再生骨料对实验室再生混凝土强度影响及研究

再生骨料对实验室再生混凝土强度影响及研究

戴雨昂，李昊轩，张子砚

（浙江科技学院中德工程师学院，浙江杭州310000）

摘要：通过废弃混凝土块经过分离、破碎、清洗分级后充当再生骨料,研究骨料在取代率不同和粒径不同的情况下，在同一配合比、同一强度等级下，相同尺寸再生混凝土抗折与抗压强度实测值与骨料粒径、骨料替代率之间的关系。通过再生骨料混凝土（RAC）的研究，展示再生骨料混凝土的性能，从而为施工提供混凝土选择依据。

关键词：废弃混凝土，再生骨料，抗压强度，抗折强度

0 引言

改革开放四十年以来，我国的经济飞速发展，城镇化也越来越普及，用地紧张的问题日益严重。随着一些老旧建筑物的拆除，又不可避免地产生了建筑垃圾，同时，建筑原材料也在快速地消耗着，生态问题日益突出，经济的发展也越来越受到资源与环境的制约。有数据显示，近几年，我国每年建筑垃圾的排放总量约为15.5亿吨—24亿吨之间，占城市垃圾的比例约为40%，造成了严重的生态危机。长期以来，因缺乏统一完善的建筑垃圾管理办法，缺乏科学有效、经济可行的处置技术，建筑垃圾绝大部分未经任何处理，便被运往市郊露天堆放或简易填埋，存量建筑垃圾已达到200多亿吨。2017年我国产生的建筑垃圾约为23.79亿吨，其中资源化利用的仅1.19万吨，2021年建筑垃圾将达28亿吨。将这些建筑垃圾资源化再利用，可以创造万亿元的价值[1][2]。

我国对待建筑垃圾一般采用填埋或露天堆砌等方式，这样不仅占用了大量的土地，而且需要消耗大量的人力、财力，资源问题与环境污染极其严重。因此，建筑垃圾的回收利用成为了政府部门重点解决的问题。在此背景下，再生骨料技术应运而生。再生骨料主要是将建筑垃圾（例如废弃混凝土）破碎后进行再加工，以此作为再生骨料在建筑项目中使用。再生骨料的应用可以进一步减少能源消耗，对促进环境保护具有重要作用。不少科研机构对混凝土的回收再利用展开研究，并取得了一系列成果[1][2][3][4]。

德国对再生混凝土的研究较早。据统计，2014年德国生产的废弃混凝土每人0.3吨，远远低于其他国家的平均值，大部分废弃混凝土再生后用作公路的原材料。同时德国也制定了《混凝土再生骨料应用指南》与《再生混凝土应用指南第一部分》，成为了一项国家标准。

日本在上世纪70年代就开始了对废弃混凝土的研究，制定了《混凝土用再生骨料H》、《使用再生骨料L的混凝土》等国家标准，日本在2005年全国生产的3200万吨废弃混凝土中再生利用了3100万吨，利用率达到了95%。

美国对于建筑垃圾的控制是从建设单位开始的，他们规定“任何生产有工业废弃物的企业，必须自行处理，不得擅自随意倾泻”，上个世纪80年代开始，通过将混凝土废弃物打碎，制成不同粒径的粗、细骨料，用于公路的建设。

荷兰是世界上建筑废弃物回收利用率最高的国家。荷兰对建筑废弃物的处理处于国际领先水平，荷兰对建筑废弃物的填埋监管十分严格，并强调对其回收利用。在2010 年，荷兰共产生2380 万吨建筑废弃物，其中94%被回收利用，3.5%被用于火力发电。废弃混凝土占荷兰建筑废弃物总排放的40%，几乎100%回收.利用，其中97%破碎作路基垫层骨料，接近3%经破碎清洗后用作再生混凝土骨料[4]。在荷兰，废弃混凝土回收利用产业是以企业为行为主，政府配合支持，以保护环境，节约资源为目的，以先进的技术、设备为支撑，对废弃混凝土进行综合加工使其成为可再利用的产品的行业。

由此可见，将再生粗骨料用于混凝土生产是保护自然资源和减少固体废弃物的有力举措。有研究认为，再生粗骨料的使用对混凝土性能有显著影响：将拆除的混凝土中再生骨料用于钢筋混凝土中，再生粗骨料含量高达20%~30%，力学性能将会降低。然而，目前研究表明不同的粗骨料对再生混凝土的性能影响不同，这些差异主要是由于再生骨料的掺量和质量造成的。此外，许多研究者认为，再生骨料的吸水能力对其影响也比较大。因此，合理的评价再生骨料质量，还需考虑其组成和吸水性，综合评价再生混凝土结构的力学性能[6][7][8]。

