完全水化的水泥石，其主要水化产物有：
1）水化硅酸钙凝胶（C-S-H）约为70%左右。（是水泥石形成强度的最主要化合物）
2）氢氧化钙晶体（Ca(OH)2）约为20%左右。
3）水化铝酸钙约为3%左右。
4）水化硫铝酸钙晶体（也称钙矾石）约为7%左右。
混凝土中因为有粉煤灰、矿渣粉等胶凝材料，水化产物会有所不同。
水性环氧水泥砂浆是由水性环氧树脂H123A、水性环氧固化剂H123B、水、水泥、砂子、细石子组成，砂子石子无需烘干、一次性可以做厚。采用水性环氧树脂乳液对水泥砂浆进行改性,分析了其对水泥砂浆流变性、抗压和抗折强度、黏结强度以及收缩特性的影响,并结合 SEM 微结构分析,探讨了水性环氧树脂的改性机理。结果表明:掺入水性环氧树脂乳液后,能显著增强水泥颗粒的分散,大幅度提高水泥砂浆的流动性能水泥砂浆的 7 、 28d 抗折与抗压强度均有所提高,当聚灰比为 3%~9%时存在峰值经过改性之后水泥砂浆试件的折压比呈现增加趋势,水泥砂浆的韧性有所增加随着聚灰比的不断增加,黏结强度也不断增加,当聚灰比为 12% 时,黏结强度出现最大值随着聚灰比的增大收缩率下降幅度越大,当掺量增大到 12% 以后,基本不再减小掺入水性环氧树脂乳液后氢氧化钙晶体数量明显减少,水化产物得以细化,内部结构密实度显著提高。关键词:水泥砂浆水性环氧树脂路用性能微观结构改性机理收稿日期:2017-03-20基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2011BAE27B04 )作者简介:程毅,男,高级工程师 . 普通水泥基复合材料因具有收缩显著、脆性明显和抗腐蚀性能差等缺陷而给结构物耐久性带来极大影响。尤其是在道路工程领域,随着大型多轴重型载重交通量的日益增长,结构物所受到的高速高频冲击越来越严重,往往导致断板、开裂等早期病害的产生。随着化学工业的发展,聚合物改性水泥砂浆和混凝土由于其优异的物理、力学性能和耐久性而成为道路工程结构物的修补材料被推广应用。目前,常用的水泥基复合材料改性聚合物一般有 4 种:乳液型聚合物、水溶性聚合物、液体聚合物及可再分散的粉料型聚合物。国内外大量研究表明:经过聚合物改性后,水泥基复合材料的抗弯拉强度、耐磨性、韧性和黏性等特征均有明显提升,相同的流动性条件下其断裂能是普通水泥基复合材料的 2 倍以上。此外,改性之后的水泥基复合材料抗氯离子渗透、抗碳化和抗冻性能等均有显著提升。水性环氧树脂溶于水后能在室温条件下和高碱性环境中发生聚合反应而固化,固化后形成的三维网状结构穿插于水泥基体中,大幅提升复合材料的强度,同时还耐水、耐酸碱和耐大多数化学药品。因此,目前已发展成一种重要的水泥基复合材料改性聚合物。前人研究发现,虽然关于聚合物对水泥基复合材料性能的改善已达成共识,但是关于在不同掺加量的条件下水性环氧树脂乳液对水泥基材料各种性能的影响规律一直存在争议,并且其改性作用机理仍有待进一步研究。鉴于此,该文采用一种新型的水性环氧树脂乳液对水泥砂浆进行改性,对其作为道路加固修补材料的路用性能进行分析,并结合微结构测试对其改性机理进行探讨。1 试验1.1 原材料水泥(C ): 42.5R 普通硅酸盐水泥砂( S ):洁净河砂,细度模数 2.32 减水剂( SP ):聚羧酸类高效减水剂,棕黄色,固含量为 30% ,减水率为 25% 聚合物改性剂(P ):上海双酚 A 型水性环氧树脂乳液 A 、 B 双组分,其性能指标见表 1 ,拌和用水:自来水。1.2 试验方法通过前期研究确定此次试验的对照组即普通水泥砂浆的基准配比,并根据所设置的基准配比,通过改变环氧树脂乳液的掺加量,分别设置了各改性组的配比,以此研究环氧树脂乳液在不同掺加量下对水泥基材料各种路用性能的影响,如表 2 所示。拌和过程中,首先将称量好的水性环氧树脂和固化剂混合均匀后备用,将水泥和砂干拌 30s ,然后加入混合好的聚合物搅拌60s ,再加入水和减水剂搅拌 120s 。