1. 引言
随着全球建筑行业的蓬勃发展，各类建筑工程如雨后春笋般不断涌现，这使得对建筑材料的需求呈现出持续且迅猛的增长态势。在众多建筑材料中，天然骨料作为混凝土的关键组成部分，其用量巨大。然而，长期的大量开采导致天然骨料资源日益紧张，许多地区甚至面临着资源枯竭的严峻问题。与此同时，大量建筑废弃物的产生也给环境带来了沉重的负担。据统计，每年因建筑拆除、翻新等活动产生的建筑废弃物数量惊人，这些废弃物不仅占用大量土地资源，还可能对土壤、水源和空气等造成污染，引发一系列严重的环境问题。
在此背景下，将废弃混凝土加工成再生骨料并用于制备混凝土，成为了解决资源与环境问题的有效途径之一[1]-[4]。这种做法不仅能够缓解天然骨料资源短缺的困境，减少对自然资源的过度依赖，还能降低建筑废弃物对环境的负面影响，具有显著的经济和环境效益。
然而，再生骨料的特性与天然骨料存在诸多差异。再生骨料表面往往附着有旧水泥砂浆，这些旧砂浆会影响再生骨料与新水泥浆体之间的粘结性能；同时，再生骨料内部还存在微裂缝等缺陷，这些因素都会对再生骨料混凝土的性能产生不利影响，例如导致混凝土的强度降低、耐久性变差等。为了更好地利用再生骨料混凝土，充分发挥其优势，深入研究其性能的影响因素，并探索有效的改善措施显得尤为重要。
硅灰作为一种高性能矿物掺合料[5]-[9]细小、活性高的显著特点。其平均粒径通常在0.1~0.2 μm之间，比表面积很大，这使得硅灰具有极高的火山灰活性。在混凝土中添加硅灰后，硅灰能够与水泥水化过程中产生的氢氧化钙发生反应，生成具有胶凝性的水化硅酸钙凝胶。这种凝胶可以填充在混凝土的孔隙中，细化孔隙结构，从而提高混凝土的密实度。同时，硅灰还能改善再生骨料与水泥浆体之间的界面过渡区，增强两者之间的粘结力，进而提高混凝土的力学性能。因此，研究再生骨料掺量与硅灰添加量对再生骨料混凝土性能的影响具有重要的现实意义，能够为再生骨料混凝土在实际工程中的广泛应用提供有力的理论支持和技术指导。
2. 实验材料及方法
2.1. 实验材料
本实验选用普通波特兰水泥，其各项性能指标满足实验要求，能为混凝土提供稳定的胶凝作用。细骨料采用天然硅质砂，细度模数为2.63，吸水率约1.6%，该砂级配良好，有利于填充骨料间的空隙，提高混凝土的密实度。粗骨料选用最大粒径为20 mm的粉红色石灰石作为天然粗骨料，同时采用来自建筑工地废弃物的粗再生骨料。这些再生骨料由不同配合比、水泥类型和龄期的混凝土经人工钢锤破碎后，筛选至符合19~4.75 mm的粒径范围。实验还使用了硅灰，其主要化学成分为二氧化硅，具有较高的活性。此外，采用高效减水剂来调节混凝土的工作性能，确保混凝土在搅拌、浇筑过程中具有良好的流动性和可塑性。
不同骨料的筛分曲线见图1。从图中可以清晰地看出，天然粗骨料的粒径分布相对集中，级配较为理想；再生粗骨料的粒径分布范围较宽，这是由于其来源复杂，破碎过程难以精确控制粒径。天然砂的细度模数适中，能较好地填充粗骨料之间的空隙，为混凝土提供良好的工作性能和力学性能基础。
Figure 1. Screening curves of different aggregates
图1. 不同骨料的筛分曲线
2.2. 实验设计
本实验主要研究再生骨料掺量和硅灰添加量对再生骨料混凝土性能的影响。再生骨料掺量设置为0%、25%、50%、75%、100%五个等级，以探究不同掺量下混凝土性能的变化规律。硅灰添加量仅针对水泥用量为250 kg/m3、水灰比为0.60的混凝土进行研究，添加量为水泥质量的10%，旨在分析硅灰在特定配合比下对混凝土性能的改善效果。
实验中，水泥用量分别设定为400 kg/m3和250 kg/m3，分别代表钢筋混凝土构件和素混凝土构件的典型配合比。化学外加剂的用量根据水泥用量进行调整，水泥用量为250 kg/m3时，外加剂用量为水泥重量的1.75%；水泥用量为400 kg/m3时，外加剂用量为水泥重量的0.75%。通过严格控制外加剂用量，使所有混凝土混合料的工作度均控制在120 ± 30 mm，以保证实验结果的准确性和可比性。
2.3. 实验方法
2.3.1. 试件制备
