再生混凝土抗渗性能的研究进展

肖力光，刘晓天

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

进入21世纪以来，随着城市化和工业化的发展，建筑业产生了大量的建筑和拆迁废弃物，建筑业成为对环境影响最大的行业[1]。近些年来，我国每年产生30～40亿吨的建筑垃圾，是城市垃圾总量的40%左右[2]。与此同时，我国地铁、隧道等地下工程发展越来越迅速，再生混凝土也逐渐应用到地下工程中[3]，地下工程对混凝土抗渗性能要求更高，但再生混凝土骨料粗糙且包裹砂浆，同时可能存在再生骨料破坏时内部产生的微裂缝，这增加了其孔隙率，从而降低了其抗渗性能。随之而来的是地下工程出现的漏水、渗水等安全问题，地下工程的防水抗渗功能也越来越受到学者和各大高校的重视[4]。因此，再生混凝土抗渗性能的研究有非常重要的意义。

1 再生混凝土抗渗性能的研究现状

与再生混凝土的配合比[5-6]、力学性能[7-10]、抗碳化[11-12]等性能相比，再生混凝土在抗渗性能方面的研究相对较少，但依然有部分国内外的专家、学者对此做出了研究。

胡耀文[3]通过实验探究了粉煤灰掺量、再生骨料取代率以及水灰比对再生混凝土抗渗性的影响，结果表明当再生骨料取代率和水灰比较低时，其吸水系数相应较低，再生混凝土的抗渗性能较为理想，并且指出可以通过添加适量的粉煤灰来降低再生混凝土的渗透性。粉煤灰的微集料效应使得胶凝体系更加密实，提高了其抗渗性。

刘月丽[13]通过实验研究贝壳粉的掺量和再生粗骨料取代率对再生混凝土渗水高度和软化系数的影响，以此来分析二者对再生混凝土渗透性和耐久性的影响。结果表明固定骨料取代率时，随着贝壳粉掺量的增加，再生混凝土的渗水高度呈逐渐减小的趋势，即抗渗性能逐渐提高；而固定贝壳粉掺量时，随着再生粗骨料取代率的提高，渗水高度呈逐渐增大的趋势，即抗渗性能逐渐降低；并结合耐水性给出了5%～10%掺量的贝壳粉、50%掺量的再生粗骨料的最优配比。

朱缨[14]通过实验表明了复掺合成纤维与粉煤灰时再生混凝土的渗水高度下降最多，抗渗效果最好。周静海[15]通过自然扩散法测试废弃纤维掺量与长度对再生混凝土抗渗性能的影响，结果表明废弃纤维可以显著提高再生混凝土的抗渗性能，并给出掺量为胶凝材料体积分数的0.16%、纤维长度为19 mm的最佳方案。

张李黎[16]通过对天然混凝土与再生混凝土的对比实验，探究强度(该实验仅设计C20、C30两种强度对照)、水灰比、砂率对再生混凝土抗渗性的影响。实验结果表明，相比于天然混凝土，再生混凝土的抗渗性较差；相比于砂率，水灰比对再生混凝土抗渗性的影响更大；且随着再生混凝土水灰比的增大，其抗渗性能逐渐降低；平均来说，C30再生混凝土的抗渗性比C20再生混凝土抗渗性要高，说明再生混凝土的强度越高，其抗渗性越好。

张冬梅[17]通过实验研究硫酸钙晶须掺量对不同骨料取代率的再生混凝土渗透高度的影响，进一步分析了硫酸钙晶须对其抗渗性的影响，研究结果表明硫酸钙晶须对再生混凝土的抗渗性能有显著的提高，但应将其掺量控制在5 kg/m3以内，且相同掺量的硫酸钙晶须对不同骨料取代率再生混凝土的作用不同，当取代率为50%时，渗水高度下降最多，抗渗性能效果最好。

Sasanipour[18]通过在自密实混凝土中取代25%，50%，75%和100%的细骨料和粗骨料，分析了细骨料和粗骨料对抗氯离子渗透能力的影响。在所有对照组中，水灰比固定且水泥含量不变，结果表明，25%的粗骨料取代率对自密实混凝土的抗氯离子渗透性没有显著影响；随着再生细骨料取代率的增加，抗氯离子渗透能力显著降低。

Masood[19]研究和比较了低钙膨润土对天然混凝土和再生混凝土耐久性能的影响。分别以取代率为0，5%，10%，15%和20%的膨润土代替普通硅酸盐水泥对抗氯离子渗透等性能进行了研究。结果表明，在掺入低钙膨润土后，保证其和易性与天然混凝土相同时，再生混凝土的吸水率显著降低；在膨润土取代率为15%时，再生混凝土吸水率的下降幅度最大(高达8%)。在掺入低钙膨润土后，再生混凝土的耐久性会明显提高，且低钙膨润土对再生混凝土耐久性的贡献大于对天然混凝土的贡献。