5 1 2第 37 卷 第 5 期2017 年 10 月中 外 公 路 网络出版时间：2017-10-24 15:12:52网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/43.1363.U.20171024.1512.047.html 表 1 水性环氧树脂及固化剂性能指标材料分类 外观密度(25℃ )/(g · cm-3 )固含量/%配比A 组分 - 水性环氧树脂乳白色黏稠液体1.04~1.16 57±2A∶B=1∶2B 组分 - 固化剂黄色透明黏稠液体1.01~1.12 57±2表 2 试验配合比组别 ( P / C )/ %W / C( SP / C )/ %C∶SP-0 0 0.38 0.8 1∶2.72P-1 3 0.38 0.8 1∶2.72P-2 6 0.38 0.8 1∶2.72P-3 9 0.38 0.8 1∶2.72P-4 12 0.38 0.8 1∶2.72P-5 15 0.38 0.8 1∶2.72每组砂浆搅拌均匀后按 GB / T2419-2005 《水泥胶砂流动度测定方法》的规定对其流变性进行评价。根据 GB50728-2011 《聚合物改性水泥砂浆试验规程》规定,成型 40mm×40mm×160mm 棱柱体试件后标准养护,然后分别测试其 7 、28d 的抗折与抗压强度以及不同龄期的收缩率。采用黏结抗折强度试验来评价水泥砂浆的黏结性能:首先成型 40mm×40mm×160mm 普通水泥砂浆棱柱体试件养护至 28d 龄期后用石材切割机从中分线切断,用砂纸对断面打毛使用前将切断后的普通水泥砂浆试件放在水池中浸泡 5h ,拿出后用毛巾擦掉浮水,将半块试件放在三联模一端,用改性水泥砂浆把三联模的另外一端填满,即制成新老砂浆的黏结试件。当达到规定的龄期后进行抗折强度试验,将所测出的强度试验结果视为黏结强度,来间接评价水泥砂浆的黏结性能。在试件断裂面上取试样,所取试样的表面要尽可能平整,起伏不能过大。然后放入无水乙醇中终止其水化,再喷金处理,采用 HitachiS-4800 场发射扫描电镜(SEM )分析环氧树脂的加入对水泥砂浆内部微结构的影响,探讨其对水泥砂浆的改性机理。2 结果与讨论2.1 改性砂浆流变性各组配比下砂浆的流变性测试结果如图 1 所示。从图 1 可以看出:水性环氧树脂乳液同其他类型 1801501209060300流动度 /mm18 15 12 9 6 3 0聚灰比 /%图 1 水性环氧乳液对流变性的影响的聚合物材料有类似的功能,加入到水泥砂浆之后同样可以大幅度改善水泥砂浆的流动度。即在相同流动度条件下,加入水性环氧树脂乳液会减少拌和用水量,说明其具有减水作用。分析以上原因主要是由于环氧树脂加入后在搅拌过程中易引入气泡,产生“滚珠”效应。并且,由于环氧树脂颗粒有一定的表面活性剂作用,当其附着在水泥微粒的表面后,会使水泥微粒也具有一定的极性,能显著增强水泥微粒的分散作用。随着环氧树脂乳液添加量的增加,其对水泥微粒的分散性进一步提高,将水泥微粒絮凝状结构打开,其内部水分变为自由水,所以改性水泥砂浆的流动性得到增加。2.2 改性砂浆力学性能各组配比的 7 、 28d 力学性能测试结果如图 2~4所示。可以看出:水性环氧树脂的掺入对水泥砂浆的抗压和抗折强度都有一定的改善。 7 、28d 龄期的改性水泥砂浆试件的抗压强度随聚灰比改变其变化规律类似,在一定聚灰比范围内,在水泥砂浆中加入环氧树脂乳液进行改性之后会增加其抗压强度。当聚灰比为3%~9% 时,水泥砂浆经过环氧树脂乳液改性之后其抗压强度存在峰值,当龄期为 7d 时提高幅度为 6%~13% ,当龄期为 28d 时提高幅度为 12%~15% 。图 3 显示,掺入环氧树脂乳液改性之后的水泥砂浆与对照组的普通水泥砂浆相比,其抗折强度均有所提高。在 7 、28d 龄期时,水泥砂浆抗折强度变化规律基本一致。当聚灰比为 9% 时,水泥砂浆经过环氧树脂乳液改性之后其抗折强度达到最大,7d 龄期时较对照组的抗折强度增加了约 23% , 28d 龄期时增加了约 29% 。之后随聚灰比的增大,改性水泥砂浆的抗折抗折强度测试结果 0.300.250.200.150.100.050折压比18 15 12 9 6 3 0聚灰比 /%7 d28 d图 4 折压比测试结果强度开始下降。折压比在一定程度上可反映材料的韧性特征。由图 4 可以看出:掺加环氧树脂乳液后,经过改性之后的水泥砂浆试件的折压比与对照组相比都有所增加,即加入环氧树脂乳液后,水泥砂浆试件的韧性有所提高。因此,水泥砂浆经过环氧树脂乳液改性之后可以改善其脆性破坏特征。2.3 改性砂浆黏结性能在进行结构修补的过程中,结构物能否得到良好的修补主要是由新老水泥基材料之间的黏结强度决定的。因此,黏结强度是聚合物改性水泥砂浆的一项重要性能指标。各组 配比下的 黏结 强 度 测 试 结 果 见图 5 。从图 5 可以看出:水泥砂浆经过环氧树脂乳液改性之后其黏结强度随聚灰比的增大显著变化。