混凝土再生骨料的研究动态及现状

近年来，由于建筑业的不断发展，大量旧建筑物被拆毁，或由于地震破坏产生的城市建筑垃圾量越来越大.建筑垃圾作为回填材料是未合理利用回收资源，如运往垃圾场堆放，则不仅侵占了大量农田，还导致严重的环境污染，更谈不上对回收资源的利用.如何合理处理这些建筑垃圾已经引起了政府部门和公众的普遍关注.
一般将废弃混凝土经过清洗、破碎、分级和按一定比例相互配合后得到的骨料称为再生骨料或再生混凝土骨料(Recycled Aggregate/Recycled Concrete Aggregate，简称RCA)，而把利用再生骨料作为部分或全部骨料配制的混凝土叫做再生混凝土(Recycled Concrete).显然，再生混凝土的开发和应用，一方面可大量利用废弃的混凝土，经处理后作为循环再生骨料来替代天然骨料，从而减少建筑业对天然骨料的消耗；另一方面再生混凝土的开发应用还从根本上解决了天然骨料日益匮乏及大量混凝土废弃物造成生态环境日益恶化等问题，保证了人类社会的可持续发展.
1.国外混凝土再生骨料的研究动态及现状
自从第二次世界大战结束之后，对废弃混凝土的再生利用在美国、日本、澳大利亚和欧洲一些国家成为一项重要课题，引起广泛的关注并在很大程度上得到了应用。对再生混凝土的研究主要是基于对再生混凝土骨料的研究。到目前为止，已召开过三次有关废弃混凝土再利用的专题国际会议，提出混凝土必须绿色化。如：1988年，在东京召开的RILEM 第二届混凝土解体和再利用的国际会议，会议从省资源、省能源以及可持续发展的观点出发，认为解体混凝土作为骨料再生资源，将越来越受到重视。
目前，将RCA应用于公路建设主要是基于经济方面的考虑，因为对旧混凝土的再生利用可以有效地减小运距，并且用相对便宜的RCA代替部分天然集料，可以大大降低工程造价。与此同时，由于土地资源有限，弃土堆等建筑废料填埋地越来越紧张和昂贵，对环境的考虑也是研究和利用RCA的主要原因。当前RCA主要被用于路面基层、路肩、多孔粒料填方，在极少情况下也被用于新建水泥混凝土面层。研究RCA的两个主要内容是：1)测试RCA的物理性质；2)研究RCA基层的力学特性，包括回弹模量和疲劳破坏.一般来说，研究过程包括样品采集、试验测试、加速性能试验、长期性质观测以及理论分析等。美国、澳大利亚、比利时、加拿大、法国、日本、英国、荷兰、西班牙等国家在制定关于RCA规范的时候，均侧重于级配、磨耗值和纯度等方面[1]。
据美国联邦公路局统计，美国现在己有超过20个州在公路建设中采用RCA，26个州允许将RCA作为基层材料；4个州允许将RCA作为底基层材料；将RCA应用于基层和底基层的28个州级机构中，有15个制定了关于再生骨料的规范。美国除鼓励应用再生骨料混凝土外，还对其性能进行了深入的研究。密歇根州交通厅在20世纪80年代初利用RCA重建了几条州际高速公路，根据该公路的工程实践和试验表明：再生骨料混凝土的抗冻融循环能力较差，收缩系数也较大，存在D型开裂问题；尽管天然骨料和再生骨料之间存在差异，但可以通过修改设计方法来增强再生骨料混凝土的性能。要降低RCA对这一问题的敏感度，通过将废弃骨料破碎成较小的粒径。横向裂缝有时是由于路面收缩引起的，因为RCA含有新旧砂浆，因此收缩系数较大。虽然大多数RCA路面性能是可以接受的，但这类路面有的损坏速度比预期的要快。可以观察到的征兆之一是直的垂直裂缝，其表面粗糙度或弯曲度较小。该室内试验研究分析了不同路面材料荷载传递对裂缝增加速率的影响和设计参数，得到的结论是，在相同条件下，一般来说，天然骨料(卵石和石灰岩)的性能优于RCA。尽管天然骨料和RCA之间存在差异，被研究的几个因素显示，要通过修改设计方法来增强RCA的性能最理想的方法是设计出能使混凝土增强的混合料，或通过结构设计来降低路面应力。混合料的级配设计是影响再生混凝土骨料性能的一个重要因素。只要级配有利于混凝土增强，含有较大的粗骨料颗粒也能改善横向胶结和裂缝的粒间作用。掺有相同或较大粒径天然骨料的RCA的性能也优于纯RCA。可以通过以下几个结构设计依靠骨料嵌锁力来增强RCA的抗开裂性能：1)增大基层的硬度；2)降低板的拉力：3)增加钢筋：4)使用变形钢丝网；5)用铰链结合。