按照设计好的配合比准确称量各原材料。在搅拌过程中，采用常规搅拌方法，将水泥、骨料、硅灰、外加剂和水依次加入搅拌机中，搅拌均匀。搅拌完成后，将混凝土混合料倒入相应的模具中。抗压强度测试采用150 mm × 150 mm × 150 mm的立方体试件；抗拉强度测试采用直径为75 mm、高度为150 mm的圆柱体试件；粘结强度测试采用直径为150 mm、高度为150 mm的圆柱体试件，并在试件中心预埋直径为16 mm的变形钢筋；孔隙率测试采用150 mm × 150 mm × 150 mm的立方体试件。试件成型后，在标准养护条件(温度20℃ ± 2℃，相对湿度95%以上)下养护至规定龄期。
2.3.2. 性能测试
抗压强度按照规定龄期(7天、28天、56天)，将试件放置在压力试验机上，以恒定的加载速率施加压力，直至试件破坏，记录破坏荷载，并根据公式计算抗压强度。
抗拉强度采用劈裂拉伸试验方法，在规定龄期，通过劈裂夹具对圆柱体试件施加均匀的压力，使试件沿直径方向劈裂，记录破坏荷载，根据相应公式计算劈裂抗拉强度。
粘结强度在28天龄期，通过拉伸试验测定钢筋与混凝土之间的粘结力，从而得到粘结强度。
孔隙率在56天龄期，将试件烘干至恒重，称取干重，然后将试件浸泡在水中至饱和面干状态，称取饱和面干重，通过测量试件在干燥前后的质量和体积变化，计算出试件的孔隙率。
3. 结果及分析
3.1. 再生骨料掺量的影响
3.1.1. 抗压强度
水泥用量为400 kg/m3，不同再生骨料掺量对混凝土抗压强度的影响见图2。
Figure 2. Compressive strength of concrete with different recycled aggregate content
图2. 不同再生骨料掺量对混凝土抗压强度
从图中可以看出，当再生骨料掺量不超过25%时，混凝土的抗压强度与未掺再生骨料的对照组相比，变化不明显。掺25%再生骨料时，28天抗压强度较对照组仅降低了3.0%。这是因为在低掺量下，再生骨料能够较好地分散在混凝土中，与天然骨料协同工作，且实验对再生骨料的级配进行了有效控制，使得混凝土内部结构较为密实。
然而，当再生骨料掺量超过25%后，抗压强度呈现明显下降趋势。掺50%、75%、100%再生骨料时，28天抗压强度较对照组分别降低了7.1%、11.6%、16.2%。这主要是由于再生骨料表面附着的旧水泥砂浆降低了其与新水泥浆体的粘结强度，随着再生骨料掺量的增加，这种不利影响逐渐累积，导致混凝土内部结构的整体性变差，在承受压力时更容易产生裂缝和破坏，从而降低了抗压强度。
3.1.2. 抗压强度
水泥用量为250 kg/m3时，再生骨料掺量对混凝土抗拉强度的影响见图3。随着再生骨料掺量的增加，混凝土的抗拉强度逐渐降低。当再生骨料掺量从0增加到100%时，28天抗拉强度从2.35 MPa降低到1.41 MPa。这是因为再生骨料与新水泥浆体之间的界面过渡区相对薄弱，在承受拉力时，界面处容易产生微裂缝，且这些微裂缝会随着再生骨料掺量的增加而更容易扩展，从而降低了混凝土的抗拉强度。
Figure 3. Effect of different recycled aggregate content on tensile strength of concrete
图3. 不同再生骨料掺量对混凝土抗拉强度
3.1.3. 粘结强度
水泥用量为400 kg/m3时，再生骨料掺量对28天粘结强度的影响见图4。从图中可以明显看出，随着再生骨料掺量的增加，粘结强度逐渐降低。这是因为再生骨料表面的旧水泥砂浆影响了其与钢筋之间的粘结性能，使得钢筋与混凝土之间的握裹力减弱。当再生骨料掺量为100%时，粘结强度较未掺再生骨料时降低了约20%。
Figure 4. Bond strength of concrete with different recycled aggregate content
图4. 不同再生骨料掺量对混凝土粘结强度
3.1.4. 孔隙率
水泥用量为400 kg/m3时，再生骨料掺量对混凝土孔隙率的影响见图5。随着再生骨料掺量的增加，混凝土的孔隙率逐渐增大。这是由于再生骨料在加工过程中会产生裂缝和裂隙，这些缺陷使得骨料更容易吸收水分和气体，从而增加了混凝土的孔隙率。当再生骨料掺量从0增加到100%时，混凝土的孔隙率增加了约10%。孔隙率的增大降低了混凝土的密实度，进而影响了混凝土的力学性能和耐久性。
Figure 5. Concrete porosity with different recycled aggregate content
图5. 不同再生骨料掺量的混凝土孔隙率
3.2. 硅灰添加量的影响
