HPC［J］.Cement ＆Concrete Composites，2002，24：269－279.

［27］ Domingo－Cabo A，Lázaro C，López－Gayarre F，et al.Creep and shrinkage of recycled aggregate concrete［J］.Construction and Building Materials，2009，23：2545－2553.

［28］ 崔正龙，大芳贺羲喜，北迁政文，等.再生混凝土的冻融循环试验研究［J］.建筑材料学报，2007，10（5）：534－537.

［29］ Roumiana Z，Fran？ois Buyle－Bodin，Eric Wirquin.Frost resistance of recycled aggregate concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34（10）：1927－1932.

［30］ 张雷顺，王 娟，黄秋风，等.再生混凝土抗冻耐久性试验研究［J］.工业建筑，2005，35（9）：64－66.

［31］ 肖开涛，林宗寿，万惠文，等.再生混凝土氯离子渗透性研究［J］.山东建材，2004，25（1）：31－33.

［32］ 杜 婷，李惠强，郭太平，等.再生骨料混凝土的抗氯离子渗透性试验研究［J］.武汉理工大学学报，2006，28（5）：33－36.

［33］ 陈建良.再生混凝土耐磨性能试验［J］.低温建筑技术，2011，151（1）：24－25.

［34］ 叶 禾.高品质再生骨料混凝土的力学性能和耐久性试验研究［J］.四川建筑科学研究，2009，35（5）：195－199.

［35］ 崔正龙，北迁政文，田中礼治.固体废弃物再生骨料混凝土的耐久性试验研究［J］.硅酸盐通报，2009，28（5）：1042－1045.

［36］ Claudio JZ，ángel ADM.Use of recycled fine aggregate in concretes with durable requirements［J］.Waste Management，2011，31（11）：2336－2340.