■肖长进

（福州新区交通建设有限责任公司， 福州 350002）

随着我国建筑行业的快速发展，混凝土材料消耗日益增大，天然碎石、河砂等非再生资源骨料也日益枯竭，同时建设过程中伴随的拆迁改造也产生了大量的建筑废弃物。 在体量巨大的建筑废弃物中，废混凝土占了大约41%的比例。 废混凝土的传统处理方式为简单堆填，一方面，这占用了日益紧缺的土地资源、造成严重的土壤和空气污染，另一方面，在资源日趋匮乏的今天，建筑废弃物的粗暴处理本身就是对资源的极大浪费[1]。 为解决这一难题，再生骨料混凝土的概念应运而生。 再生骨料混凝土，是指将废弃混凝土、砂浆、砖块、瓷砖等破碎加工成再生粗、细骨料后、用于全部或部分替代天然骨料生产而成的混凝土。 再生骨料混凝土技术的应用推广，不仅可以消纳城市化过程改建、拆除产生的大量建筑垃圾、减少环境污染，还可以解决过度开采天然骨料带来的生态环境问题，具有重要的经济、环保和社会效益[2]。

废混凝土经加工后可得到粒径不同的骨料，根据再生骨料粒径的不同可将再生骨料分为再生粗骨料（粒径＞4.75 mm）和再生细骨料（粒径≤4.75 mm）。再生粗、 细骨料可用于分别替代混凝土中的天然粗、细骨料，所得的混凝土分别称为再生粗/细骨料混凝土。 近年来，学术界通过大量试验研究，已经证明在相同配合比条件下，再生粗/细骨料混凝土的力学性能均要劣于普通天然骨料混凝土[3-16]。 一般地，当配合比相同时， 随着再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量逐渐减小[17-24]。 当再生粗骨料取代率达到100%时，混凝土力学性抗压强度损失率可达12%～30%[9]。而再生细骨料混凝土的性能劣化较普通混凝土更为显著，肖建庄等[25]研究得出，当再生细骨料取代率大于30%时， 再生混凝土的抗压强度明显降低；当再生细骨料取代率为100%时， 再生细骨料混凝土的抗压强度只达到普通混凝土抗压强度的61%。 从建筑固废回收利用的有效性来看，将再生粗、细骨料同时用于取代天然骨料来配制混凝土，将进一步提高对建筑固废的消纳效率，并提升再生混凝土制品的经济与环保属性。 然而，尽管学术界对再生粗骨料混凝土、再生细骨料混凝土研究较系统，但对同时采用再生粗、细骨料完全取代天然骨料配制的全再生骨料混凝土性能研究相对薄弱。 此外，考虑到引入再生粗、细骨料后，全再生骨料混凝土中界面过渡区、老砂浆等薄弱环节相较于单一种类骨料取代时更多， 这将影响全再生骨料混凝土在不同结构构件中的应用设计， 然而现阶段对这一问题的研究鲜见报道。因此，本文分别研究了再生粗骨料混凝土（recycled coarse aggregate concrete，RCAC）、再生细骨料混凝土（recycled fine aggregate concrete，RFAC）及全再生骨料混凝土（fully recycled aggregate concrete,FRAC）的力学性能，对比不同骨料替代方案下再生骨料混凝土的力学性能。 研究结果可为不同再生骨料替代方案下再生混凝土的应用提供力学性能依据，为再生骨料在混凝土中的应用推广提供理论指导。

1 原材料

1.1 胶凝材料

水泥采用福建炼石牌42.5R 普通硅酸盐水泥。其主要物理力学性能指标显示： 表观密度为3050 kg/m3、比表面积为360 m2/kg、烧失量LOI 为1.06%、初凝/终凝时间为125 min∶185 min、抗折强度（3 d）为5.6 MPa、抗折强度（28 d）为8.2 MPa、抗压强度 （3 d） 为27.5 MPa、 抗压强度 （28 d）为45 MPa。 其化学组分为：SiO224.78%、Al2O34.26%、Fe2O33.88%、MgO 3.06%、CaO 53.44%、Na2O 0.32%、K2O 0.35%、SO34.27%、TiO20.28%。 其矿物成分为：C3S 53.3%、C2S 20.7%、C3A 7.33%、C4AF 10.85%、SO32.03%、C4A3S 5.15%。

