再生水泥混凝土性能研究综述

龚文剑，周胜波，柳 梦

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)



再生水泥混凝土性能研究综述

龚文剑1，2，周胜波1，2，柳 梦1，2

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

文章对再生水泥混凝土集料的性质、制备与分级，再生水泥混凝土的微观构造、物理力学性能，以及再生水泥混凝土工程运用等研究成果进行了汇总分析，提出了相关研究建议，以期能对再生水泥混凝土的研究与应用提供指导与借鉴。

再生水泥混凝土；集料；性能；制备；应用；综述

0 引言

资料表明，水泥混凝土全球年产量已达42亿m3，其中我国占比达到总产量的1/3。粗细集料作为水泥混凝土的主要成分，约占水泥混凝土总量的75%，可预见如若不采取有效措施，天然集料将被消耗殆尽[1]。此外，随着城市化进程加快，房屋拆迁、改建等产生的建筑水泥混凝土废料以及道路改扩建产生的水泥混凝土废料与日俱增，如何有效处置水泥混凝土废料成为亟需解决的问题。基于以上原因，研究者将水泥混凝土废料进行回收、破碎处理后制备成再生水泥混凝土集料(RCA—Recycled Concrete Aggregate)，并将其运用于建筑以及道路工程等领域。

为了对今后再生水泥混凝土的相关研究与应用提供指导与借鉴，本文主要对以下几个方面进行汇总分析并提出进一步研究建议：(1)RCA与天然集料的技术指标对比，以及RCA的制备与分级；(2)RCA混凝土微观构造及其物理、力学性能；(3)RCA混凝土应用。

1 RCA性能

RCA集料(实际使用时主要为粗集料)作为RCA混凝土重要组成成分，与新集料(亦称天然集料，NA-Natural Aggregate)存在较大的性能差异，因此有必要对其与天然集料的性能对比进行探讨。同时考虑由于来源与制备方式的差异导致RCA性能的差异，亦有必要对RCA破碎技术与分级标准进行相关分析，以促进我国RCA应用标准的制定。

1.1 RCA技术指标与界面改性

国内外用于评价再生骨料性质的技术指标主要有：表观密度、吸水率、压碎值、针片状颗粒含量、氯化物含量、硫酸盐含量、冲击值、有机物含量等[2]。由于RCA来源、制备工艺的不同导致不同文献RCA指标参数存在较大的随机性与变异性。但总体而言，RCA由于裹覆有疏松、轻质的水泥砂浆，主要表现出表观密度(或堆积密度)小、吸水率大、压碎值大等特点[2，3]。其中RCA表观密度与堆积密度分别为天然集料的85%与90%左右[4]，这主要是由于附着的水泥砂浆密度小于天然集料密度所致。吸水率也由于来源与制备的不同存在较大差异[5，6]，总体而言RCA吸水率均远高于NA，且随着天然集料吸水率的增大而增大。RCA压碎值则与基体混凝土的强度和加工破碎方法有关，基体混凝土强度越高、破碎时水泥砂浆脱落程度越大则压碎值越小[2]。

表1列举了RCA与天然集料典型技术指标对比[7]情况。

表1 RCA与NA主要技术指标对比表

针对RCA与天然集料的性能差异，RCA界面改性处理也成为了学者关注的研究点。考虑该差异主要是由附着的水泥砂浆引起，改性处理主要在于促进集料表面水泥砂浆的脱落。根据处理工艺的不同，界面改性处理可分为物理方法与化学方法[2]。其中物理方法主要是通过改善制备工艺进行实现；化学方法是指将RCA在聚合物、水泥砂浆以及酸、碱等化学浆液中进行浸泡、干燥处理。如肖开涛的研究表明采用聚合物(PVA溶液)和有机硅防水剂对RCA进行处理，可改善RCA性能[8]。