1 再生骨料混凝土基本性能要求

1.1 再生骨料混凝土概念

混凝土是由骨料(砂、石) 、水和胶凝材料组成的混合物，是城建设最基本的材料。废弃混凝土也是建造和拆除活动产生的体积及质量最大的建筑废弃物。如果仅仅采用传统的堆弃或填埋方式进行处理，不仅污染环境，占用土地，而且是对可回收利用的资源的浪费。这种形势下，废弃混凝土回收利用产业逐渐发展起来。根据国内外的研究结果，废弃混凝土的再利用方式主要分为两类：第一类是将废弃混凝土进行破碎、研磨、煅烧，将混凝土骨料与硬化水泥浆分离。此类方法不可用于工程的关键部位，因为混凝土强度较低，因此只能用于道路与建筑物的基础垫层或用于填海。还有一类是先将混凝土与硬化水泥浆分离，在从中获得高质量的再生骨料，用于生产再生混凝土，此类方法分离出来的水泥组分在一定程度上可以用于生产胶凝材料或用作路基改性材料，在一定技术条件下，重复利用率可以达到100%。混凝土固体废弃物主要通过分拣、剔除和破碎，转化为再生骨料，再用于预拌混凝土和混凝土制品。资料显示，再生混凝土等级强度一般在C20~C30，C40以上的标号强度在实际工程中应用较少，这与再生骨料的性能有关。骨料的总体积一般占混凝土体积的60%~80%

[3]，因此骨料质量的优劣将直接影响到再生混凝土各项性质的好坏。我国在《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006）中对砂石材料提出了明确性的技术要求。再生混凝土的抗压强度是研究的重点和热点，也是最重要性能指标之一。同时，这些再生骨料也可以应用于砂浆、垫层碎石和道路混合领域，但是目前应用较少，也是未来的发展趋势[3][6][7]。与此同时，再生混凝土也存在许多问题，暴露出一定的缺陷。

1.2 再生骨料混凝土性能

1.2.1 抗压强度

为了使钢筋混凝土达到工程强度，再生混凝土中的骨料必须具有足够的强度。大量文献研究表明，再生骨料混凝土抗压强度与再生骨料的替代率密切相关。再生骨料替代率在30%以下时，再生骨料混凝土与普通骨料混凝土抗压强度相差不大。在8%内，再生骨料替代率继续提高，再生骨料混凝土抗压强度随着再生骨料替代率的增加而降低。再生骨料50%替代天然粗骨料时，再生骨料混凝土抗压强度降低5%-20%，再生骨料100%替代天然粗骨料时，再生骨料混凝土抗压强度较低，最大降幅达30% [9][10[11]。但是在实际的工程中发现，在骨料的破坏过程中，骨料受力后存在一定的损坏，导致骨料强度较低，只能用来配置中低强度的混凝土。邢锋等人[9]的试验结果表明，由于再生骨料混凝土和天然骨料混凝土的骨料组成不同，其抗压强度随龄期的增长也不同。与天然骨料混凝土相比，相同水灰比的再生骨料混凝土28d抗压强度降低约15%，但随着龄期的增长，其差异范围将逐渐减小。

1.2.2 收缩性

使用再生骨料制备的再生骨料混凝土，其收缩率明显高于标准混凝土，且随着再生粗骨料取代比例的提高，收缩显著增大[10][11]。再生骨料表面粗糙，其中含有破碎的硬化水泥砂浆，砂浆体中水泥石本身的孔隙率较大，与天然骨料相比，再生骨料的吸水率和吸水率也较大。吸水率高导致混凝土干缩增大。同时粗骨料在混凝土结构中作为骨架，水泥砂浆填充于骨架中作为结构联结组分，在配合比和环境条件相同时，混凝土收缩率取决于粗骨料和砂浆的收缩率[12][13]。

通过改善再生骨料的吸水性能，可以改善再生骨料混凝土的收缩。例如，研磨再生骨料可以改善再生骨料的表面特性，降低再生骨料表面的砂浆含量，使用高强度的母体混凝土制作再生骨材料，或者在搅拌再生骨料混凝土时添加适量的减水剂，以改善再生骨料的吸水特性，从而减少再生骨料混凝土的收缩[13][14]。