1.2 粗骨料

粗骨料由福州市闽侯县某石料厂提供，骨料粒径为5.0～31.5 mm， 所用粗骨料由不同级配碎石配置而成。 再生粗骨料由浙江省桐乡市同德墙体建材有限公司生产，骨料粒径范围为5.0～31.5 mm。 天然粗骨料和再生粗骨料的主要性能指标如表1 所示，与天然粗骨料相比， 再生粗骨料的含泥量较高，吸水率是天然骨料的5 倍多，压碎值指标较高，表明再生粗骨料较为疏松，这主要是因为其表面附着有老砂浆。 由图1 级配曲线可知，所用再生和天然粗骨料的粒径分布情况基本相当。

图1 天然粗骨料和再生粗骨料的粒径分布曲线

1.3 细骨料

本试验天然细骨料采用闽江河砂，采用的再生细骨料由陕西龙凤石业有限公司破碎废旧混凝土后获得，河砂与再生细骨料各项主要性能指标如表2所示，同样地，再生细骨料由于含有更多细小的老砂浆颗粒，或在砂的表面附着有老砂浆，导致其密度较天然河砂更低、吸水率显著增大（近7 倍）。 由级配曲线（图2）可知，两者级配略有差异，但其差异可以接受。

表2 河砂及再生细骨料主要性能指标

图2 河砂及再生细骨料的粒径分布曲线

1.4 减水剂

采用厦门科之杰新材料集团有限公司销售的聚羧酸高效减水剂，减水率达30%左右。

2 试验方案

2.1 试验配合比

本试验混凝土配合比设计参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》， 再生混凝土配合比如表3 所示，减水剂用量为胶凝材料用量的1%。

表3 混凝土配合比（单位：kg/m3）

2.2 成型与养护

搅拌时的投料顺序如下：首先将粗骨料与细骨料在搅拌机中搅拌1 min， 而后再加入水泥继续搅拌1 min， 最后将加入1%减水剂的水倒入搅拌机中，与之前的干料一起搅拌2 min。

在试件成型并振捣密实后，使用保鲜膜包裹试块表面防止水分流失，在温度为20±2 ℃、相对湿度95%以上的标准养护室养护24 h 后拆模，然后放标准养护室养护至不同龄期测试其指标。

2.3 试验内容及方法

2.3.1 抗压及劈裂抗拉强度

按GB/T 50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法》测试各组混凝土3 d、7 d、28 d 龄期的抗压及劈裂抗拉强度，每组混凝土均采用3 个100 mm×100 mm×100 mm 的试件。

2.3.2 动弹性模量

按GB/T50082-2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》 测试各组混凝土3 d、7 d、28 d龄期的动弹性模量， 每组混凝土均采用3 个100 mm×100 mm×400 mm 的试件。

3 试验结果与讨论

3.1 抗压强度

不同骨料替代方案下各组混凝土养护至不同龄期的抗压强度如图3 所示。 从图3 中可以看出，混凝土的抗压强度随着龄期的增长而提高，并且无论在任一龄期，普通混凝土的抗压强度均高于再生混凝土， 抗压强度大小为NAC＞RCAC＞RFAC＞FRAC。

图3 各组混凝土抗压强度

以NAC 为对照组，当仅有一种骨料被替代时，混凝土的抗压强度相较于对照组的劣化并不明显，RCAC 和RFAC 的28 d 抗压强度相近，相较于对照组抗压强度分别下降6.13%、6.97%，在可接受范围之内。此外，从图3 中还可以看出，再生粗/细骨料分别替代天然骨料后，对混凝土抗压强度的劣化作用主要表现在水化早期（7 d 内），且RFAC 的劣化作用更明显，相较于基准组抗压强度下降17.80%；水化7～28 d 龄期内RCAC 和RFAC 抗压强度发展速率与NAC 组相当。

