熊毅 蔣華 何勇

(西華大學建筑與土木工程學院，四川成都 610039)

1 再生混凝土的產生背景

據有關資料的顯示，進入21世紀全世界每年消耗的混凝土為20億m3左右，其中僅砂石用量至少在30億t以上，而中國作為世界上最大的發(fā)展中國家，其中的消耗量更是占了其中的大多數。我國的幅員遼闊，隨著經濟的發(fā)展，越來越多的早期建筑逐漸到達了建筑的使用壽命的設計年限或者為了適應城市不斷的發(fā)展需要，這些建筑都面臨著要拆除的境地，并伴隨著大量的建筑垃圾的產生。由于廢棄混凝土的成分為基本水化完全的鈣的硅酸鹽、鈣的鋁酸鹽，在自然環(huán)境中很難自然降解。原來的處理方法主要是填埋，需要占有大量的土地，對環(huán)境有極大的負面影響。再生混凝土，主要是來源于已有的建筑、橋梁、公路拆解或者破碎下來的廢棄混凝土塊，經篩選、清洗等環(huán)節(jié)，作為再生混凝土的骨料進行重新拌制產生的混凝土。用天然碎石或卵石以及砂子制作的混凝土稱為原生混凝土。研究并使用再生骨料混凝土，可以在一定程度上解決大量混凝土廢渣處理困難的問題并且緩解了生態(tài)環(huán)境所面臨的巨大壓力。此外，用再生骨料替代天然骨料，可以減少土木工程對自然資源的消耗，從根本上解決了由于大量的建設工程對生態(tài)環(huán)境帶來的破壞，保護了人類的生存環(huán)境，符合我國提出的可持續(xù)發(fā)展的經濟模式。

2 國內外研究歷程

2.1 國內研究歷程

抗壓、抗拉強度低、脆性大、易開裂是再生混凝土的天然缺陷，其特點限制了再生混凝土在實際土木工程中的應用。通過實驗發(fā)現，在再生混凝土中摻入鋼纖維，可顯著地改善再生混凝土的抗拉性能、抗彎性能、抗?jié)B性能等，具有較好的延性及控制裂縫的能力，這可使再生混凝土的應用變得廣泛。不過，鋼纖維再生混凝土是最近十年才逐漸引起人們的注意，并有大量研究成果出現。這些成果主要是在鋼纖維對混凝土的基本力學性質、應力—應變關系以及水灰比等一些方面的基礎研究，以及把鋼纖維再生混凝土制作成建筑構件(主要是柱和梁)研究其振動、沖擊、耐火、耐環(huán)境侵蝕等方面的性能試驗。這些鋼纖維再生混凝土的研究在很大程度上是以對照已有的對原生混凝土研究成果為基礎。目前我國很多大學院校以及一些專門的科研院所都在對再生混凝土進行研究，研究的內容比較豐富，研究成果也有許多，并且很多成果都逐漸應用在實際的工程領域中。我國的一些公路、機場跑道的建設都相繼使用再生混凝土，如上海虹橋機場道路的路面鋪設。但由于在建筑中的結構構件比公路道路結構的受力復雜，尤其考慮當建筑在地震、強風的作用下時，建筑物的受力還會產生相應的復雜變化。所以再生混凝土的建筑構件的研究是近十幾年的再生混凝土研究的主要方向。

同濟大學建筑工程系的肖建莊［1］教授等對再生混凝土梁抗彎剛度計算公式進行了研究。通過試驗發(fā)現GB 5010-2002混凝土結構設計規(guī)范中的剛度計算公式不適用于再生混凝土梁。簡單考慮再生混凝土的抗拉強度和彈性模量的降低，無法完全解釋再生混凝土梁變形性能比普通混凝土降低的幅度。并且再生混凝土與鋼筋間的粘結能力比普通混凝土與鋼筋間的粘結能力低，以及受壓區(qū)再生混凝土變形與同條件普通混凝土相比增大，對再生混凝土梁變形性能的影響不能忽略。

哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院的楊海濤［2］等對鋼筋與再生混凝土握裹力的試驗研究發(fā)現，隨著再生粗骨料取代率的增加，握裹強度呈現先上升再下降的趨勢，但再生混凝土的握裹強度整體上都大于普通混凝土的握裹強度;再生混凝土的粘結滑移曲線基本上與一般混凝土的粘結滑移曲線沒有區(qū)別，只不過再生混凝土滑移曲線的斜率要比普通混凝土的大;握裹強度隨水灰比的增大而減小，為了提高再生混凝土的粘結性能，水灰比應在0.40 ～0.45區(qū)間內取值。大連理工大學的劉岳鑫等［3］通過研究鋼纖維對鋼筋自密實混凝土梁抗剪性能的影響，試驗結果表明，在混凝土中加入一定摻量的鋼纖維可以限制裂縫的產生和開展，增強了梁的整體性，明顯提高鋼筋混凝土無腹筋梁的抗剪承載力;少腹筋梁的抗剪承載力和對應的極限撓度隨鋼纖維摻量的增加而顯著提高。在混凝土中加入一定摻量的鋼纖維可以限制裂縫的產生和開展，增強了梁的整體性。明顯提高鋼筋混凝土無腹筋梁的抗剪承載力;少腹筋梁的抗剪承載力和對應的極限撓度隨鋼纖維摻量的增加而顯著提高。