当聚灰比为 0 时,即不掺加水性环氧树脂乳液时,普通水泥基材料黏结强度很小,约为 0.8MPa 。随着聚灰比的不 黏结强度 /MPa54321018 15 12 9 6 3 0聚灰比 /%图 5 黏结强度测试结果断增加,改性之后的水泥基材料抗折黏结强度也不断增加,当聚灰比为 12% 时,改性之后的水泥基材料抗折黏结强度出现最大值。当继续加大聚灰比时,其抗折黏结强度则呈现出降低的趋势。出现上述变化的原因是当掺加环氧树脂乳液时,乳液和水泥的水化生成物两者间由于化学键如范德华力和氢键的共同作用,使水泥砂浆内部水泥基相与分散基相(骨料)之间的界面过渡区(ITZ )更加紧密,提高了水泥砂浆内部水泥基相与分散基相之间的黏结,使水泥砂浆的微裂纹更难产生。当聚灰比超过一定范围时,经过改性之后的水泥基材料抗折黏结强度下降的原因主要是聚灰比太大,在经过环氧树脂乳液改性之后的水泥砂浆内部,环氧树脂乳液成为首要的骨架,水泥水化后的生成物所占的比例反而很少,成为次要部分,由于环氧树脂乳液在硬化之后的弹性模量远小于水泥砂浆。因此,当聚灰比太大时,经过环氧树脂乳液改性之后的水泥砂浆抗折黏结强度表现出下降的趋势。该研究进行的抗折黏结强度试验过程中,水泥砂浆试件发生断裂的部位主要是新老砂浆的黏结区域,说明新老砂浆之间的界面过渡区是砂浆较为薄弱的部位,这是因为界面过渡区存在的缺陷要素难以掌控,使新老砂浆之间的黏结力降低。在聚合物改性水泥砂浆中,砂子经过搅拌机搅拌后被水泥浆体裹附。但是,在新老砂浆之间的界面黏结处,砂子被机器振捣后被碾压在两者的界面处,导致砂子和新老砂浆界面之间形成“点接触”,使得老砂浆的黏结面出现较多的孔隙,使改性水泥浆体不能大量进入老砂浆界面孔隙中,无法将硬化后的水泥石润湿。而且,改性水泥砂浆也因此失去大量水泥浆体,使得改性水泥砂浆黏结强度降低,无法与修补界面牢固地黏结在一起。同时,砂子会大量出现在新老砂浆之间的界面处,使两者的界面处各种缺陷更加容易产生,使新老砂浆之间的黏结强度再次减弱。范德华力和机械黏着力是改性水泥砂浆产生黏结强度的主要原因,不像刚成型的水泥砂浆那样完7 1 2 2017 年 第 5 期 程毅,等:水性环氧改性水泥砂浆路用性能与机理研究 整地连接起来,因此黏结强度要远低于抗折强度。2.4 改性砂浆收缩性能水泥砂浆在硬化过程中不可避免会产生体积收缩,当收缩应力超过砂浆的抗拉强度时就会产生裂缝,不仅会影响到其与结构物的黏结性能,而且会对修补结构的耐久性带来较大影响。因此,该研究对改性水泥砂浆的收缩性能进行了测试,结果如图 6 所示。 收缩率 /%0.100.080.060.040.02035 28 21 14 7 0龄期 /dP-0P-1P-2P-3P-4P-5图 6 收缩性能测试结果从图 6 可以看出:随着养护时间的延长,各组砂浆的收缩率都缓慢增长。但是加入水性环氧树脂后,收缩率迅速下降,随着掺量的增大,收缩率下降幅度越大。当掺量增大到 12% 以后,收缩率基本不再减小,在 28d 龄期时 P-4 的收缩率要比 P-0 小约 32% 。因此,掺入水性环氧树脂后能大幅改善水泥砂浆的收缩特性,减小其出现收缩开裂的倾向。其主要原因在于水性环氧树脂颗粒能在水中均匀分散,其在固化过程中能够较好地成膜,填充了水泥基体内部的空隙,使其结构变得密实,限制了收缩的产生。同时,水性环氧树脂乳液有一定的引气作用,其所引入气体产生的微珠能够有效分担水泥砂浆内部的毛细孔压力,使结构受力均匀,所以减小了收缩。2.5 微结构分析试验选取了 3 种聚灰比的改性水泥砂浆试样( P-0 、 P-1 和 P-3 ),分别将其放大到 5000 倍后的SEM 图片如图 7 所示。从图 7 ( a )可以看出:普通水泥砂浆的结构较为疏松,可以观察到大量的空隙,且含有较多的片状氢氧化钙及针状的钙矾石。相比之下,用环氧树脂乳液改性后的水泥砂浆结构较为密集,而且砂浆空隙率较小,其内部的大量空隙被聚合物所填充,环氧树脂固化后与水化产物交织形成了连续的空间网状结构,氢氧化钙含量明显减少,未经水化的水泥颗粒数量增加,如图 7(b )所示。从图 7 ( c )可以看出:当聚灰比为 9% 时,水化产物相互搭接生长,空隙被填充,基体内部结构更为密实,微裂纹数量减少,所以 P-3 的各项力学性能更优异。由于环氧树脂对水泥砂浆的各种空隙有一定的填充效果,且和水泥水化的生成物和集料之间具有良好的黏结作用使改性水泥砂浆的力学性能较为优异。