再生骨料引入后对混凝土抗压强度劣化作用原因可能是：再生骨料本身为“老砂浆-界面-天然骨料”的三相材料，再生骨料与水泥、砂、水等一起搅拌生产再生骨料混凝土时，再生骨料与新的水泥砂浆间也会形成界面过渡区，因此，在相同配比条件下，再生骨料混凝土相比普通混凝土含有更多种类和数量的界面过渡区。 图4 为再生粗骨料取代天然骨料后混凝土界面过渡区分类对比图[9]，图4（a）中NAC 中只存在一种界面过渡区，即天然粗骨料和新砂浆间的界面过渡区（记为ITZ1），图4（b）中RCAC 也含有ITZ1，位于未被老砂浆包裹的老天然粗骨料与新砂浆间，除此之外，RCAC 中老天然骨料和附着老砂浆间本来就存在老界面（记为ITZ2），老砂浆和新砂浆间化会形成新界面 （记为ITZ3）。RCAC 中存在数量更多、种类更复杂的界面过渡区，且界面过渡区往往是水泥基材料的薄弱环节，这是RCAC 抗压强度低于NAC 的主要原因。 并且，再生粗骨料的附着老砂浆内部往往存在大量的孔隙和微裂缝，这也会在一定程度上削弱RCAC 的抗压强度。 再生细骨料取代天然骨料制备的RFAC 抗压强度下降的原因与再生粗骨料相似，主要是因为再生骨料的引入时混凝土中界面过渡区种类和数量增加、混凝土的薄弱环节增多。 由于再生细骨料相比再生粗骨料粒径小，比表面积大，因此再生细骨料替代下界面过渡区增多更显著[25]，进而造成RFAC力学性能较RCAC 下降更显著，表现RFAC 为水化早期抗压强度（7 d）比RCAC 低。 然而，与再生粗骨料相比，再生细骨料中老砂浆占比更高，老砂浆中含有未水化水泥颗粒在养护过程中可继续水化，对RFAC 水化后期的抗压强度具有一定的改善作用；并且再生细骨料中的微粉含量较再生粗骨料更大，其在硬化水泥浆体中具有一定的填充作用，也可改善混凝土后期强度，因此在水化后期（28 d）RFAC与RCAC 抗压强度趋于相近。

图4 再生粗骨料取代天然骨料前后混凝土界面过渡区分类对比

当天然粗、细骨料同时被再生粗、细骨料取代时，观察图3，与天然骨料混凝土NAC 相比，FRAC抗压强度劣化最为显著，水化28 d 后FRAC 抗压强度下降了29.41%。 分析原因主要是由于再生粗骨料和再生细骨料的物理性能均差于天然骨料，当天然骨料全部被取代时， 相比于RCAC 与RFAC，FRAC 生成的界面过渡区薄弱环节更多。此外，老砂浆、再生粗骨料中的微裂缝、孔隙等也会使混凝土在压力作用下更易开裂失效，即使再生粗、细骨料的老砂浆部分仍含有部分未水化水泥颗粒，其在养护期间水化对抗压强度的改善效应也不足以弥补上述多重削弱效应所带来的不利影响，因此，FRAC相较于仅采用再生粗骨料或再生细骨料替代时，抗压强度下降更显著。

3.2 劈裂抗拉强度

不同骨料替代方案下各组混凝土养护至不同龄期的劈裂抗拉强度如图5 所示。 从图5 中可以看出， 混凝土的劈裂抗拉强度随着龄期的增长而提高，普通混凝土的劈裂抗拉强度最高；28 d 龄期时，劈裂抗拉强度大小为NAC＞RCAC＞RFAC＞FRAC，与抗压强度呈现的规律相同。

图5 各组混凝土劈裂抗拉强度

以NAC 为对照组，当仅有一种骨料被替代时，RCAC、RFAC 相较于对照组劈裂抗拉强度分别下降8.59%、17.78%，再生细骨料取代下劈裂抗拉强度的下降程度显著高于再生粗骨料取代的情况，这与前述抗压强度劣化结果不同。 分析这一不同的原因，抗压强度受到骨料、砂浆、界面过渡区等各细观材料相的综合影响，而劈裂抗拉强度受界面过渡区性能的影响更显著。 由于天然粗、细骨料被再生粗、细骨料替换后均会引起混凝土中界面过渡区种类和数量的增多，然而，再生细骨料粒径小，比表面积大，掺入再生细骨料所引起的界面过渡区数量增多相比再生粗骨料更加显著，因此再生细骨料取代对所配制混凝土劈裂抗拉强度的削弱效应更为明显。