1.2.3 抗拉强度

王武祥等人的相关研究[15][16]表明，再生骨料混凝土的抗拉强度和再生骨料的替代率密切相关，再生骨料混凝土的抗拉强度随再生骨料的替代率的提高而降低，当再生骨料100%替代天然骨料时，再生骨料混凝土对比天然骨料混凝土抗拉强度降低6.9%。

1.2.4 耐久性

Salomon在研究中发现，使用再生骨料制备的再生骨料混凝土，其抗冻性与普通混凝土基本相当，不同水灰比的再生骨料混凝土的抗冻融性并不低于普通混凝土[17]，并且再生粗骨料取代率对再生骨料混凝土的抗冻性基本没有影响。当再生骨料混凝土的水灰比为0.5～0.7时，再生骨料混凝土的渗透性是普通混凝土的2～5倍。再生骨料混凝土的渗透性随水灰比的增加而增加。当水灰比较小时，再生骨料混凝土的渗透性约为普通混凝土的3倍。当水灰比较大时，再生骨料混凝土的渗透性与普通混凝土差别不大[18]。再生骨料混凝土强度等级为C30和C35时，如果再生取代率低于50%，再生骨料混凝土的碳化速度与普通混凝土相当；随着再生骨料取代率的进一步增大，再生骨料混凝土的碳化速度略有增加[19]，同时随着水灰比增加，再生骨料混凝土的碳化深度增加 [19]。再生骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性略低于同水灰比的普通混凝土，再生骨料取代率小于30 %时，再生骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性与普通混凝土基本相同：随着再生骨料取代率的增加，再生骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性降低，但差别不大[19]。

再生骨料混凝土的各项耐久性较普通混凝土有所降低，其主要原因是再生骨料的表面性能和天然骨料有较大差异，再生骨料的空隙率和吸水率比天然骨料要大，从而影响了再生骨料混凝土的耐久性。

1.3 再生骨料混凝土研究方式

不同学者从不同方面对再生骨料混凝土进行了相关的研究。为降低废弃混凝土再利用的成本，减少混凝土破碎所引起的粉尘污染以及噪声污染等问题，吴波等人[20]。提出将废弃混凝土破碎成块，应用于钢管或钢筋混凝土中，但发现该方法取代率较低，一般在40%以下，且需要人工振捣密实，施工不便; 而王海超等人[21]将废弃混凝土破碎成粒径约为150mm 的再生大骨料，利用自密实混凝土浇筑成立方体试件和棱柱体试件，与天然大骨料立方体、棱柱体试件在整体力学性能方面进行对比研究，但对于再生混凝土试件内部情况及破坏机理并未深入研究。张莹[22]等人研究了用废旧路面混凝土制作的再生骨料的物理力学性能，以及添加了减水剂及粉煤灰的再生骨料混凝土的抗压、抗弯和抗折强度。

通过对肖建庄[23][24]教授对264块再生混凝土立方体试件抗压实验的研究报告可知，水灰比、再生骨料取代率、养护时间以及表观密度都会影响再生混凝土的抗压性能。研究报告显示，当再生骨料取代率为50%时，其抗压强度比天然混凝土抗压强度高。经过28d的养护后其强度再次提高。随着再生骨料随取代率的增大，其抗拉强度降低，当完全由再生骨料组成时，抗拉强度减少到最大值，达到 31%。

再生混凝土的极限延伸率比普通混凝土提高了27.7%，同时抗裂性也显著提升。还有研究人员对再生混凝土大梁的抗裂性能进行分析，发现了混掺PP纤维和PAN纤维能提升再生混凝土梁的抗裂性。

崔正龙[25]等研究者用取代率为100%的再生骨料制作的试件，在恒温恒湿的条件下自由收缩180d后，发现再生混凝土的干燥收缩率大于普通混凝土，早期干燥收缩达到了普通混凝土试件的2倍以上。不过当再生骨料替代率小于30%时，试件的收缩率不明显。