1985年，堪萨斯州交通厅开始着手进行RCA的研究，回收旧混凝土作为集料用于新建水泥路面。通过对再生骨料的研究表明：掺再生骨料的路面混凝土与完全采用天然骨料的混凝土相比，强度略有下降，但具有更好的行驶性能和表面摩擦性能，其垂直错位也最少；研究认为，将旧混凝土再生作为集料用于新建水泥路面面层或水泥处治基层，在技术上是可行的。佛罗里达州交通厅对破碎的旧混凝土进行试验研究，结果表明：研究的RCA具有同天然集料相比非常优良的性质，并且能满足大多数道路机构对混凝土集料的规范要求；柔性路面基层材料中是可以掺加RCA的。俄亥俄州交通厅对再生骨料在刚性路面中的应用所展开的研究表明：在新浇筑的混凝土中采用再生骨料是可行的；由于再生细骨料吸水率太高，不宜用于工程实践[2]。

新墨西哥州立大学通过室内试验研究了RCA基层在重复挠曲荷载作用下的弹性模量和疲劳特性。主要结论是：1)加筋试件的平均永久累积应变是非加筋试件的很多倍，显示了在重复荷载下延度的明显增长：2)在重复荷载下，大多数试件的动弹性模量缓慢降低，损伤程度最多达到25%时就开始或接近破坏；3)在基层材料中掺加4%(按重量计)的纤维对减小疲劳损伤的积累速度是有效的. 在美国，再生骨料混凝土已走向实用化[3]。
欧洲最早对再生骨料混凝土进行研究。在德国，每年拆除的废混凝土约为0.3吨/人，此数字在今后还会继续增长。德国的达姆施塔特在1998年全部用再生混凝土建造的一栋六层带有停车场的办公楼，这是德国第一个废弃混凝土再利用的示范性工程。1998.11～1999.9在德国的达姆施塔特第二栋用再生混凝土建造的建筑在德国的达姆施塔特落成。目前德国的再生混凝土主要用于公路路面，德国的一条双层混凝土公路采用了再生混凝土，其底层19cm采用再生混凝土，面层7cm采用天然骨料配置的混凝上。德国有望将80%的再生骨料用于10%～15%的混凝土工程中。德国钢筋委员会1998年8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的应用指南”，要求采用再生骨料配置的混凝土必须完全符合天然骨料混凝土的国家标准。奥地利的有关试验表明，采用50%的再生骨料配制的混凝土，其强度值可达到B225～300（奥地利标准），而抗盐侵蚀性也有所提高，同时发现再生骨料混凝土的弹性模量降低；法国还利用碎混凝土和碎砖块生产出了砖石混凝土砌块，所获得的混凝土砌块己被测定，符合与砖石混凝土材料有关的NBNB21-001（1998）标准[4， 5]。比利时和荷兰，利用废弃的混凝土做骨料生产再生混凝土，并对其强度、吸水性、收缩等特性进行了研究。北欧各国，如丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典等国于1989 年实施了统一的北欧环境标准[6]。比利时政府长期以来一直关注建筑垃圾的再利用，并在上世纪80 年代末着手建立了比利时协会以便促进对建筑废料回收利用的研究。荷兰代夫特理工大学着手进行了RCA研究，重点是研究无结合料基层中掺有RCA时，其特性与级配、混合料组成等因素的关系。大量三轴试验结果表明：1)若级配中细料含量大，则表现出较大的粘结力，粘结力也受养护时间、级配组成等因素的影响，而所有的影响因素中，压实度对粘结力的影响最大；2)高RCA 含量导致模量值的增大，养护时间也会对其产生一定影响，而最大的影响因素仍然是压实度；3)抵抗水久变形的能力主要受级配、压实度、混合料组成等因素的影响，其中，压实度产生的影响最大，混合料组成次之，级配影响最小。在意大利，Vcorinaldesi和GMoriconi对再生骨料混凝土与钢筋间的粘结、梁柱节点在反复荷载作用下的抗震性能进行了试验研究，并与普通骨料混凝土进行比较分析。与同等抗压强度的天然骨料混凝土相比，再生混凝土的粘结强度提高6%，添加粉煤灰的再生混凝土的粘结强度提高15％。这主要由于再生细骨料或粉煤灰对混凝土的流变性能产生积极的作用，降低了混凝土的泌浆，提高了表面间的粘结质量。在低周反复加载作用下，对相同的梁柱节点，再生混凝土节点的耗能能力比参考混凝土（ 天然骨料混凝土）节点的少低，而添加粉煤灰的再生骨料混凝土梁柱节点在最后的两个循环的耗能能力比参考混凝土梁柱节点要高。