2.2 國外研究歷程

鋼纖維混凝土最早出現于20世紀初。在1910年，美國人Porter首創(chuàng)纖維混凝土的研究，一年之后美國的Graham正式將鋼纖維摻加到混凝土中去，并初步驗證了其優(yōu)越性。從第二次世界大戰(zhàn)后，世界各國進行了這方面的研究和開發(fā)利用。1963年由美國人J.P.Romualdi和B.Batson提出的基于線彈性斷裂力學的纖維間距理論，并認為在向混凝土施加外力時，混凝土內部的裂縫、孔隙會擴展，最終導致混凝土的破壞。因此在混凝土摻入鋼纖維之后，可以有效地提高混凝土受力前后阻止裂縫產生和發(fā)展的能力。20世紀70年代，國際熔鋼抽絲技術的開發(fā)，很大程度上降低了鋼纖維的生產成本，為鋼纖維在混凝土工程中的大規(guī)模應用奠定了基礎。

由于廢棄混凝土的量越來越多，加上再生混凝土的研究和鋼纖維生產工藝越來越完善，人們清楚地認識到再生混凝土的重要性和可行性。作為可以改善再生混凝土性能的重要措施之一，鋼纖維再生混凝土的使用受到了大量的關注。世界上的化學公司都相繼開發(fā)出鋼纖維產品以滿足世界對鋼纖維再生混凝土的需要，如美國杜邦公司、3M公司、日本帝人公司等都開發(fā)出了多種水泥增強用纖維品種，并在道路、橋梁、超高層建筑、地鐵、隧道等土木工程領域中獲得了廣泛應用，收到了理想的工程效果。纖維混凝土的強度、韌性和耐久性都得到了極大的提高，使之代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土或預應力混凝土處理某些特殊工程情況已經逐漸成為國際趨勢。H.F.Porter［4］在一系列的水泥砂漿試塊中加入短鋼纖維進行試驗，試驗結果表明:在砂漿中加入鋼纖維可以顯著提高其抗拉、抗壓強度。Graham將鋼纖維加入混凝土中并進行力學性能試驗，試驗結果表明:鋼纖維混凝土相比較于普通混凝土而言，其強度和延性都有較大幅度的提高，并以此申請到美國第一項 SFRC 技術專利［5］。J.P.Romualdi［6］和 G.B.Batson 通過研究提出了纖維間距理論(對拉伸應力起有效作用的平均間距決定鋼纖維混凝土的開裂強度)，這在很大程度上促進了纖維混凝土的研究和應用。

3 再生混凝土尚需研究的問題

3.1 再生混凝土骨料的裹漿率

再生混凝土骨料大多數是從原有建筑物的拆遷現場經過分篩、清洗得到的。再生混凝土骨料來源于原有建筑的不同部位，經過進一步再破碎，分篩、清洗導致骨料的種類大概分三種:純水泥砂漿碎塊、水泥砂漿與原生粗骨料的混合物、原生粗骨料。純水泥砂漿塊的強度取決于之前建筑物修建時，混凝土的配制強度，經過一定年限的使用，受環(huán)境因素和使用情況的影響使這種再生骨料的強度一般低于原生混凝土的初始強度。原生粗骨料的碎石與卵石普遍高于混凝土的強度值，在國內外的再生混凝土實驗中基本上沒有看到在再生混凝土破壞中此種粗骨料自身發(fā)生破壞的。在再生混凝土使用過程中，使用此種骨料，混凝土的設計配合比基本上可以不用考慮粗骨料的強度就能滿足使用要求，可以直接作為原生骨料使用，在強度方面的考慮可以直接參照現有的混凝土配合比的設計理論。

在再生混凝土強度的設計中，若再生粗骨料的強度不能達到一定的強度要求，那么使用這種骨料產生的再生混凝土的強度會有很大的影響。所以，在再生混凝土的強度設計過程中需要根據粗骨料的具體類型(水泥細骨料粘結塊、水泥原生骨料的混合物、水泥原生粗骨料粘結塊)來對現有的普通混凝土強度設計進行修正或應重新建立專門的再生混凝土強度設計公式。

