1. 引言
近年来中国现代化建设不断发展，城市化建设发展迅猛，乡村建设的脚步也在不断加快，老旧房屋的拆除以及房屋改造工程也在逐年增加。据资料数据[1]表明，1990年国内粘土砖产量达到6200亿块，全国基本建设中，砌体结构房屋占到总量的90%左右，这也导致现存砌体结构房屋数量庞大，在未来十年甚至更久，将会有大量的老旧砖砌结构房屋面临拆除或改造，所产生的废弃粘土砖仍会大量存在。如果能够将这些存量巨大的废弃粘土砖处理制备成再生骨料，不仅可以缓解目前资源短缺问题，而且还能很好的解决建筑垃圾处理问题。目前关于普通再生混凝土的研究已经得到不少成果，但针对RBAC的研究较少，本文将基于国内外相关研究，总结砖骨料及RBAC的相应特点以及RBAC性能提升方法，对其研究与发展进行展望。
2. 材料基本性能
2.1. 砖骨料材料性能
粘土砖在未破碎前抗压强度为10~25 MP，破碎筛分处理后的砖骨料与天然骨料相比表观密度、堆积密度较低[2] [3]，部分砖骨料材料性质如表1所示。
Table 1. Recycled brick aggregate material properties [4]
表1. 再生砖骨料材料性质[4]
| 项目 |
表观密度/(kg/m2) |
堆积密度/(kg/m2) |
吸水率/% |
孔隙率/% |
压碎指标/% |
| 再生砖粗骨料 |
1920 |
796 |
17.2 |
51 |
29.7 |
| 再生砖细骨料 |
1920 |
826 |
13.4 |
49 |
25.6 |
周艳华[5]认为以再生砖细骨料部分替代天然砂所制拌合物保水性与黏聚性整体良好。通过对砖骨料再生混凝土导热系数进行研究，当粗骨料替代率为100%时，混凝土导热系数下降了32.68%。通过相关研究[6] [7]我们可以认为砖骨料属轻质骨料，其导热系数远低于普通混凝土，可以考虑将砖骨料再生混凝土用于制备保温轻骨料混凝土制品。
2.2. RBAC力学性能
由于粘土砖压碎指标较高，在骨料制备过程中粉碎机的压力会使骨料内部产生裂缝影响强度，随着砖骨料替代率的增加，骨料压碎指标也会随之提高，图1(a)为砖骨料含量对骨料压碎指标的影响，对于压碎指标较高的再生骨料，砖骨料的掺加对其影响不大，但对于天然骨料，砖骨料的掺量对压碎指标产生直接影响。因此RBAC力学性能是否满足施工规范要求，需要进一步的验证。
蒙飞[9]就再生砖骨料对混凝土性能的影响进行研究，从图1(b)中可以发现当替代率为20%时，再生混凝土抗压强度达到最大值，相较不含再生骨料的对照组提升5%~6%，当掺量为50%时强度降低约20%。国外学者Mohammed [10]研究了不同来源砖骨料的各项材料性能，但是与蒙飞等人研究结果不同的是Mohammed认为含砖再生骨料取代率即便高达50%，混凝土强度基本不发生变化。不同研究人员在相似的研究中得到不同的结果，可能是因为砖骨料的来源不同，不同来源的砖骨料在具体成分、使用年限、生产标准等方面都存在差异，所以其力学性能也略有不同。
Letelier [11]认为相较于普通混凝土，使用再生砖粉代替15%的水泥调配而成的RBAC强度基本不会损失；这种观点在Wong [12]等人的研究中也得到验证，试验人员将砖粉作为水泥的替代品，发现适当掺入可使混凝土有相当或更高的抗压强度，分析其原因可能是因为砖粉可以作为水化反应的调节剂，影响水泥水化产物的生成，而且砖粉细度较水泥小，早期主要以填充作用为主，其内部微裂缝和孔隙较基准混凝土少，从而改善混凝土的微观结构[13]。
管旭东[14]等人对混凝土界面过渡区显微硬度测试、硬化混凝土气孔特征分析，发现再生混凝土受载破坏面易发生在再生粗骨料内部和天然碎石骨料界面过渡区，根据图2我们可以发现，砖骨料内部，距骨料表面距离增大显微硬度值曲线离散性偏高，但是总体数值呈现增长趋势，这种趋势的增长主要因为砖骨料内部结构疏松多孔强度低，而表面粗糙改善了与胶凝材料的粘接性能。刘琼[15]等人并利用数字图像相关技术采集图像分析对RBAC试块受压破坏时的局部应变场，结果显示砖骨料和新砂浆之间的界面过渡区首先出现了应变集中，裂缝贯穿了砖骨料，然后位于界面过渡区的应变集中由于应力重分布而削弱。
(a) (b)