俄罗斯Osmangazi大学的研究者着重研究了再生骨料混凝土的配合比设计以及新拌混凝土的特性。他们得出随再生骨料含量的不同，弹性模量和韧度的变化规律。他们还发现，再生骨料混凝土的密实度表现出与普通混凝土相反的特征[7]。
澳大利亚的格里菲思大学的研究结果表明，只要生产出的再生骨料能始终满足质量标准，则完全可以作为一种基层或底基层材料，他们认为再生骨料的性能完全可以与用作基层材料的天然骨料相媲美。研究还发现混凝土的抗压强度和混合料中软弱物质含量对回弹模量和永久变形有重要影响。从20世纪80年代末开始，澳大利亚的墨尔本和悉尼等城市开始利用RCA。目前，据估计悉尼每年有大概40万t旧混凝土被再生利用，墨尔本则每年有35万t。在格里菲思大学，研究人员把抗压强度从15～75MPa的旧混凝土破碎之后，重新组合成符合基层材料规范要求的级配。三轴试件在压实后承受一天的重复荷载试验表明，旧混凝土的抗压强度、RCA中软弱物质含量和RCA的片状指数对回弹模量都有重要影响，其中最重要的是破碎的结合料中软弱物质和片状物质含量。所有研究结果表明，只要生产出的RCA能始终满足质量标准，则完全可以作为一种基层或底基层材料。研究人员认为RCA的性能完全可以与用作基层材料的天然集料相媲美，与其他材料相比，良好级配的RCA在较低的应力下甚至有更高的回弹模量。这是由于RCA混合料中有未水化的水泥的原因。
在日本，由于国土面积小，资源相对匾乏，因此将建筑垃圾视为“建筑副产品”，十分重视将废弃混凝土作为可再生资源而重新开发利用。早在1977年日本政府就制定了《再生骨料和再生混凝土使用规范》，并相继在各地建立了以处理混凝土废弃物为主的再生加工厂，生产再生骨料和再生混凝土，还制定了多项法规来保证再生混凝土的发展。1990年，日本国土资源部联合有关部门实施了《建设循环再生法》，以控制废弃物的生产，减少其数量。1991年，日本政府又制定了《资源重新利用促进法》，规定建筑垃圾必须送往“再资源化设施”进行处理。据有关资料报道，1995 年对于建筑垃圾的重新利用率就己达到65%，而2000 年度其再生利用率为81%，主要用作路基、碎石骨料、回填土和土地开垦等。此外，日本学者还对再生骨料混凝土的吸水性、强度、配合比、收缩、耐冻性等进行了系统的研究[8-11]。另外，国外各国专家学者从自己的实际情况出发，对再生骨料混凝土进行了系统的研究，现分述如下：1977 年4 月A. D. Buck在ACI / Concrete International上发表了Recycled Concrete as a Source of Aggregate，文中首次提出再生骨料混凝土28 天抗压强度与水灰比的关系以及抗压强度随龄期的变化[12]。1983 年1 月Torben C. Hansen和Henrik Narud在ACI / Concrete International上发表了Strength of Recycled Concrete Made from Crushed Concrete Coarse Aggregate，文中首次提出高强、中强、低强度混凝土破碎的再生粗骨料的性能特征，以及相应再生骨料混凝土的强度[13]。1985 年3 月R. Sri Ravindrarajrh和C. D. Tam在《混凝土研究杂志》上发表了Properties of Concrete Made with Crushed Concrete as Coarse Aggregate，文中首次提出再生骨料混凝土的静、动弹性模量以及28 天强度与弹性模量的关系[14]。1996 年11 月Mostafa Tavakoli和Parviz Soroushlan在ACI / Concrete International上发表了Drying Shrinkage Behavior of Recycled Aggregate Concrete，文中详细讨论了38 个配合比方案，以及各自的收缩应变[15]。1997 年I. B. Topcu在《水泥与混凝土研究》上发表了Physical and Mechanical Properties of Concretes Produced with Waste Concrete，文章总结了在此以前的研究成果[16]。