综上，结合实验室条件，小组采用保持水灰比不变的条件下，改变骨料的粒径，探究骨料对再生混凝土强度的影响。

2 实验研究

2.1 实验内容

这次实验采用三联模来做制作试块。保持配比不变，改变骨料的掺量，分别对比7d、14d、28d的试件强度。

2.1.1 配合比设计

水泥与标准砂的质量比为1:3，水灰比为0.5。每成型三条试件需要称量水泥（450±2）g，骨料（1350±5）g，拌合用水（225±1）g。实验试件分为4个组，每组成型3模，一模3跨。共计12 模，36块试件。设一组为标准组，其余三组改变再生骨料的替代量。其中置a1为基本组，即该组配比为标准混凝土配比，所用骨料为标准砂；a2 在保持水灰比不变的情况下，骨料中50%为标准砂，50%为粗再生骨料；a3在保持水灰比不变的情况下，骨料中80%为标准砂，20%为粗再生骨料；a4 在保持水灰比不变的情况下，骨料中80%为标准砂，20%为细再生骨料。截止目前为止，由于再生混凝土的配合比设计规范还没统一，其配合比设计结果见表1。

表1 再生混凝土配合比表

2.1.2 试验原材料及试块模型

实验所用的标准砂采用的是由厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂，其每袋净含量为1350±5g，即为一模所需的标准砂质量。

图1 实验用标准砂型号       图2 实验用标准砂

所用水泥为杭州海狮水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥（P.O），强度等级为42.5R，每袋净含量50kg。

图3 实验水泥图            图4 实验用再生骨料

表2 再生粗骨料性能

再生粗骨料来源于杭州富丽华再生骨料有限公司，分别标记为粗再生骨料m和细再生骨料n，相应的再生粗骨料和细骨料的基本性能列于表2 。再生混凝土试件的边长分别为40mm*40mm*160mm，制作及养护条件均相同。再生混凝土试块共计36个。

2.1.3 试件的制作与养护

再生混凝土抗压强度值是考核再生混凝土质量的重要指标之一，其值对建筑结构具有重要的指导意义[12]。在试件成型前，将三联模擦净，四周的模板与底座的接触面上涂一层薄油，紧密装配，防止漏浆，内壁也要均匀地抹上一层薄机油。搅拌在实验室的搅拌池里进行，采用人工搅拌的方式搅拌，在制备试件过程中投料的顺序、浇筑的情况、振捣的程度、养护的环境均会对再生混凝土试块的质量有所影响。因此，该试验过程中对试块的制作过程采取了严格的质量控制措施，以保证试验数据的精确性。我们先加骨料，再加水泥，最后倒入水搅拌，采用人工插捣制作再生混凝土试件。将拌好的胶砂铲入三联模中，放到振实台上振实5分钟。五分钟后从振实台上取下三联模，用一金属直尺以近似90°的角度架在试模模顶的一端，然后沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢地移向试模的另一端。一次将超过试模部分的胶砂刮去，并用同一直尺以近似水平的情况下将试件表面磨平。试块浇筑成型后，在15~25 ℃的环境中静置24 h，待试块成型以后进行标识并拆模处理。最后放入相对湿度为95%的环境中养护，养护龄期为28 d。

图5 混凝土砂浆搅拌              图6 混凝土砂浆振实

图7 试件放入养护室养护                 图8 实验用抗折试验机

2.2抗折与抗压试验操作要点

实验需要分别测量出7d、14d、28d的抗折强度以及抗压强度。在测试抗折强度时，应将试件的一个侧面放在试验机支撑圆柱上，成形面面向自己，均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上，直至折断，并且保持两个半截棱柱处于潮湿状态直至进行抗压实验。以三个试件测定值得算数平均值作为最后得到的抗折强度的测定结果，读数精确到0.01MPa。当三个强度值中有一个超出平均值的±10%时，应该剔除后再取平均值作为抗折强度实验结果。

在结束抗折强度的测试后应该立即用两个断块进行抗压实验。抗压实验使用抗压夹具进行。整个加荷过程以(2400±200)N/s的速率均匀加荷至破坏。以一组三个棱柱体上得到的六个抗压强度测定值得算数平均值作为实验结果。六个值中如果有一个超出六个平均值的±10%，就应该剔除这个结果，取剩下五个的平均数为结果。若五个测定值中再有超过平均值±10%的，则整组作废。

图9 实验用抗压试验机                  图10 实验用抗压模具

4 实验结果分析

再生混凝土试件强度实测值统计于图11 图12中。由表3和表4可知，7天和14天的再生混凝土抗折强度的变异系数大于7%，这表明该日期试验结果的离散性较大，突出说明了使用了不同粒径的骨料和替代量不同对再生混凝土的影响，并且在试块浇筑成型和养护过程中不可避免产生了缺陷，所以试验结果部分数据的离散程度较大。从表3表4 中还可以发现，随着再生混凝土试件的养护时间增加，再生混凝土的抗折强度逐渐增大，这符合混凝土强度增长曲线的要求。