Figure 1. (a) Influence of brick aggregate content on aggregate crushing index [8]; (b) Influence of brick aggregate content on compressive strength of RBAC [9]
图1. (a) 砖骨料含量对骨料压碎指标的影响[8]；(b) 砖骨料含量对RBAC抗压强度的影响[9]
Figure 2. Microhardness between recycled aggregate and cement slurry [14]
图2. 再生骨料与水泥浆之间显微硬度[14]
2.3. RBAC构件及结构性能
由于砖骨料自身的特点，目前RBAC一般用于非承重构件或较低强度要求的结构中，在此方面近年来众多学者开展相关研究，表2总结了RBAC构件的部分研究成果，包括墙体、梁以及板三个方面。通过表中各项研究我们可以发现，在墙、梁、板各类型的构件中，RBAC都能够表现出不错的工作性能，在受力构件中由于砖骨料替代率的增加构件的承载能力都存在略微的下降，但是这并不能说明RBAC在实际构件生产中表现较差，RBAC非结构构件在变形、抗震能力方面均能满足一定的要求，同时与传统混凝土结构墙相比RBAC墙体在保温节能性能方面具有明显优势。
Table 2. RBAC component performance
表2. RBAC构件性能
| 结构 |
试验方法 |
研究内容 |
研究结果 |
| 墙 |
① RBAC组合墙体的抗震性能试验[16] |
① 砖骨料再生混凝土组合墙的抗剪承载力、破坏形态、滞回特性等抗震 |
① 与RBAC多孔砖组合墙体结构相比，砖骨料再生混凝土组合墙体承载能力和变形能力较好；② 构造柱有效提高砖骨料再生混凝土组合墙的抗震性能，提高墙体延性 |
| ② 不同砖骨料替代率的RBAC矩形截面短肢抗震墙反复荷载试验[17] |
① 替代率对其承载力和延性能力的影响 |
① 与普通混凝土试件相比砖骨料再生混凝土短肢剪力墙试件，极限荷载下降了9.22%；② 延性系数减小了12.59%；③ 耗能能力下降了21.24% |
| ③ RBAC结构墙的热工性能以及保温隔热性能研究[18] |
① RBAC对墙体保温隔热性能的影响 |
① 再生砖骨料混凝土结构墙传热系数比普通粘土砖的传热系数高29.7%；② 热工性能远远优于传统混凝土结构墙；③ 保温隔热性能相较砌块墙体和粘土砖墙相比较差。 |
| 梁 |
① RBAC梁进行受弯性能试验[19] |
① RBAC梁和天然骨料混凝土梁的破坏特征、变形能力与承载力等方面的差异 |
① RBAC梁具有同天然骨料混凝土梁相似的受力阶段，符合平截面假定；② 在强度相同的情况下RBAC梁极限承载能力略小，变形更大，延性较差，刚度下降更显著，梁表面裂缝更易产生与发展 |
| ② 不同再生砖骨料取代率下RBAC土梁的受弯试验[20] |
① 不同砖骨料替代率对梁受弯承载能力与破坏形态等方面的影响 |
① 当再生砖骨料取代率超过50%时，再生砖骨料混凝土梁在试验中表现出了良好的受力性能 |
续表
| 板 |
① 压型钢板–混杂砖骨料再生混凝土组合楼板两点受弯试验[21] |
① 压型钢板底部是否配筋对组合楼板受弯承载力；② 压型钢板应变和混凝土应变的影响规律 |
① 组合板底部配置钢筋可大大提高抗弯承载能力，配筋组合板比未配筋组合板的受弯承载力大50%左右；② 在压型钢板组合板两端配置栓钉时，若在底部配置少量钢筋可以极大地提高组合板的刚度 |
| ② RBAC双向板的堆载试验[22] |
① RBAC双向板受弯性能、极限荷载等；② 荷载作用下的破坏形态 |
① 与普通混凝土板相比，RBAC板破坏荷载降低了26.5%，但RBAC板的安全储备达到了1.61，可以利用现行的混凝土结构设计规范进行RBAC板的设计 |
3. RBAC性能提升方法
3.1. RBAC性能影响因素
由于砖骨料表面粗糙、棱角多且吸水率大，根据已有天然骨料的标准要求设计RBAC配合比显然不能满足要求，图3归纳了配置RBAC过程中需要考虑的问题。
Figure 3. Issues to consider during RBAC configuration
图3. RBAC配置过程中需要考虑的问题
3.1.1. 混凝土拌制方法
