摘要：利用废弃混凝土循环再生骨料和粉煤灰、矿渣等配制绿色高性能再生混凝土可以很好地解决资源和环境的协调发展。本文对绿色高性能再生混凝土的工作性能和抗压强度进行了试验研究，结果表明，采用常规材料和适当的途径完全可以使再生混凝土实现高性能化，再生骨料不宜用来配制高强和超高强再生混凝土，高性能再生混凝土的破坏基本是界面破坏，且高性能再生混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值高于普通混凝土的这一比值。
关键词：高性能再生混凝土；再生骨料；微细矿物质；工作性能；抗压强度
中图分类号:TU528.52；X799.1
文献标识码:A
文章编号:1001- 702X（2006）12- 0004- 03
0 前言
混凝土是土木工程的首选材料和最大宗的材料，而在混凝土原材料中，骨料用量又居首位。随着混凝土用量的增加，其消耗的砂石骨料等天然资源也越来越多，同时，全世界每年大量旧的建筑物解体和道路翻新改造以及新建建筑产生巨量的废弃混凝土，其数量呈逐年上升之势，巨量的废弃混凝土除要耗费大量的处理费用外还对生态环境造成很大的危害。因此混凝土作为最大宗的人造材料，对自然资源的占用及对环境造成的负面影响是非常严重的，混凝土材料和技术直接影响着人类的可持续发展。
事实上，废弃混凝土经过破碎、清洗、分级后可以作为骨料代替天然骨料重新配制再生混凝土[1- 3]。但目前我国尚未见到有关大坍落度、大掺量再生骨料商品高性能再生混凝土研究的报道。因此本文将粗骨料全部采用再生骨料，同时考虑泵送商品混凝土的要求，通过设计合理的配合比，掺入粉煤灰、磨细矿粉等微细矿物质和加入高效减水剂，使再生混凝土实现高性能化[4]，同时对再生混凝土拌合物的工作性能和抗压强度进行测试和分析，开发研究出绿色高性能商品再生混凝土。
1 再生混凝土配合比及工作性能
1.1 原材料
骨料：再生混凝土的粗骨料全部采用武汉王家墩机场跑道废弃混凝土循环再生骨料（以下简称WCA），其原生混凝土强度约为C50，经颚式破碎机破碎、人工筛分和冲洗而得，粒径5.0～31.5 mm，级配良好；细骨料选用巴河砂（S），含水率为5%。
水泥（C）和水（W）：水泥选用湖北黄石华新水泥厂生产的保垒牌42.5 级普通硅酸盐水泥，烧失量为2.14%，标准稠度为27.8%；混凝土拌和及养护用水为武汉市自来水。
粉煤灰（FA）：采用湖北汉川电厂的Ⅱ级粉煤灰，细度为14.8%，烧失量为5.79%。
矿渣粉（SF）：采用武汉武钢华新水泥有限责任公司生产的S95 矿渣粉，其比表面积为385 m2/kg，烧失量为2.35%。
硅粉（Si）：采用挪威埃肯公司生产的920U 等级的硅粉，其SiO2 的含量为92.66%，烧失量为1.34%。
减水剂：采用中建三局商品混凝土公司外加剂厂生产的萘系高效减水剂（FDN），为棕色液体，固含量31.04%，减水率为19.5%。
1.2 配合比设计
本研究以普通高性能混凝土配合比设计为原则，参考中建三局商品混凝土搅拌站的生产配合比，以强度为目标，同时考虑泵送混凝土的工作性能，采用粉煤灰超量替代水泥，矿渣粉和硅粉等量替代水泥，加入适量萘系高效减水剂的方式配制高性能再生混凝土。此外，为了提高再生混凝土的强度，在配制C60 高强再生混凝土时加入适量的硅粉。本试验共设计了5 个强度等级再生混凝土（C35，C45，C50，C55，C60），其实际配合比见表1。
1.3 试件制备和拌合物工作性能
按表1 的配合比配制高性能再生混凝土，采用天津路达建筑仪器有限公司生产的J- 50 型强制式搅拌机搅拌，将拌和好的再生混凝土拌合物分别制成150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm 的试件，振动台振动成型，试件按标准方法养护28 d。
为了保证施工的方便和再生混凝土的质量，新拌再生混凝土必须具有良好的工作性能，因此，在再生混凝土浇注成型之前，对新拌再生混凝土进行了坍落度和扩展度的测试，其坍落度和扩展度的测试结果见表1。
从表1 可以看出，C55 再生混凝土的坍落度最大，达到了23 cm，而C35 再生混凝土的坍落度最小，也达到了17 cm，均能满足泵送商品混凝土对坍落度的要求。并且在拌和过程中还发现再生混凝土无任何泌水现象发生。显然，由试验表明再生混凝土的坍落度可以满足泵送商品混凝土的要求，其保水性和粘聚性较好，工作性能良好。因此，通过适当的途径，如在配制再生混凝土时掺入粉煤灰、矿渣粉等微细矿物掺料和加入高效减水剂，再生混凝土完全可以获得良好的工作性能，实现高性能化，并满足泵送商品混凝土的要求。
2 再生混凝土的强度
2.1 立方体受压破坏
立方体抗压强度是检验混凝土强度最重要的指标。按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试高性能再生混凝土立方体28 d 的抗压强度。试验显示，高性能再生混凝土裂纹的发展规律和最终的破坏形式与普通混凝土基本相同。开始加载后，随着荷载增大，再生混凝土试件内的应力逐渐增加，在竖直方向产生压缩变形，横向产生膨胀变形。试件加载面上的横向变形受到摩擦力的约束，试件两端处于竖向压应力和两个方向的水平摩擦力作用下的三向受压应力状态，形成“套箍”作用。因而试件两端膨胀变形很小，而试件高度的中央“套箍”作用基本消失，因而横向膨胀变形最大。最初的裂纹沿垂直方向出现在试件高度中央的表层，并斜向往上端和下端发展，一直至加载面处再转向角部，形成正倒相连的“八字形”。继续加载，新的裂纹逐渐往里发展，试件表层再生混凝土开始外鼓、剥落，核心再生混凝土处于三轴受压状态。而随着试件表层的再生混凝土不断外鼓和剥落，试件的受压面积和水平约束力不断减小，试件高度中央的再生混凝土破坏最严重，最后形成2 个对顶的正倒相连的角锥形破坏面（见图1），且再生混凝土的破坏面上基本是骨料与水泥浆之间的界面破坏，几乎未见骨料破坏。