另外,由于环氧树脂聚合物填充了水泥砂浆的空隙,也会将内部空隙和外部之间的通道堵塞住,在阻止水泥砂浆内部水分挥发的同时,也会防止外界有害物质如二氧化碳、氯离子等进入水泥砂浆内部。因此,加入环氧树脂乳液改性之后,水泥砂浆的干缩大幅度降低,同时水泥砂浆的耐久性如抗氯离子渗透性能和抗碳化性能显著改善。(a) P-0 微结构 (b) P-1 微结构 (c) P-3 微结构图 7 微观分析结果3 结论(1 )水性环氧树脂乳液同其他种类的聚合物乳液类似,在加入水泥砂浆后,能显著增强水泥颗粒的分散性。环氧树脂乳液会大幅度提高水泥砂浆的流动性能,即在相同流动度条件下,加入环氧树脂乳液会减少拌和用水量,具有减水作用。(2 )掺入水性环氧树脂乳液后水泥砂浆的 7 、 28d抗折与抗压强度均有所提高,当聚灰比为 3%~9% 时存在峰值当聚灰比大于 9% 时,其强度开始衰减。经过改性之后水泥砂浆试件的折压比与普通水泥砂浆相比整体呈现增加趋势,即加入环氧树脂乳液后,水泥砂浆试件的韧性有所增加。(3 )掺入水性环氧树脂乳液改性后水泥砂浆的抗折黏结强度较改性前得到显著提升,而且随着聚灰比的不断增加,抗折黏结强度也不断增加,当聚灰比为12% 时,抗折黏结强度出现最大值。(4 )各组砂浆的收缩率随着养护时间的延长都缓慢增长,但是加入水性环氧树脂乳液后,收缩率迅速下降,随着掺量的增大,收缩率下降幅度越大。当掺量增大到 12% 以后,收缩率基本不再减小。综合力学性能与收缩特性并结合工程实际,建议水性环氧树脂乳液的最佳掺量为 6%~9% 。谈废旧混凝土的资源化水中和 万惠文
武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室 （武汉 430070）
前言
水泥混凝土的产生对人类文明和进步发挥了积极的推动作用。但随着混凝土需求的急剧增长和废旧混凝土的大量产生，由此引发的资源、能源和环境问题也日益严重。以我国当前混凝土产量20亿立方米计，需要使用水泥8亿吨，需消耗天然砂石36亿吨以上。统计表明，生产每吨水泥需消耗石灰石0.95~0.98吨，生产1吨熟料约排放CO2大约1吨，还会产生大量的硫化物、氮化物和其他有害气体和粉尘。在混凝土中比例最高的骨料是分布较为广泛的自然资源，但由于长年开采，已经开始出现石料资源难以为继的问题[1]。其中，有工业价值的石灰石仅可维持30~40年的开采。同时，天然材料的大量开采和使用，也造成水土流失和自然景观恶化，严重影响社会的可持续发展，甚至危及子孙后代的生存。据不完全统计，中国目前每年产生的建筑垃圾达到1亿吨左右，而长期积累的建筑废弃物将高达数亿吨。如果这些建筑废弃物能够加以资源化，其意义将是难以估量的。
将建筑废弃物回收利用，代替部分自然资源生产建筑材料，是保护自然资源，改善环境，推进可持续发展的一条重要途径。将废旧混凝土收集加工后，进行再生利用，不但可以节省天然资源，还可以减轻环境污染，促进社会的可持续发展。由于对废旧混凝土进行再生利用的意义重大，世界各国纷纷开展了对这一问题的研究[2]。
1 废旧混凝土与再生骨料
废旧混凝土可能由不同类型（等级）的混凝土所组成。要想改善废旧混凝土的质量，就需要对不同类型的混凝土加以分选。CS Poon和水中和等[3]对香港地区几种废旧混凝土的性能作了检测，部分结果列于表1。三种骨料的表观密度和吸水率等指标差别较大，天然骨料密实度最高，由较高强混凝土制得的骨料HPC密实度其次，而普通混凝土NC骨料的密实度最低。采用压汞法分析了三种骨料的孔分布，结果与上述性质相一致，三种骨料的孔隙率分别为：天然骨料1.6％，普通混凝土NC再生骨料16.8％，高强混凝土HPC再生骨料7.86%。从两种再生骨料的孔分布情况看，NC骨料的孔隙主要集中在0.01至1微米范围；而HPC骨料的大部分孔隙处于0.1微米以下。
再生混凝土骨料（RCA）就是废弃的旧混凝土块经过分选、破碎和筛分等过程，所获得的具有一定力学性能和颗粒级配的人工石料。分选和破碎过程中，必须将夹杂在原始混凝土中的钢筋木材等杂物除去[4]。废弃混凝土经过破碎处理，生产出的再生骨料含有一定量的硬化水泥砂浆，这些水泥砂浆大多数独立成块，少量附着在天然骨料的表面，导致再生骨料棱角较多，表面粗糙密度小，吸水率高，粘结能力弱。废弃混凝土块再生破坏过程中由于损伤积累会使再生骨料内部存在大量微裂纹。
表1 天然和再生骨料的物理性质[3]