由于设置a1为标准组。分析发现随着水泥胶砂中粗再生骨料替代比例增加，在相同养护时间内，其抗折强度减小，抗压强度减小。当使用不同粒径的再生骨料时，在替代比例相同的情况下，粗再生骨料所表现出来的性能更好。这可能是由于细骨料总表面积大，吸水能力更强，需要达到相同的流动性，需水量大，但是水胶比是不变的，因此强度降低。但是在图11中，我们发现14天a4的值要大于a3的值，这有可能是在实验中使用抗压试验机操作不当所引起的，当加载速度过大，会使混凝土试块瞬间破坏，得到的测量值偏大。

图12中，a4在14d抗折三个强度值中有两个个超出平均值的±10%，因此整组作废，此数据不作记录。

普通混凝土的干密度大小在2000~2800kg/m3左右，表观密度略大，通过对表5混凝土的表观密度的分析，大致得a1>a3>a4>a2的排序，这与混凝土的抗折抗压强度排序相吻合，说明混凝土强度可以从混凝土的表观密度值中反应。表观密度越大，混凝土越密实，孔隙率越低；表观密度越小，混凝土孔隙率就大。孔隙率小，混凝土承受荷载的有效面积就增大，而应力在空隙处集中，与此所受到的应力就减小。

表3 再生混凝土立方体试块抗折强度测试值

表4 再生混凝土立方体试块抗压强度测试值

表5 混凝土的表观密度值

图11 试件抗折强度折线图

图12 试件抗压强度折线图

再生骨料取代标准砂制备水泥胶砂时，随着再生骨料取代比例的增加，7d、14d、28d的抗压强度和抗强度呈减小的趋势。从表中可知，7d抗压强度在粗再生骨料替代含量为20%时达到最大值；14d抗压强度在细再生骨料替代含量为20%时达到最大值；7d抗折强度在粗再生骨料替代含量为20%时达到最大值；28d抗折强度在粗再生骨料替代含量为20%时达到最大值。综合抗压强度和抗折强度考虑，确定废弃混凝土的适宜取代率为20%，该组试样的7d、28d的抗压强度分别达到了46.52KN、72.3KN，抗折强度分别达到了6.03MPa、7.55MPa，但是强度值还是略低于基准水泥胶砂。

再生骨料的表面粗糙、棱角较多，相对于标准砂而言，再生骨料表面粗糙不规整，有较好的界面粘结强度，同时再生骨料颗粒具有填充效应，能够填充在砂浆水泥水化硬化时所产生的孔隙，使其孔隙率减小，孔结构和砂浆硬化浆体的密实度得以改善，使得砂浆的强度得到了一定程度的保持或提高。

在相同的配合比和强度等级下，通过研究相同粒径、骨料粒径和骨料替代率的再生混凝土抗折强度和抗压强度的关系。总结再生混凝土的强度受再生骨料替代量和再生骨料粒径的影响。骨料替代率越高，强度越低；粒径越小，强度越低。混凝土强度与混凝土表观密度呈正相关。表观密度大的混凝土试件，其强度也大。

5结论

经过大量的文献调查，同时结合实验，对再生骨料和再生骨料混凝土的性能进行了归纳分析，总结出了再生骨料和再生骨料混凝土具有如下的性质：

1、再生骨料的表观密度和堆积密度比天然骨料低。

2、再生骨料的吸水率远大于天然骨料，再生骨料的粒径大小与原废弃混凝土的使用环境和使用时间有关。

3、再生骨料混凝土的抗压强度、抗拉强度随再生骨料替代率的提高和水灰比的增大而降低。

4、再生骨料混凝土的收缩性随着再生骨料替代率的提高而迅速增大。再生骨料取代100%天然骨料时，再生混凝土的收缩性明显增大。

5、再生骨料混凝土的各项耐久性指标显著略低于普通混凝土。

综上，再生骨料混凝土与天然骨料混凝土之间各种性能差异的原因在于再生骨料的性能。改善再生骨料的性能可以改善再生骨料和再生骨料混凝土的性能。同时，再生骨料混凝土技术能够从根本上解决废弃混凝土的出路问题，既能减轻废弃混凝土对环境的污染，又能节省天然骨料资源，减少自然资源和能源的消耗，做到可持续发展。

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