3.2 再生混凝土骨料來源的問題

由于再生混凝土的骨料基本來源于已有的建筑、橋梁、公路。由于原生混凝土的骨料類型、原生混凝土的強度、工程使用環(huán)境、使用年限的不同，導致再生粗骨料具有非常大差異性。如何把這些骨料用好是一個到目前為止在工程上還沒有得到共識的問題。由于國家現有規(guī)范還沒有這方面的涉及，并且出于工程安全性的角度，目前，主要的混凝土廢渣的主要用途基本是將具有一定強度保證的混凝土廢渣用來當作路基的填料，或者是某些小型邊坡的填料。在土木工程的其他領域應用還不是很多。此外，某些場合的混凝土是不適于當作再生混凝土的骨料的。比如，在受海水浸泡的橋墩拆解下來的混凝土，有化工工業(yè)腐蝕的混凝土以及在核電站或者暴露在放射性環(huán)境中的混凝土均不適合用于再生混凝土當中。

3.3 鋼纖維在再生混凝土中的使用

查閱大量的有關再生混凝土的論文，再生混凝土的本身強度基本上都會低于原生混凝土強度。為彌補再生混凝土強度上的天然缺陷，往往在再生混凝土中摻入一些纖維摻料或者其他的一些礦物，比如鋼纖維、碳纖維、玄武巖連續(xù)纖維、釩鈦礦渣等。在鋼纖維再生混凝土這方面，鋼纖維在再生混凝土中的作用基本上延緩混凝土的開裂現象，從而增加再生混凝土的強度。但是，通過大量的實驗發(fā)現，在再生混凝土破壞時，再生混凝土開裂，而摻入的鋼纖維基本上沒有什么變形或者破壞。鋼纖維的強度基本上沒有發(fā)揮出來，形成鋼纖維的強度“浪費”。但是，若是降低鋼纖維的含量，不能起到防止再生混凝土過早開裂，提高混凝土強度的目的。如何達到使用鋼纖維的最佳平衡點，仍是以后需要進一步研究的問題。

4 再生混凝土的發(fā)展與展望

再生混凝土本身單純作為混凝土骨料，無論是從骨料的純度以及骨料強度的穩(wěn)定性來看，其應用前景并不是很大?，F在應用前景較為廣闊的是，將鋼纖維加入再生混凝土中形成鋼纖維再生混凝土。其抗拉、抗裂性能都比單純的再生混凝土有較大提高。由于鋼纖維具有鎖住再生混凝土粗骨料，防止再生混凝土過早開裂的作用。在再生混凝土拌合時，鋼纖維可以使再生混凝土的流動性降低，可以用于混凝土早期流動性比較低，需要短時間能定性的工程環(huán)境。比如，在隧道開挖時需要使用噴射混凝土進行臨時支護，以及在一些邊坡治理與加固的工程環(huán)境中，利用鋼纖維再生混凝土流動性低，內部含有鋼纖維進行拉結的特點，配合錨桿的使用可以使邊坡的加固效果更好。另外，由于再生混凝土中含有大量的鋼纖維，再生混凝土的抗偶然荷載的能力也有所提高，在軍事建筑工程領域也可以列于抗爆工程的范圍。此外，在建筑物的某些次要部位使用鋼纖維再生混凝土，可以使建筑物在遭受地震作用的時候，鋼纖維再生建筑構件在破壞之前可以吸收較多的能量，從而減緩地震能量對建筑本身的破壞，起到一定的抗震作用。

5 結語

鋼纖維再生混凝土與普通原生混凝土相比，雖然在力學性能上有一定的不足，但是其對于環(huán)境保護、資源的可持續(xù)利用方面具有重大的意義。其具有的獨特的工程特性也是一般混凝土所不具備的，如果能在正常的工程環(huán)境中，合理的使用鋼纖維再生混凝土，那么其價值會與普通原生混凝土相當。

［1］肖建莊.再生混凝土梁抗彎剛度計算公式的研究［A］.首屆全國再生混凝土研究與應用學術交流會［C］.2008.

［2］楊海濤，田石柱.鋼筋與再生混凝土握裹力的試驗研究［J］.混凝土與水泥制品，2013(3):6-10.

［3］劉岳鑫，丁一寧，劉思國，等.鋼纖維對鋼筋自密實混凝土梁抗剪性能的影響［J］.混凝土，2009(10):83-87.

［4］Porter H F.The Preparation of Concrete-Form Selection of Materials to Final Deposition［J］.Journal Proceedings of American Concrete Institute，1910，6(2):296.

［5］Ronald F Z.Fiber-reinforced concrete:an overview after 30 years of development［J］.Cement and Concrete Composites，1997，19(2):107-122.

［6］Romualdi J P，Mandel J A.Tensile strength of concrete affected by uniformly distributed and closely spaced short lengths of wire reinforcement［J］.ACI Journal，1964，61(6):67-71.

［7］歐陽幼玲，陳迅捷，陸采榮，等.鋼纖維和仿鋼纖維噴射混凝土性能［J］.東南大學學報(自然科學版)，2010，40(Z2):44-48.

［8］劉慶濤，岑國平，蔡良才，等.機場道面再生混凝土的性能與應用［J］.中南大學學報(自然科學版)，2012，43(8):3263-3269.