骨料类型 10%压碎指标* (kN) 表观密度 (kg/m3) 吸水率 (%) 含水率 (%)
10mm 20mm 10mm 20mm
天然花岗石 159.7 2.620 1.25 1.24 0.52 0.56
再生NC骨料 101.9 2.409 8.82 7.89 3.64 3.25
再生HPC骨料 123.8 2.390 6.77 6.53 5.36 2.89
*根据英国BS标准
为了更好地发挥再生骨料的使用价值，需对破碎的混凝土粒料进行必要的加工。在荷兰，提高粒状垃圾质量的主要目的是降低有害物质的渗析并改善其作为骨料的性能。为了改善再生混凝土骨料的性能，关键是要选择有效的分离净化技术。用于粒状建筑垃圾分离净化的常见技术有：尺寸分选技术，密度（重力）分离技术，磁选技术，涡流分离技术和浮选技术等[5]。
经过破碎后的再生混凝土骨料，其颗粒级配经适当调整是可以满足有关标准要求的。由于不同粒级的再生骨料中水泥砂浆的含量不同，其物理力学性能也有所不同。通常，细骨料部分所含高吸水性砂浆较多，将会影响混凝土的工作性，可通过加入适量的天然砂而加以调节。表2给出了比较典型的试验结果[4]。
表2 天然和再生骨料的性质对比
骨料类型 尺寸(mm) 密度(kg/m3) 吸水率(%) 洛杉矶磨耗
(%) 附着砂浆的含量(%)
天然卵石 4-8
8-16
16-32 2500
2620
2610 3.7
1.8
0.8 25.9
22.7
18.8 0
0
0
再生骨料H
(W/C=0.40) 4-8
8-16
16-32 2340
2450
2490 8.5
5.0
3.8 30.1
26.7
22.4 58
38
35
再生骨料M
(W/C=0.70) 4-8
8-16
16-32 2350
2440
2480 8.7
5.4
4.0 32.6
29.2
25.4 64
39
28
再生骨料L
(W/C=1.20) 4-8
8-16
16-32 2340
2420
2490 8.7
5.7
3.7 41.4
37.0
31.5 61
39
25
再生骨料M
(W/C=0.70) <5 2280 9.8 - -
2 再生骨料混凝土性能
2.1 新拌混凝土性能
试验表明，在相同的W/C条件下，随着再生骨料取代率增加，混凝土的坍落度逐渐变小。显然，因再生骨料表面粗糙、孔隙率高、吸水率大而明显影响了新拌混凝土的和易性。在以上研究的基础上，选取样品50%天然碎石和50%再生骨料（重量），用10~30%的原状粉煤灰等量取代水泥，可以看到，再生混凝土的坍落度随粉煤灰的取代率增加而缓慢增加。由此可知，在混凝土配料组成中，用粉煤灰等量取代水泥可明显改善新拌混凝土的和易性。但较高的粉煤灰取代量会使再生混凝土的早期强度下降。高效减水剂可以显著地改善再生混凝土的流动性，而矿物外加剂能较好地改善再生混凝土粘聚性和保水性[6,7]。
随再生骨料取代量的增加，混凝土的坍落度损失的幅度逐渐增大，这与再生骨料表面吸水需要一定时间达到平衡有密切的关系。再生骨料混凝土的初始流动度和坍落度损失与再生骨料的含水状态有关[8]。
2.2 硬化混凝土的物理力学性能
表3给出了由三种不同的RCA配制的混凝土的抗压强度[7]。结果表明，在龄期为7天和28天时，天然骨料混凝土的强度高于再生骨料混凝土。但是，强度差别在28天有所减小。到了90天龄期，HPC骨料混凝土的强度达到了与天然骨料混凝土相当的水平，但NC骨料混凝土的强度仍然有一定的差距。由此可见，骨料的类型对混凝土的强度有一定的影响。当骨料表面孔隙率高，骨料本身强度较低，那么，用它配制的混凝土的强度也较低。
表3 用三种骨料配制的混凝土的抗压强度
骨料类型 表观密度
(kg/m3) 抗压强度 (MPa)
7 day 28 day 90 day
花岗石 2382 32.8 41.5 54.7
再生NC骨料 2233 26.2 32.6 46.5
再生HPC骨料 2266 29.9 38.7 55.0
再生混凝土的强度与基体混凝土的强度、再生骨料破碎工艺、再生骨料的替代率以及再生混凝土的配合比等密切相关。由于基体混凝土的强度等级、使用环境与碳化程度各不相同，解体、破碎的工艺及质量控制措施的差异，导致再生混凝土强度变化的规律性较差，不同的研究者所得的结论也有所不同。Hansen[4]的试验结果表明，随着基体混凝土的强度降低，再生混凝土的强度呈下降趋势。但对于不同强度等级的再生混凝土，再生骨料对其强度的影响不同：配制高强再生混凝土时，再生骨料的性能对再生混凝土的强度影响最大；配制中等强度再生混凝土时，影响程度次之；配制低强度的再生混凝土时，再生骨料对其强度的影响最小。