相关研究表明[23]-[25]，再生砖骨料具有较高的吸水性，为了减少吸水性对混凝土工作性的影响，在配置RBAC时会采用附加水或是提前浸泡骨料的方法，但这些方法能带来多大的收益，是否有其他效果更优的手段还值得深入研究。
通过对比试验[23]我们可以发现：采用附加水法处理砖骨料能够显著提升再生混凝土的工作性能和力学性能，强化效果良好，而预吸水法能够在早期阶段快速提升混凝土的抗压强度，但后期抗压强度和劈裂抗拉强度相对较低，其长期性能不如附加水法处理的混凝土。从提升混凝土整体性能的角度出发，附加水法是更为推荐的处理方式。但是也有研究人员[24]认为虽然预吸水法处理砖骨料对提升RBAC抗压强度作用有限，但在改善收缩变形性能方面效果显著，最高可降低收缩幅度18.4%，如图4(b)所示。这种收缩幅度的降低主要归因于骨料吸收的水分在混凝土固化过程中补充了水分的消耗，缓解了毛细孔内的张力，有效控制了体积变化。
有研究人员[24] [25]提出可以在拌制RBAC的过程中通过混合水泥、粉煤灰、部分水、外加剂制成均匀浆体，使用浆体包裹改善砖骨料与混凝土基体间的界面结合，充分浸泡后再加入细骨料与剩余水分进行拌制。与骨料裹浆强化处理不同的是，这种方法将骨料强化与混凝土的制备同时进行，在实际工程应用中省去了骨料强化部分操作，降低了制备成本简化了繁琐的操作步骤。结果表明在不增加胶凝材料用量的前提下，此方法可以改善RBAC的工作性能提高混凝土流动性，而且随着骨料替代率的增加，与仅经预吸水处理的RBAC相比抗压强度的下降趋势放缓，当替代率达到35%时RBAC抗压强度提升了约8%，如图4(a)所示。
(a) (b)
Figure 4. Effect of substitution rate under pre-water absorption treatment [24]. (a) Effect on compressive strength of test block; (b) Effect on shrinkage performance of concrete
图4. 预吸水处理对取代率的影响[24]。(a) 对试件抗压强度的影响；(b) 对混凝土收缩性能的影响
3.1.2. 外掺材料
普通混凝土的拌制过程中往往会添加外加剂、矿物掺合料或纤维等外掺材料，旨在优化混凝土工作性能，提高混凝土工作强度，对于RBAC外掺材料同样能够起到相应效果，但具体优化效果仍需要进一步的验证。
陈安亮[26]等人通过抗压强度和劈裂强度试验，深入分析了粉煤灰和硅灰等矿物掺合料对RBAC力学性能的影响。研究发现，硅灰的加入则显著增强了RBAC抗压和抗拉强度，显示出更为优越的强化效果，而粉煤灰虽然在初期对混凝土的抗压强度产生不利影响，但随着时间的推移，它能够有效促进混凝土后期强度及劈裂抗拉强度的提升。宗兰[2]提出在碎砖骨料取代率为30%时，以10%的粉煤灰取代水泥，RBAC的各项指标较为优异。
Figure 5. (a) Aggregate-fiber loading system [28]; (b) RBAC tomography analysis [29]
图5. (a) 骨料–纤维受荷系统[28]；(b) RBAC断层扫描分析[29]
Zhang [27]将RBAC中掺加纤维，研究其对力学性能和耐久性的影响。结果表明：纤维的掺入提高了RBAC的防水性，且由于纤维的桥接作用，使得纤维增强RBAC的和易性接近传统混凝土。高丹盈[28]认为随着砖骨料内部支配型裂缝的形成，裂缝将向周围粘结砂浆开展，当砖骨料内部产生支配型裂缝时，周边纤维构成一个完整的砖骨料–纤维受荷系统(如图5(a)所示)，当裂缝遇到纤维后，裂缝的发展得到抑制。如图5(b)所示，纤维、砖骨料、水泥基体形成了多向复合体，纤维减缓了RBAC内的应力集中及尖端效应并起到粘结作用，从而改善了再生混凝土的力学性能和耐久性。
3.1.3. 骨料粒径及骨料替代率
砖骨料主要以细骨料、粗骨料或者砖粉的形式应用于RBAC的生产，选用合适的粒径和替代率对提升RBAC性能表现起到关键性的作用。肖斌[30]等研究者就砖骨料的粒径分布对RBAC性能的影响进行研究分析，表3为砖骨料不同粒径含量情况下各组试件强度。数据表明，RBAC的整体性能优化可以通过调节砖骨料的粒径来实现，当砖骨料的粒径介于9.5至19毫米之间时，混凝土的性能表现较为优异。