3.2.1. 抗压强度
硅灰添加量对混凝土抗压强度的影响见表1。在水泥用量为250 kg/m3、水灰比为0.60的混凝土中添加10%硅灰后，抗压强度有显著提升。以再生骨料掺量为25%的混凝土为例，未添加硅灰时，28天抗压强度为26.7 MPa，添加硅灰后提升至34.1 MPa，提高了27.7%。对于再生骨料掺量为75%的混凝土，抗压强度从21.5 MPa提升至29.5 MPa，提高了37.2%。这是因为硅灰的颗粒细小，能够填充水泥浆体和骨料之间的孔隙，提高混凝土的密实度；同时，硅灰具有较高的火山灰活性，能够与水泥水化产生的氢氧化钙发生二次反应，生成更多的水化硅酸钙凝胶，增强了混凝土的胶凝结构，从而提高了抗压强度。
Table 1. Effect of silica fume addition on compressive strength of concrete
表1. 硅灰添加量对混凝土抗压强度影响
水泥用量(kg/m3) |
再生骨料掺量(%) |
未添加硅灰时28天
抗压强度(MPa) |
添加10%硅灰后28天
抗压强度(MPa) |
抗压强度提升百分比(%) |
250 |
25 |
26.7 |
34.1 |
27.7 |
250 |
75 |
21.5 |
29.5 |
37.2 |
3.2.2. 抗拉强度
硅灰添加量对混凝土抗拉强度的影响也较为显著，具体数据见表2。水泥用量为250 kg/m3时，添加10%硅灰后，再生骨料混凝土的抗拉强度得到明显提高。以再生骨料掺量为25%的混凝土为例，28天抗拉强度从2.18 MPa提高到2.53 MPa，提升了16.1%；再生骨料掺量为75%的混凝土，抗拉强度从1.41 MPa提高到2.06 MPa，提升了46.1%。硅灰的添加改善了混凝土内部的微观结构，增强了水泥浆体与骨料之间的粘结力，使得混凝土在承受拉力时能够更好地抵抗裂缝的产生和扩展，从而提高了抗拉强度。
Table 2. Effect of silica fume addition on tensile strength of concrete
表2. 硅灰添加量对混凝土抗拉强度的影响
水泥用量(kg/m3) |
再生骨料掺量(%) |
未添加硅灰时28天抗拉强度(MPa) |
添加10%硅灰后28天抗拉强度(MPa) |
250 |
0 |
2.35 |
2.74 |
250 |
25 |
2.18 |
2.53 |
250 |
50 |
1.84 |
2.24 |
250 |
75 |
1.41 |
2.06 |
250 |
100 |
1.32 |
1.97 |
3.2.3. 粘结强度
添加10%硅灰对再生骨料混凝土28天粘结强度有一定的提升作用。从实验来看，再生骨料掺量为25%时，粘结强度从10 MPa提高到11.1 MPa，提高了11.0%；再生骨料掺量为75%时，粘结强度从9.9 MPa提高到10.2 MPa，提高了3.0%。硅灰的火山灰反应产物填充了钢筋与混凝土之间的微小孔隙，增强了界面的粘结性能，从而提高了粘结强度。
3.2.4. 孔隙率
硅灰的添加能够有效降低再生骨料混凝土的孔隙率。从实验结果可知，再生骨料掺量为25%时，未添加硅灰的混凝土孔隙率为15.1%，添加硅灰后降低至13%，降低了13.9%；再生骨料掺量为75%时，孔隙率从16.2%降低至15.1%，降低了6.8%。硅灰的细小颗粒填充了混凝土中的孔隙，减少了大孔的数量，优化了孔隙结构，提高了混凝土的密实度，进而降低了孔隙率。
4. 结语
本实验研究了再生骨料掺量与硅灰添加量对再生骨料混凝土抗压强度、抗拉强度、粘结强度和孔隙率的影响，得出以下结论：
(1) 再生骨料掺量对混凝土性能有显著影响。当再生骨料掺量不超过25%时，对混凝土抗压强度影响较小；超过25%后，抗压强度明显下降。同时，随着再生骨料掺量的增加，混凝土的抗拉强度、粘结强度逐渐降低，孔隙率逐渐增大。
(2) 在水泥用量为250 kg/m3、水灰比为0.60的再生骨料混凝土中添加10%硅灰，能够显著提高混凝土的抗压强度、抗拉强度和粘结强度，同时降低孔隙率。硅灰通过填充孔隙和火山灰反应，改善了混凝土的微观结构和内部性能。
(3) 综合考虑，在实际工程应用中，应合理控制再生骨料的掺量，对于强度要求较高的结构，再生骨料掺量不宜超过25%。同时，可通过添加适量硅灰来改善再生骨料混凝土的性能，提高其在工程中的适用性和可靠性。