实际上，通过采用适当的技术手段，含再生骨料的混凝土的强度完全可以达到或超过天然骨料混凝土。原因在于：再生骨料表面粗糙，界面啮合能力强；再生骨料吸水率高，加水搅拌后，再生骨料大量吸收新拌水泥浆中多余的水分，既降低了粗骨料表面水灰比，又降低了混凝土拌和物的有效水灰比。另外，再生骨料表面包裹着水泥砂浆，使再生骨料与新的水泥砂浆之间弹性模量相差较小，界面结合可能得到加强。界面结合的加强，因再生骨料强度较低而导致的再生混凝土性能的劣化得到了一定程度的补偿[9]。
弹性模量
由于再生骨料中有大量的旧砂浆附着于原骨料颗粒上，导致再生混凝土的弹性模量通常较低，一般约为普通混凝土的70%～80%。由于弹性模量低，变形大，可以预计再生混凝土具有较好的抗震性能和抵抗动荷载的能力。掺入塑化剂后，再生混凝土的弹性模量有所提高。当掺入最佳数量(10%)的膨胀剂后，弹性模量可提高8%～10%。水灰比对再生混凝土的弹性模量影响较大，当水灰比由0.8降低到0 4时，再生混凝土的抗压弹性模量增加33 .7%。再生混凝土泊松比在0.18～0.23范围内[4]。
干缩与徐变
与普通混凝土相比，再生混凝土的干缩量和徐变量增加。干缩率的增大数值取决于基体混凝土的性能、再生骨料的品质以及再生混凝土的配合比。粘附在再生骨料颗粒上的水泥浆含量越高再生混凝土的干缩率越大[10]。研究表明，再生骨料与天然骨料共同使用时，再生混凝土的干缩率增加；水灰比增加，再生混凝土的干缩率增大。还有观点认为由于再生混凝土中的砂浆量大大提高，其干缩率必然会提高。当采用较低水灰比或较高强度的再生骨料时，可使徐变值降低。干缩和徐变较高是影响再生骨料混凝土推广应用的重要因素，如何降低再生混凝土的收缩和徐变，有待于进一步研究。
2.3显微结构
再生骨料具有多孔性，因此，它与水泥浆体之间的界面结合的状态将直接关系到新混凝土的微观结构和耐久性能。从当前的试验结果看，天然花岗岩骨料的吸水率为0.5~2％，而再生骨料可达到5～20％。再生骨料的多孔性和高吸水率，将在混凝土拌合的早期引起骨料－水泥浆体界面剧烈的水分迁移，并导致微观结构的复杂变化[10,11]。
CS Poon和水中和[11]利用扫描电子显微镜观察了三种不同的骨料和水泥浆体之间界面的形貌特征。结果显示，天然花岗岩骨料－水泥浆体之间界面上可看到大量的孔洞，较大的孔隙尺寸约为10～20m。某些孔隙呈条状，其长度达50m左右。从SEM照片中可以很容易看到发育良好的Ca(OH)2晶体和须状钙矾石晶体。大量的研究已经证实在界面处存在丰富的Ca(OH)2晶体[12,13]，笔者采用EDX作了进一步的验证。而在NC骨料的界面的形态呈现不同的特点。在界面区的水化产物为疏松多孔的颗粒。水化物颗粒的形状不规则，颗粒的尺寸为10－50m，颗粒之间有接触，但似乎没有牢固的连接，有少量的片状和须状晶体夹杂在颗粒状水化物中。经EDX分析表明，颗粒状水化物主要为CSH凝胶。由于NC骨料孔隙多，在拌合过程中容易吸收大量的水分。当水泥水化一段时间之后，NC骨料又向外释放水分。这样，可能导致界面区比较宽厚。因此，水化产物有较大的生长发育的空间。这是普通混凝土骨料－水泥浆体界面存在大量孔隙和发育良好的水化产物的主要原因。
高强混凝土再生骨料（HPC）与水泥浆体之间的界面呈现出与天然骨料相似的微观结构特征，尽管在界面处存在一些孔洞，但界面处水化产物比较密实，呈板块状。在这一界面上比较显著的特征是，在孔洞处很少看到片状、絮状或须状的水化产物，而这些水化产物在天然骨料－水泥界面上比较容易发现，而在NC骨料－水泥界面更容易找到。HPC骨料－水泥界面比较密实且在孔隙中难以形成发育良好的水化产物，可能的原因有两方面：其一是HPC骨料具有适中的吸水能力，它所吸收的水分既能保证界面周围水泥的水化，又不至于形成较大的充水空间，所以，水化产物在这一区域十分密实。其二，HPC骨料中含有硅灰，因此，该骨料中硬化水泥浆体的碱度比较低，高碱性的水化产物难以在这样的环境中生成。
2.4 耐久性相关性能
抗渗性
由于再生骨料的孔隙率较大，基于自由水灰比设计方法之上的再生混凝土的抗渗性比普通混凝土低。在有些情形，曾观察到再生混凝土的抗渗性较普通骨料混凝土高出三倍[4]。降低水灰比是改善再生骨料混凝土抗渗性的一条途径。研究表明，掺加了粉煤灰之后，粉煤灰能细化再生骨料的毛细孔道使抗渗透性有很大改善。