2001 年11 月K. K. Sagoe-Crentsil等人在《水泥与混凝土研究》上发表了Performance of Concrete Made with Commercially Produced Coarse Recycled Concrete Aggregate。文中首次提出：混凝土在早期收缩过程中，在发生收缩变形之前，先发生膨胀变形，其时间大致与湿养护时间相当，以试验证明了养护条件对混凝土收缩变形的延迟作用[17]。2002年2月J. S. Ryu在《混凝土研究杂志》上发表了An Experimental Study on the Effect of Recycled Aggregate on Concrete Properties，文中采用显微硬度仪测试天然骨料和再生骨料混凝土界面处维氏显微硬度（相当于强度）的变化[18，19]。O’Mahony，Margret M.[20]进行了再生混凝土的试件的抗剪强度试验，并与天然骨料试件的抗剪强度进行比较。试验表明，再生骨料混凝土的抗剪强度能够满足混凝土的抗剪要求。Nishiura，Noriaki等人[21]进行了再生混凝土作为后浇混凝土叠合层的半叠合U型截面梁的弯剪试验。试验证明，用叠合的半预制再生混凝土梁的抗震性能完全满足上部结构的性能要求。Konno，Katsuyuki等人[22]对钢管再生混凝土柱的受力性能进行了试验研究，指出尽管钢管再生混凝土柱的压碎过程比普通钢管混凝土柱快，但钢管再生混凝土柱在刚度和极限强度方面与普通钢管混凝土相同，因此完全可以用于钢管混凝土中。Torben C Hansen [23]对再生骨料的特性、物理力学性能和配合比进行试验研究，结果表明，再生混凝土的抗压强度与原生混凝土及再生混凝土的水灰比有关；若仅使用再生粗骨料，再生混凝土拌合物的需水量约增加5%；但若同时使用再生粗细骨料，则再生混凝土的需水量增加约15%。由于用水量的增加，导致单方水泥用量增加，这是配制再生混凝土不经济的地方。F.T.Olorunsogoetal[24]采用耐久性指数的概念对再生混凝土的氧渗透指数(OPI)、氯离子扩散指数以及吸水性指数进行了测试。测试结果表明，再生骨料的掺入降低了混凝土的耐久性指数，再生混凝土的耐久性指数随养护龄期增加而增加。
2.国内混凝土再生骨料的研究动态及现状
在我国，长期以来建筑垃圾中拆除混凝土较少，基本没有实施再生利用，而是采取堆放或回填，这不仅侵占良田，影响环境质量，而且浪费资源，不符合可持续发展的战略。随着我国基础设施建设的快速发展，建筑垃圾的处理问题日益凸现。我国政府在《中国21 世纪议程——中国21 世纪人口、环境和发展白皮书》中，对世界面临的环境污染、生态破坏等问题给予了高度的关注。
我国政府制定的中长期科教兴国和社会可持续发展战略，鼓励废弃物的研究和应用，并加紧对再生骨料混凝土的开发利用进行立项研究，并取得成果。但总体来说，目前我国对RCA的研究尚处于起步阶段，对旧混凝土的回收利用还未引起人们足够的重视，只有极少数机构和单位对RCA的性质和应用做了初步研究。如：清华大学的冯乃谦，邢锋等人总结了日本再生骨料研究成果，提出了用30%以下再生骨料等量取代普通混凝土中骨料时，混凝土的性能与基准混凝土大体相同的观点。杜婷等人为了改善再生骨料表面孔隙多，吸水率大等问题，利用高活性超细矿物掺合料的浆液对再生骨料进行强化试验，采用Kim粉（含高效抗渗防水剂）取得了一定的效果，可提高再生骨料混凝土18%的强度[10， 25，26]。总的来说，我国的一些专家和学者对再生骨料混凝土拌合物的和易性、表观密度、强度、弹性模量、极限拉伸以及高强高性能化等方面进行的研究结果表明：再生骨料混凝土的粘聚性、保水性比普通混凝土要好，且其脆性降低，韧性增加，比普通混凝土具有更好的抗裂性能；但再生骨料混凝土的强度低，耐磨性差、体积稳定性差、耐久性不高。因此有学者提出，再生骨料混凝土可以用于地基加固、低等级道路和城市人行横道的级配垫层、预制混凝土空心砌块等部位，而不宜用于一般工业厂房与民用建筑中[27，28]。这极大的限制了再生骨料混凝土的应用。