Zhang[20]用碎砖作为粗骨料和用天然骨料制成的纤维增强混凝土的耐久性进行了对比研究，提出并讨论了纤维含量对耐久性的影响。结果表明纤维可以提高抗渗性，当添加0.6 kg/m3的纤维量时，样品表现出最低的吸水率和吸水系数。与无纤维的再生混凝土相比，加入聚丙烯纤维后，直径在2 000～20 000 nm 之间的孔隙消失，直径在50～100 nm的孔隙体积减小，小于30 nm的孔隙增加。这表明由于纤维的加入，较大直径的孔的数量较少，而较小直径的孔数目增加。使用聚丙烯纤维可以降低整体孔隙率和大孔体积，使内部结构更加致密。

Zaharieva[21]将再生混凝土的表面渗透性、透气性和透水性与天然混凝土进行对比。研究表明，与天然混凝土相比，再生混凝土的透水性高2倍。

Yao[22]用Al2(SO4)3和Ca(HCO3)2对再生骨料进行处理来探究再生混凝土的抗氯离子渗透性。结果表明，处理后的再生混凝土的抗氯离子渗透性能得到一定程度的提高，且25 ℃硅酸钠溶液比 60 ℃ 硅酸钠溶液降低再生混凝土渗透性更加明显。

Zhang[23]通过巴氏芽孢杆菌对再生骨料进行微生物碳酸盐沉积处理后，发现再生骨料表面覆盖碳酸钙沉淀，降低了再生混凝土的吸水率，且经过 10 d 的处理后，其吸水率的下降程度可达31.4%。

国内外学者主要通过水灰比、再生骨料取代率、天然混凝土与再生混凝土性能对比、添加掺合料(粉煤灰、矿渣、贝壳粉、膨润土、硫酸钙晶须等物质)等方面对再生混凝土的抗渗性进行了分析研究，同时又有部分学者通过强化再生骨料的方式来提高再生混凝土的抗渗性，且取得了一定的成果。但研究方向不仅限于此，混凝土的渗透性由其内部孔隙的大小、数量以及连通情况等决定，可以通过界面过渡区的微观变化和胶凝材料的孔结构等方面来分析再生混凝土的抗渗性。

2 再生混凝土的渗透机理

混凝土是由粗细骨料、胶凝材料、水以及外加剂按照适当的比例配合，经均匀搅拌、成型及养护硬化而成的人造石材，其本质上是一种非均质、多孔性的复合材料[24]，因此，混凝土有一定的透水性，当外界环境中的水通过孔道进入混凝土内部时，外界的Cl-、SO2、CO2和硫酸盐等物质会溶于水通过孔道进入混凝土内部，造成混凝土结构的破坏、钢筋的锈蚀以及其他建筑材料的损坏，严重影响工程结构的耐久性[25-28]。而再生混凝土由于再生骨料较天然骨料性能差(破碎过程中产生的裂缝、含有部分旧的水泥石等原因)，其抗渗性能相比于天然混凝土要差。因抗渗性对于混凝土的耐久性十分重要。

在工程施工中，为了保证混凝土的和易性，拌和混凝土时加入的水量一定会超过水泥水化的所需用水量，而多余的这一部分水分在水泥水化后会逐渐蒸发，水分蒸发之后会在混凝土的内部留下很多孔洞，这些孔洞可能会连通成孔道，且水泥水化凝结会发生化学收缩，这也会在硬化的水泥石中产生孔道；以及由于混凝土成型时振捣不实等原因产生的蜂窝、孔洞等缺陷都会造成混凝土渗水，严重影响其抗渗性。

混凝土的界面过渡区水灰比高、孔隙率大，Ca(OH)2结晶颗粒大、数量多，且以层状平行于骨料取向生长，这导致界面过渡区的结构不稳定，所以界面过渡区的强度相比于混凝土的其他位置较低，因此，在废弃混凝土进行破碎处理的过程中更容易产生裂缝，增加了再生混凝土的渗透性。骨料本身的性质对混凝土的抗渗性能也起着非常重要的作用，相较于再生骨料，天然骨料构成单一完整、结构致密，会在混凝土内部切断孔隙通道的连续性，从而增强混凝土的抗渗性；而再生骨料表面附着旧水泥凝结成的水泥石[29]，不利于新的拌和砂浆与再生骨料内天然石子的良好粘结，因此再生骨料与新拌砂浆的密实性较差，不仅不能有效切断孔隙通道的连续性，甚至会为水分的流通提供新的通道，降低了混凝土的抗渗性能。再生骨料表面的旧水泥砂浆会使得再生混凝土有更高的吸水性，凝结硬化过程中新水泥浆体水分损失更多，给再生混凝土界面过渡区造成的孔道、裂缝会更多，抗渗性能更差。