1.2 RCA制备

前述分析可知，RCA部分性能指标较天然集料差，主要是由于裹附的水泥砂浆影响所致，而RCA制备方法直接影响着裹覆水泥砂浆含量。无论RCA还是天然集料，粒径及界面性状均会对混凝土性能影响产生较大影响，有必要对RCA制备技术引起重视。

侯景鹏等设计了带有风力分级设备的骨料再生工艺，可以通过风力分级装置以及洗尘设备对粒径为0.15～5 mm细骨料进行筛选[9]，进而实现细骨料的再生利用，这为集料的分离处理提供了较好的制备思路。德国RCA生产有干法与湿法两种制备工艺，其中干法可分为两个处理阶段：(1)预处理阶段：该阶段主要为分拣杂质、初次破碎以及利用磁性分离机去除铁质；(2)粒组分化阶段：二次筛分，利用空气分离机对各粒组细小杂质进行分离。湿法则是利用脉冲水流依据不同物质密度不同进行筛选[10]。

以上研究成果均注重RCA的分离技术而忽略了关键的破碎技术，其多以颚式破碎并辅以人工方式进行RCA制备，并没有专用的破碎机械与破碎工艺，这也是造成RCA测试数据具有较大变异性的原因之一。鉴于此，如长安大学基于硬化水泥混凝土的结构组成与破碎机理，研发了压研破碎技术来制备RCA，以提高其集料的性能与制备效率，通过相关研究其取得了较好的试验效果[1]。循环压研技术主原理在于运用两块相对转动的粗糙锥面衬板对再生水泥混凝土块连续施加挤压、剪切、搓研和摩擦作用力，使混凝土微结构中最薄弱组成相——集料与水泥砂浆界面过渡区内产生压应力和剪应力甚至拉应力的联合作用，从而导致裂缝拓展以致破坏分离。

1.3 RCA分级

由于来源与制备的差异，导致RCA性能指标差异性较大，为了保证物尽其用，建立合适的分级方法以保证RCA在不同领域的应用尤为必要。日本作为最早使用RCA的国家，早在1977年就制定了《再生骨料和再生混凝土使用规范》，并在RCA的制备上形成了一套完整的制备工艺[2]。在英美，BS(英国标准)和ASTM美国材料试验协会标准也采用了最低表观密度、最大吸水率、最大针片状含量以及最大氯含量等评价指标对不同应用领域RCA指标进行了限定[2]。我国虽还未制定相应规范，但近年来我国学者也在该领域取得了一定的研究成果，其中刘数华为了对RCA进行性能分级，采用RCA压碎值作为分级指标，并将其分为了3个等级[11]。李秋义等提出了需水量比和强度比两项新指标，并基于两项指标将RCA分为3级，同时也指出了不同等级集料的可应用领域[12]，这对促进我国RCA研究、应用的规范化具有一定的指导价值。

2 RCA混凝土性能

2.1 RCA微观构造

水泥混凝土作为一种多相复合非均质材料，主要由水泥浆与粗细集料等组成，各相性质以及不同相之间的界面作用对混凝土物理、力学性能具有重要影响[13]。研究表明，水泥混凝土内部结构中存在界面过渡区(ITZ-Interfacial Transition Zone)，该区域位于粗细集料与水泥胶浆结合处，为混凝土力学性能最薄弱部位[13]。界面过渡区性能直接影响着水泥混凝土抗弯强度、抗拉强度以及耐久性等性质[14]。RCA混凝土较普通混凝土有着更加复杂的界面构造，因此其ITZ区域各相物质间粘结特性也较普通混凝土更加复杂。魏鸿等学者借助于扫描电镜和电子能谱仪，对RCA混凝土的微观形貌和结构进行了观察，表明RCA混凝土界面过渡区呈现疏松、多孔特性，且大粒径水化物晶体相对较多[15]。肖建庄研究表明旧界面过渡区相对密实，而新界面过渡区比较疏松，厚度范围相对较大，这是由于RCA表面粉尘较多而造成[16]。水中和等研究表明，表面状况对RCA混凝土微观结构具有较大影响，表面孔隙率高，强度较低的普通再生混凝土集料可引起集料-水泥界面微观结构的多孔和疏松，而含硅灰的高强混凝土再生集料可获得密实的新界面。因此改善RAC集料的表面状态，是改善RCA混凝土性能的一个重要途径[13]。