Table 3. Strength of brick aggregate with different particle size content [30]
表3. 砖骨料不同粒径含量的试块强度[30]
| 试验组别 |
不同粒径含量(%) |
平均抗压强度MPa |
| 4.74~9.5/mm |
9.5~16/mm |
16~19/mm |
19~26.5/mm |
| 1 |
10 |
20 |
20 |
50 |
22.19 |
| 2 |
10 |
20 |
50 |
20 |
23.41 |
| 3 |
20 |
50 |
20 |
10 |
22.63 |
| 4 |
50 |
20 |
20 |
10 |
22.01 |
(a)
(b)
(c)
Figure 6. (a) Stress-strain curve of RBAC; (b) Elastic modulus of RBAC; (c) Peak strain of RBAC [31]
图6. (a) RBAC应力–应变曲线；(b) RBAC的弹性模量；(c) RBAC的峰值应变[31]
梁炯丰[31]等人以砖骨料替代率为变量对RBAC轴心受压强度和应力–应变关系曲线等进行相关实验。试验发现在破坏形态方面RBAC与普通混凝土极为相似，立方体试块呈四角锥破坏形态棱柱体试块也呈现棱形破坏形态，同时该研究认为随着砖骨料替代率的增大，混凝土抗压强度、弹性模量、棱柱体强度均不断下降，但峰值应变不断增大(如图6所示)。在拌制RBAC时，由于砖骨料的高吸水性，可能会导致骨料周围实际水灰比较小，使骨料与水泥砂浆的粘结更加紧密，而且在水泥硬化的过程中砖骨料所含水分会释放以促进水化反应的进行，使得再生混凝土水化反应更加充分，早期强度增长较快[32] [33]，所以在部分试验中可能会出现少量砖骨料的掺入使混凝土抗压强度有所上升的现象。
3.2. 砖骨料强化技术
Figure 7. Fracture occurrence and development pattern [15]
图7. 裂缝发生、发展形态[15]
寻找良好的配合比对于RBAC性能提升固然重要，但归根到底最大的影响因素还是骨料的吸水率、孔隙率以及压碎指标。相关研究[15]表明，RBAC发生破坏时裂缝并未沿界面过渡区开展，而是贯穿了砖骨料(如图7所示)。与天然骨料相同，砖骨料的应变集中现象首先出现骨料与砂浆的界面过渡区，但是由于砖骨料强度较低，裂缝直接贯穿砖骨料。所以在优化配合比的基础上对骨料进行强化处理优化骨料自身性能也是一种重要手段。目前对于骨料强化的研究多以普通再生骨料为主，与之相比砖骨料表面旧砂浆少、强度低，以往常用的剥离旧砂浆、增强旧砂浆的方法成效很小，此类强化措施是否能用于砖骨料还有待研究，目前再生砖骨料强化技术多以填充骨料内部裂缝，减少孔隙率为目的，进而提升砖骨料性能。
3.2.1. 强化剂浸泡法
强化剂浸泡法是指利用不同类型的强化剂如水玻璃、水泥净浆、水泥–粉煤灰混合浆液等强化浆液对砖骨料进行浸泡，以起到填充骨料空隙，减少孔隙率，提高混凝土的密实度和抗渗性的作用。
(a)
(b)
Figure 8. Control before and after aggregate treatment. (a) Compressive strength control; (b) tensile strength control [35]
图8. 骨料处理前后对照。(a) 抗压强度对照；(b) 抗拉强度对照[35]
其中水玻璃浸泡法常被应用于普通再生骨料的强化处理，水玻璃可与再生骨料中的氢氧化钙反应生成C-S-H凝胶，从而从分子角度强化骨料表面的残留砂浆[34]。对于砖骨料，水玻璃强化法是否能够起到同样作用还需要进一步的研究。孙克庆[35]采用水玻璃浸泡技术对再生砖混骨料进行处理。在3 d龄期时经过水玻璃强化处理的砖混骨料混凝土抗压强度平均约14.2%，当28 d龄期时抗压强度平均提升约10%，劈裂抗拉强度得到较大幅度的提升(如图8所示)。根据图8(a)我们可以看到，随着水泥水化反应的持续进行，水玻璃对砖混骨料的强化作用有所减弱，这很有可能是因为水玻璃在骨料表面形成的凝胶层对于混凝土后期的水化反应具有抑制作用，这种现象在其他研究中也有所体现[36]-[38]，水玻璃强化对于混凝土早期强度增长的提升较为显著，而后期增长趋势减缓。经历水玻璃溶液处理的砖骨料表现出更高的密实度，其内部的裂缝被新生成的水化物填补，同时骨料表面粗糙度有所提高，有助于水泥浆更好的粘附[37]。试验人员对比多种强化剂对砖骨料的强化效果[38] [39]，相较于其他强化剂水玻璃溶液不仅能够提高再生集料的表观密度降低其压碎值，而且在减小吸水率方面表现十分优异，在所有测试的强化剂中15%的水玻璃溶液展现了最佳的强化效果。