抗硫酸盐侵蚀性
由于孔隙率及渗透性较高，再生混凝土的抗硫酸盐和酸侵蚀性比普通混凝土稍差。掺加粉煤灰后，能减少硫酸盐的渗透，使其抗硫酸盐侵蚀性有较大改善。
耐磨性
再生骨料的抗磨损性较差。从不同强度的基体混凝土中得到的再生骨料其抗磨性不相同。日本Roshikana从强度分别为15MPa、16MPa、21MPa、30MPa、38MPa和40MPa的基体混凝土中得到了再生骨料并进行了LA磨损性测试，结果损失率分别为28.7%、27.3%、28.0%、25.6%、22.9%和20.1%。可见，随着基体混凝土强度的增加，再生骨料的抗磨性提高。Hansen[4]的试验表明，随着再生骨料尺寸的减小，其抗磨性明显降低。原因是再生骨料尺寸越小，其含有硬化砂浆颗粒的概率越大，而砂浆的抗磨性较差。
抗裂性
一项研究表明，再生混凝土的极限延伸率为(2.5-3.0)×10-4。同普通混凝土相比，再生混凝土极限延伸率增加27.7%。由于再生混凝土弹性模量低，拉压比高，因此再生骨料混凝土抗裂性优于普通天然骨料混凝土。
抗冻融性
再生混凝土的抗冻融性比普通混凝土差。Yamato等人[4]的试验表明，再生骨料与天然骨料共同使用时或通过减小水灰比可提高再生混凝土的抗冻融性。
3技术问题
3.1 配合比设计与优化
由于再生骨料各方面的性能不同于天然骨料，为合理有效地推广再生混凝土，必须根据再生骨料的特点，对再生混凝土的配合比设计进行专门研究。张亚梅[9]等研究了C20，C30和C40三个系列的再生混凝土，对再生混凝土配合比设计进行了初探。研究结果表明，当设计强度为C20时，以普通混凝土配合比设计方法配制的再生混凝土强度高于基准混凝土，但工作性能显著降低。在此基础上，她提出了再生骨料预吸水法，这种方法与史巍等针对再生骨料吸水率较大而建议的基于自由水灰比之上的配合比设计方法是一致的。即将再生混凝土拌和用水量分为两部分，一部分为骨料所吸附的水分，称为吸附水，它是骨料吸水至饱和面干状态时的用水量；另一部分为拌和水用量，除了一部分蒸发外，这部分水用来提高拌合物的流动性并参与水泥的水化反应。吸附水的用量根据试验确定，拌和水用量按普通混凝土配合比设计方法确定。在实际操作中，两部分水是一起加入的。
在配合比设计中，可以采用再生骨料和天然骨料相混和以及掺加外掺料与外加剂等来改善再生混凝土的性能[14]。Saroj等人的试验中掺加了10%的粉煤灰，使再生混凝土的性能有了很大的改善，具体表现为不但使得再生混凝土的干缩应变、渗透性和吸水性接近普通混凝土，而且再生混凝土的抗酸性大大提高。张亚梅[9]等全部采用再生骨料作为粗骨料，并掺加了高效减水剂和粉煤灰，配制出强度为54.6MPa再生混凝土。邢振贤等[6]采用基体强度为C20-C25的废弃混凝土骨料，通过掺加高效减水剂使水灰比降低到0.35，配制出了强度为40.4MPa的再生混凝土。由此可见，再生混凝土配合比设计要比普通混凝土复杂，但只要措施得当，仍可以获得比较满意的力学性能。
3.1 表面处理与复合改性
不少研究者尝试用聚合物或水泥浆来封堵再生骨料的表面孔隙。再生骨料表面用聚合物水溶液处理，经干燥后，可在其表面形成很薄的薄膜，有些聚合物水溶液还会渗入表面的孔隙中，起到了封闭或堵塞再生骨料表面孔隙的作用，从而降低了吸水率，达到了提高再生混凝土流动性的目的。尽管再生骨料表面的聚合物薄膜具有水溶性，但在短时间内（2h）是不会被溶掉的；随着水化龄期的延长，薄膜会溶解、消失，这有利于骨料与水泥浆体的结合。
机械活化和化学改性可以改善再生骨料的性能。机械活化的目的在于破坏弱的再生碎石颗粒或除去粘附于碎石上的低强度水泥石残渣，这是从再生骨料上消除残留砂浆的一种可行办法。但是没有必要通过高耗能途径来去掉附着的砂浆，原因是这样不但会消耗掉大量的能量，而且会产生大量的粉末，这些粉末进一步处理非常困难。化学方法是用聚合物和防水剂等外加剂来处理再生骨料。借鉴普通混凝土的高强途径，将水泥和外掺超细矿物质(如粉煤灰、纯水泥浆和硅粉等)与水按比例调成浆液，分别对再生骨料进行浸泡和干燥处理，可以降低再生骨料的吸水性。试验表明，浆液能够在一定程度上填充再生骨料的孔隙并粘合破碎过程中其内部产生的一些微裂缝，强化后再生骨料本身的强度得到一定程度的提高。万惠文等[10]将再生骨料分别用1%PVA聚合物溶液和MS高效防水剂浸泡48h，并在50℃烘箱中烘干，冷却至室温后配制成再生混凝土，得到的混凝土拌合物的流动性明显提高。