2.2 轴心受压破坏
按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试高性能再生混凝土棱柱体的28 d 轴心抗压强度，并以此值代表再生混凝土的均匀、单轴抗压强度。试验显示，高性能再生混凝土的裂纹发展规律和破坏形态与普通混凝土的基本相同，刚开始加载时，再生混凝土试件的应力较小，试件表面尚无肉眼可见裂缝。随着荷载的增大，试件表面的可见裂纹首先在再生混凝土试件的浇注侧面出现，由试件两端的角部沿竖向向中间发展延伸。随着荷载的进一步增大，裂纹也进一步发展，当接近破坏荷载时，裂纹发展迅速并不断延伸并贯穿，浇注侧面和底面相交的棱侧混凝土剥落，再生混凝土试件破坏时表面可见明显的宏观裂纹（见图2）
2.3 试验结果及分析
试验测得的高性能再生混凝土的立方体抗压强度fcu 和轴心抗压强度fc 见表2。
试验结果表明，配制的强度越高，高性能再生混凝土的立方体抗压强度与标准立方体抗压强度的比值下降越大。如虽然在C60 的再生混凝土中掺入了硅粉，但其强度增长仍很有限，且其立方体抗压强度甚至还低于C60 的标准立方体抗压强度，这说明再生骨料在配制高强和超高强再生混凝土时受到强度的限制。究其原因，一般认为有以下几点：（1）再生粗集料的孔隙率较高，在承受轴向应力时容易形成应力集中现象；（2）因破碎生产过程使得再生粗集料存在大量的缺陷，如破碎损伤积，累使得再生骨料表面和内部产生大量微裂纹等；（3）再生骨料表面不同程度地包裹着水泥浆，使得再生混凝土存在一些新水泥石基体与再生粗集料粘结较薄弱的区域[5-7]。因此，当配制高强和超高强再生混凝土时，其界面强度会明显低于水泥石基体强度，导致其破坏时很快从界面处破坏。因此，建议采用再生骨料配制再生混凝土的适用范围为强度等级不大于C50。
由表2 可见，高性能再生混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度比值最小为0.776、最大为0.791、平均为0.786，而我国GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》规定对C50 及其以下普通混凝土，棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值αc1=0.76，对C80 取αc1=0.82，中间按线性规律变化。显然，高性能再生混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值稍高于普通混凝土的这一比值，这一点与肖建庄和李佳彬[8]的试验结论一致。但高性能再生混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值仍然与我国现行规范规定的普通混凝土的这一比值非常接近，且其轴心抗压强度按现行规范计算结果是偏于安全的。由于混凝土原材料和组成、试件尺寸和高宽比（h/b）以及加载方法和试验测量方法的差异，导致目前国内外给出的众多关于混凝土棱柱体抗压强度及其与立方体抗压强度的比值的试验结果有一定的离散性。但一般来讲，混凝土的棱柱体抗压强度随立方体抗压强度增长而提高。因此，根据表2 的试验结果进行线性回归分析，得到的高性能再生混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系见公式（1）和图3。
fc=0.7933 fcu- 0.4231 （1）（相关系数r=0.9976 ）
显然，fc 与fcu 紧密相关，fc 与fcu 之间的回归公式有意义，且由图3 可见按公式（1）计算的高性能再生混凝土的轴心抗压强度与试验值吻合较好。
3 结论
（1）采用常规材料，同时掺入粉煤灰、矿渣粉等微细矿物掺料和高效减水剂，可以使再生混凝土获得良好的工作性能，实现高性能化，其坍落度能满足泵送商品混凝土的要求。
（2）再生混凝土的破坏基本是界面破坏，再生骨料不宜配制高强和超高强再生混凝土，建议再生混凝土的强度等级适用范围为不大于C50。
（3）高性能再生混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值要高于普通混凝土的这一比值，按GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》计算的结果是偏于安全的。总之，高性能再生混凝土与普通再生混凝土相比，具有更高的强度、更好的和易性和耐久性，比普通高性能混凝土和普通再生混凝土可以更多地利用工业废渣和废弃混凝土，节约更多的资源与能源，并且对环境的破坏减到最小，其绿色度更高。绿色高性能再生混凝土的开发应用从根本上解决了天然骨料的日益匮乏以及大量混凝土废弃物造成生态环境日益恶化等问题，保证混凝土工业和人类社会的可持续发展。
参考文献：
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