使用水泥净浆、水泥–粉煤灰浆液或者其他胶凝材料浆液浸泡处理骨料的方法也被称为裹浆处理法，其原理是在骨料表面形成一层均匀的水泥石，增强了骨料与水泥浆的粘结，同时浆液能够填充骨料间的空隙，减少孔隙率，提高混凝土的密实度和抗渗性。使用水泥净浆进行砖骨料强化时，水胶比在0.5至0.6时达到最佳的裹浆效果，此时的砖骨料压碎指标降低约7.2%；在使用水泥–粉煤灰净浆进行强化时，粉煤灰的加入改善了混凝土的流动性，理想的水胶比应介于0.4至0.5之间，此时砖骨料压碎指标降低8.9%，如图9所示。钢渣粉是一种工业副产品，含有能够与水泥发生化学反应的活性物质，这种混合浆液在处理再生集料时，不仅能够利用水泥的填充效果，还能通过钢渣粉的活性作用，进一步增强集料的结构性能，在水泥类浆液中表现优异[39]。
(a)
(b)
Figure 9. Effect of different reinforcers on the properties of brick aggregate. (a) Water absorption; (b) Crushing value [39]
图9. 不同强化剂对砖骨料的性能影响。(a) 吸水率；(b) 压碎值[39]
3.2.2. 微纳重构法
(a)
(b)
Figure 10. (a) Microstructure of interfacial transition zone; (b) Defect rate of recycled brick aggregate [40]
图10. (a) 界面过渡区微观形态；(b) 再生砖骨料缺陷率[40]
微纳颗粒重构法与水泥裹浆法类似，关键在于利用材料颗粒的独特性能，如高比表面积和良好的化学活性，来改善再生骨料的内部结构和表面特性。杨秀芬[40]在研究中选用粉煤灰、矿粉作为微米级材料，以纳米二氧化硅分散液、纳米碳酸钙作为纳米级材料，分别配置改性浆液。研究发现采用微纳浆液浸泡处理后的砖骨料在各方面的表现都有所提升，其中双掺纳米材料的CMSC组界面结构最为紧密，界面处裂缝更窄，纳米材料的填充效应也得到很好的利用，同时缺陷率也有所下降(见图10)。通过图10(b)可以看到单掺纳米碳酸钙材料的CMC组在减少骨料缺陷方面表现最佳，经过改性后的砖骨料缺陷率降幅达到10.1%。与普通裹浆法相比添加纳米材料的微纳重构法优势在于纳米材料能够进一步提升改性浆液对细小孔隙的填充效应，促进水泥水化反应，加速了水化产物的形成，增强骨料与水泥浆之间的粘结，改善了界面过渡区的结构[41] [42]，有效渗透细化骨料内部结构，降低再生骨料中的裂缝占比，使其更适用于混凝土等建筑材料中。
3.2.3. 微生物矿化沉积
微生物矿化沉积技术是通过微生物作用促进碳酸钙沉淀，以此填补骨料的孔隙和微裂纹。微生物矿化沉积技术的研究需要考虑菌种的类别、细菌浓度、pH值、钙源种类以及钙离子浓度和矿化时间等多方面因素对强化效果的影响，在黄益宏[43]的研究中，等比例混合枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌和硝酸盐还原菌制成的微生物强化液在特定条件下能够最大限度地提高矿化活性。研究发现微生物矿化沉积技术产生的碳酸钙沉淀可对混凝土内部孔隙或孔洞进行填充使其结构更加致密，进而使其强度和耐久性等性能得到显著提升，同时碳酸钙的沉积还可以降低再生砖骨料的吸水率，提高骨料表观密度，优化压碎指标，从而提升骨料的整体性能[44] [45]。此外研究还发现用经过微生物矿化处理的再生砖细骨料制备的水泥砂浆，在抗压、抗折强度以及抗氯离子渗透性能方面均表现出显著提升。这些改善归因于骨料孔隙率的降低、界面过渡区孔隙率的减少以及用水量的有效控制。