3.4 移动加工技术
从实践经验看，固定的再生骨料生产场地由于运输量大而导致生产成本的大幅度上升。而采用移动式破碎加工设备，在废弃物产生的现场生产再生骨料，将大大降低运输费用，可以使再生骨料的成本控制在天然骨料成本之下。当前，欧美国家非常重视移动加工处理系统的开发和推广，而中国在这一方面基本上处于空白。发展移动破碎加工设备和技术是废弃混凝土和类似固体废弃物资源化的关键问题之一。
4 环境评价
在再生混凝土的环境评价方面，万惠文等进行了资源消耗、能量消耗和二氧化碳排放量3方面研究[15]。
表4是配制1m3混凝土所消耗的资源。表中显示:用废弃混凝土作再生骨料，可节省62%的天然石子资源；若用废弃混凝土作生产水泥的原料，还可以节约制造水泥的60%优质石灰石和近40%粘土与铁粉资源。
表4 配制1m3混凝土所消耗的资源 Kg/m3
石灰石 粘土 铁粉 石子作骨料
用天然原料 372（100%） 62.0（100%） 18.5（100%） 1800(100%)
用废弃砼作再生骨料 372（100%） 62.0（100%） 18.5（100%） 682(38%)
用废弃砼作水泥原料 143.4(39%) 37.6(61%) 12.1(65%) 682(39%)
表5是生产1m3混凝土所消耗的大致能量和CO2排放量。总的来说，能耗相差并不大，但当用废弃混凝土作水泥原料时，可节省少量的煤，因为煅烧石灰石需要大量的能量，而废弃混凝土中已有部分水泥的水化产物，所需的分解能量较石灰石少。废弃混凝土中含有一定量的水泥水化产物，如:氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝(铁)酸钙、钙矾石等，在高温下分解并不放出CO2，因此，用废弃混凝土作制造水泥原料可减少CO2的排放量。
量化分析结果表明，当利用废弃混凝土作再生骨料时，石灰石资源可节省62%，而当废弃混凝土用作制造水泥的原料时，除可节省62%石灰石资源外，还可节约制造水泥的优质石灰石60%、粘土40%和铁粉35%的资源，同时，可减少20%的CO2排放量，所以，再生混凝土有利于保护自然资源和环境。
表5 配制1m3混凝土所消耗的能耗及所排放的CO2量
指标 能耗 CO2排放量(Kg/m3)
水泥制造 骨料生产 水泥制造 骨料生产 合计
用天然原料 42.0kwh+1004MJ 25.2kwh 254.0 6.2 260.2(100%)
用废弃砼作再生粗骨料 42.0kwh+1004MJ 24.6kwh 254.0 6.2 260.2(100%)
用废弃砼作水泥原料 39kwh+967.6MJ 24.6kwh 200.7 6.9 297.6(100%)
5 结语
我国每年需要消耗石子和砂子达数十亿吨，这两种材料的消耗量可能占整个建筑材料资源需要量的一半以上，由此对资源、能源和环境产生重大影响。所以，开展对再生骨料混凝土的研究和推广应用有着十分重要的社会和经济意义。当然，废旧混凝土的资源化是一项系统工程，需要解决一系列技术问题，更需要政府在政策上的大力支持。随着人们对资源和环境问题的日益重视，废旧混凝土和其他固体废弃物都将得到合理和有效的再生利用。
参考文献
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[11] CS Poon, ZH Shui, L Lam, Effect of microstructure of ITZ on strength of concrete prepared with recycled aggregates, Construction and Building Materials, Vol.18(2004), 461-468.
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[13] 水中和，万惠文，老混凝土中骨料水泥界面过渡区(ITZ)(一)元素与化合物在ITZ的富集现象，武汉理工大学学报，2002， No.4.pp.21-23。
[14] 徐惠忠等编，固体废弃物资源化技术，化学工业出版社，北京，2004.1。
[15] 万惠文，水中和，林宗寿. 再生混凝土的环境评价[J]. 武汉理工大学学报， 2003，25(4):17~20。
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