3 影响再生混凝土抗渗性能的因素

再生混凝土的抗渗性能在不同程度上受水灰比、再生骨料取代率、矿物掺合料等因素[30-32]的影响。

3.1 水灰比

与天然混凝土相同，随着水灰比的逐渐增加，其抗渗性能随之降低。水灰比增加，再生混凝土内部的自由水就增加，导致水泥水化凝结之后蒸发的水分变多，留下的孔隙自然就越多；而且在相同的水化程度下，水灰比越高，混凝土的最可几孔径越大，这些孔隙连接成孔道的可能性就越高，增加了再生混凝土的渗透性。因此，可通过适当降低其水灰比的方式来提高再生混凝土的抗渗性，这一结论也被Rasheeduzzafar[33]所证实，并且该学者进一步说明了相同强度时，当再生混凝土的水灰比较天然混凝土降低0.05～0.10时，二者的抗渗性相近。

3.2 再生骨料取代率

再生骨料表面粗糙且一定附有未能完全处理的旧水泥砂浆，这使其孔隙率增多，吸水率相应增加，而且废弃混凝土在进行破碎处理的过程中会产生或多或少的裂缝，这也为水分在其内部的流通提供了通道，这都会增加再生混凝土的渗透性；在拌和过程中会出现“旧骨料-旧浆体-新浆体-旧浆体-旧骨料”的多重界面过渡区，多重界面过渡区的叠加进一步降低了再生混凝土的密实性，降低了其抗渗性。潘秀英[34]、张丽素[35]均指出再生骨料取代率越高，再生混凝土的抗渗性能越差，并且张丽素进一步指明取代率高于30%后，再生混凝土的抗渗性能出现急剧下降的变化。但不同来源再生骨料的表面粗糙程度及其缺陷不同，因此，应通过实验将再生骨料取代率控制在合理范围内。

3.3 矿物掺合料

高成辉[36]指出添加适量的粉煤灰、矿渣粉、硅灰等矿物掺合料均对再生混凝土的抗渗性有明显的提高作用。张丽素[35]、毛添钿[37]亦通过实验证明了添加适量的粉煤灰对再生混凝土的抗渗性有提高作用。粉煤灰等矿物掺合料具有微集料效应，可以填充于再生混凝土内部的孔隙中，改善其孔隙结构，增加再生混凝土的密实性，从而提高再生混凝土的抗渗性；粉煤灰等矿物掺合料还具有火山灰效应，矿物掺合料中的活性物质与水泥水化后产生的 Ca(OH)2发生化学反应，生成致密的水化硅酸钙凝胶，交叉分布于混凝土内部，减少了混凝土内部的孔隙，提高抗渗性。但过量的矿物掺合料会使被同质量替代的水泥减少，弱化了胶凝材料与骨料之间的粘结作用，使得界面过渡区的孔隙率更大。因此，并不是矿物掺合料的掺量越多越好，应通过实验将其掺量控制在合理范围内。

此外，基体混凝土强度、骨料预处理方法、龄期、养护方式、制备工艺等因素都对再生混凝土的抗渗性有或多或少的影响。除了控制水灰比和再生骨料的取代率以及掺入矿物掺合料之外，还可以通过改善施工工艺(如二次搅拌法、三次搅拌法)、加入高效减水剂、对再生骨料进行预处理(如用CO2对再生骨料进行强化[38-39]，从而消耗掉旧水泥石中的 Ca(OH)2起到强化界面过渡区的作用)等方式来提高再生混凝土的抗渗性。

4 结语与展望

本文对再生混凝土抗渗性能的研究现状进行了综述、对再生混凝土渗透机理进行了梳理分析，并对再生混凝土抗渗性能的影响因素进行了总结。然而由于再生混凝土其自身的复杂性，在其抗渗性能方面仍然有很多问题需要进行深入研究。

(1)在矿物掺合料对再生混凝土抗渗性能的影响这一方面，目前大多数学者仅仅通过单掺或双掺矿物掺合料的方式进行研究分析，很少有学者研究多种矿物掺合料在共同作用下对其抗渗性能的影响，在后续研究中，可进行矿物掺合料在多因素耦合作用下对再生混凝土抗渗性能的影响。

(2)大多数学者仅仅通过室内实验的方法研究再生混凝土的抗渗性能，但再生混凝土于实际工程中的环境要相对复杂，影响因素更多，仅仅在室内环境进行实验并不容易完全模拟出实际环境，未来可通过有限元等软件模拟实际工程环境进行分析。

(3)强化再生骨料是提高再生混凝土抗渗性的有效方法，但目前对于强化再生骨料的方法或成本过高(如微生物碳酸盐沉积强化法、CO2强化法)，或有其他方面的局限性(如用硅酸钠溶液对再生骨料进行预处理会增大碱骨料反应的概率)，且操作复杂；目前对于改善再生骨料内部裂隙的研究也很少，这一方面需要进一步深入研究和探索。