为进一步解释RCAC 和RFAC 劈裂抗拉强度相较于对照组下降程度明显不同的原因，本研究对再生骨料混凝土劈裂抗拉破坏后的断面图进行对比分析，如图6 所示。 由图6 可以看到，劈拉破坏面对界面过渡区有很强的取向性， 大部分破坏面沿着界面过渡区展开并延伸至砂浆， 但也有部分破坏面将石子劈开并延伸至砂浆。与对照组NAC 相似（图6a），RCAC 和RFAC 大部分破坏是沿着界面过渡区开展，具体特征是一边破坏面会裸露出明显的再生骨料， 另外一边破坏面留下完好且平整的凹槽。然而，对比图6（b）和图6（c）可以看到，RFAC 中沿界面过渡区破坏而裸露出的骨料数量更多， 不仅有天然粗骨料，而且相比于RCAC 的破坏断面，且断面中裸露出的小颗粒细骨料数量更多， 这说明RFAC 在劈拉试验时， 再生细骨料与水泥浆体间的界面过渡区同样是易破坏的薄弱环节。如前所述，由于再生细骨料比表面积更大，相比于再生粗骨料取代天然粗骨料，用其取代天然细骨料在混凝土中引入的薄弱界面过渡区更多，因此再生细骨料取代对所配制混凝土劈裂抗拉强度的削弱效应更为明显。

图6 劈裂抗拉破坏断面图

当天然粗、细骨料同时被再生粗、细骨料取代时， 相似地，RFAC 与对照组NAC 相比其劈裂抗拉强度下降更为显著 （水化28 d 后劈裂抗压强度下降24.53%）。 再生粗、细骨料同时替代对劈拉强度更为不利的原因，与抗压强度结果分析类似，即再生粗、细骨料的同时替代使得混凝土中界面过渡区数量更多、种类更复杂，薄弱环节更多，因此，劈裂抗拉强度劣化更明显。

3.3 动弹性模量

不同骨料替代方案下各组混凝土养护至不同龄期的动弹性模量如图7 所示。 由图7 可以看出，各组混凝土在3～28 d 龄期过程中， 动弹性模量随着龄期的增大呈上升趋势。 在各组混凝土中，无论是在3 d、7 d 还是28 d 龄期，普通混凝土的动弹性模量均高于再生混凝土。

图7 各组混凝土动弹性模量

当仅有一种天然骨料被全部取代时，与抗压强度不同，RCAC 与RFAC 的动弹性模量在各龄期相当。 影响动弹性模量的主要材料相主要是骨料与砂浆，尽管RFAC 中砂浆部分含有大量结构疏松多孔的老砂浆，结构不如RCAC 砂浆部分致密，但RFAC中粗骨料为天然粗骨料，比RCAC 中的再生粗骨料更密实、强度更高（表3），两相综合作用下，使得RFAC 和RCAC 的动弹性模量大致相当。当天然粗、细骨料同时被再生粗、细骨料取代时，由于砂浆相和骨料相均较NAC 有显著劣化， 因此FRAC 的弹性模量最低。

4 结语

（1）无论采用何种骨料替代方案，同配合比条件下再生骨料混凝土（再生粗骨料混凝土、再生细骨料混凝土、全再生骨料混凝土）力学性能如抗压强度、劈裂抗拉强度以及动弹性模量均比普通混凝土更差。 （2）再生粗骨料混凝土的抗压强度在早龄期（3 d、7 d）时略优于再生细骨料混凝土，但在标准养护至28 d 时，两者的抗压强度相当；两者的动弹性模量基本相当。 由劈裂破坏后的断面分析可知，界面过渡区是劈拉破坏的薄弱环节，再生细骨料替代天然细骨料相比于再生粗骨料替代天然粗骨料，引入了更多薄弱的界面过渡区，因此劈裂抗拉强度在各龄期（3 d 、7 d 及28 d）均劣于再生粗骨料混凝土。 对于不同力学性能，再生粗骨料和再生细骨料混凝土间的差异不同，这可能与影响不同力学性能的细微观材料相的不同有关。 总体而言，在不同组再生混凝土中，再生粗骨料混凝土力学性能要比同配合比条件下再生细骨料混凝土更优。 （3）当混凝土中骨料被再生粗、细骨料全部替代时，全再生骨料混凝土在早龄期时劈裂抗拉强度与再生细骨料混凝土相当且劣于再生粗骨料混凝土，当养护至28 d 时，全再生骨料混凝土劈裂抗拉强度均劣于再生粗骨料混凝土与再生细骨料混凝土，而其抗压强度以及动弹性模量在各龄期均小于再生粗骨料混凝土与再生细骨料混凝土。 这表明，相比与其他两组再生骨料混凝土，全再生骨料混凝土力学性能劣化更为显著。 （4）在选择用再生骨料替代天然骨料配制混凝土时， 应优先选用再生粗骨料替代的方案，当采用再生细骨料替代、或考虑再生粗骨料和细骨料全替代的方案时，应采取有效的改性措施以保证配制的混凝土力学性能达标。