2.2 物理及力学性能

RCA混凝土抗压强度主要受到水灰比、RCA使用量等因素影响。文献表明，其它条件相同时，在保证RCA混凝土抗压强度不受到较大影响的前提下，RCA使用量(占总集料质量百分比)最高可达到25%～30%。且当RCA使用量在0%～30%时，随着水灰比变化，其抗压强度曲线与普通水泥混凝土抗压强度曲线非常接近[3]。也有研究表明，当RCA使用量为25%以内时，抗压强度不会受到较大影响；但若使50%～100%替代比例的RCA混凝土达到与普通水泥混凝土相同的抗压强度，则需将水灰比调低4%～10%；若水灰比不变，当完全使用RCA替代时，混凝土抗压强度将降低20%～25%[17]。

与抗压强度相比，RCA混凝土劈裂抗拉强度所受影响较小。更有研究表明RCA混凝土抗拉强度与普通混凝土相当，有时甚至强于普通混凝土[18]。研究者将此归因于附着的未水化水泥砂浆以及有效界面过渡区(此指较优集料与水泥砂浆的粘结区)，认为虽然附着砂浆区虽更易导致抗压破坏的发生，但其能在集料和砂浆之间创造较平稳的应力过渡区而提升抗拉性能。

季天剑等采用70%质量比的RCA粗集料制备RCA混凝土，同普通混凝土进行控制应力法疲劳加载对比试验，并由疲劳试验结果得到双对数疲劳方程。结果表明，RCA混凝土的疲劳规律与普通水泥混凝土相似，且在高应力水平状态下RCA混凝土的疲劳寿命大于普通水泥混凝土[19]，这与肖建庄研究结论一致[20]，表明使用RCA混凝土修建的水泥混凝土路面完全能够满足混凝土面板的力学性能要求。

3 RCA混凝土应用

研究表明，通过对RCA混凝土进行合理的配合比设计[21]，完全可以用作道路基层材料使用。实体工程研究表明，应用于高等级公路水稳基层且无侧限抗压强度在水泥剂量为4.0%时完全可满足规范要求；用作二级公路基层且在水泥剂量为3.5%时也可满足要求。同时由于RCA裹覆有未水化水泥砂浆，RCA混凝土具有较普通水泥混凝土更高的回弹模量[22]。王军龙等将RCA应用于二灰稳定再生混凝土基层也取得了较好的应用效果[23]。也有文献指出，只要合理选用砂率、减水剂以保证混凝土的工作性与混凝土的耐久性，其也可以完全作为低等级公路面层使用[24]。除了用作道路结构层材料，也有将RCA混凝土应用于道路养护与维修领域。如钟发林利用RCA混凝土进行水泥混凝土路面修复，取得了较好的经济和环保效益[25]。

4 结语

(1)由于裹覆的水泥砂浆，RCA较天然集料具有密度小、孔隙率大以及吸水率大的特点，建议设定以上指标限定值以建立我国的RCA应用规范。

(2)建议对RCA的制备、性能分级等方面进行研究，以促进我国RCA应用的规范化。

(3)RCA混凝土部分物理与力学性能较普通水泥混凝土具有一定差距，但RCA在各级公路基层、养护与维修乃至低等级公路面层等应用领域具有较好的经济效益与环保效益。

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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

龚文剑(1990—)，助理工程师，硕士，主要从事道路工程新材料研究工作；

周胜波(1979—)，工程师，博士，主要从事道路水泥混凝土结构与材料耐久性技术研究工作；

柳 梦(1988—)，助理工程师，主要从事道路工程研究工作。