0 引 言
再生混凝土是将废弃混凝土经过多级破碎、除尘、分档得到的再生集料，按照合理比例部分或全部替代天然集料配制形成的混凝土[1-3]。对废弃混凝土进行再生利用，可以提高企业经济效益，节约土地资源，防止废弃混凝土填埋对环境的污染，减少天然砂石的开采，对我国走资源和环境可持续发展道路具有重要意义[4-7]。为推动再生混凝土的发展及应用，国内外许多学者对再生混凝土的力学性能进行了研究。
本文总结了近年来再生混凝土力学性能的研究进展，从抗压强度、抗拉强度、抗折强度、弹性模量、泊松比和应变6个方面进行分析，为再生混凝土的进一步研究提供理论依据和建议。
1 再生混凝土力学性能
1.1 抗压强度
力学性能是混凝土的基本性能，其中抗压能力对于混凝土的应用至关重要[8]。为了科学评价再生混凝土的抗压能力，讨论了再生集料性质、再生集料取代率、水灰比等因素对再生混凝土抗压强度的影响。
1.1.1 再生集料性质对抗压强度的影响
Zega等[9]研究了不同再生集料对再生混凝土抗压强度的影响；采用3种类型的再生集料花岗岩、硅质砂岩和石英岩，分别制备不同水灰比的再生混凝土，当水灰比为0.7时，石英岩再生集料制备的混凝土抗压强度分别比花岗岩再生集料和硅质砂岩再生集料制备的混凝土高出15%和35%，并且水灰比为0.4和0.7时，石英岩再生集料制备的混凝土抗压强度均为最高(图1)。Wang等[10]采用1%、3%和5%浓度的乙酸对再生集料浸泡24 h，测试其吸水率，未处理的再生集料吸水率为5.95%，浸泡后再生集料吸水率分别为4.94%、5.06%和5.05%，然后分别对浸泡后的再生集料进行机械磨耗并配制混凝土，发现复合强化后，再生集料吸水率较乙酸浸泡处理的再生集料吸水率分别降低9.3%、27.9%和38.7%，再生混凝土的7，28 d抗压强度较未处理再生集料配制混凝土均有较大提升。Akbarnezhad等[11]采用未处理的再生集料(RCA)和用微波加热技术处理的再生集料(MRCA)制备再生混凝土，与天然集料制备的混凝土抗压强度相比，纯RCA制备的再生混凝土抗压强度降低了33%左右，纯MRCA制备的再生混凝土抗压强度降低了9%左右，原因是再生集料内部损伤大，微裂纹多，表面砂浆含量高，配制的混凝土抗压强度小；微波加热产生的高温梯度可以有效去除再生集料黏附砂浆，增大再生混凝土抗压强度。朋改非等[12]采用620 ℃高温恒温3 h处理再生集料，去除再生集料黏附砂浆，配制水灰比为0.25的再生混凝土，研究结果是再生集料经高温处理配制的再生混凝土抗压强度比未处理再生集料配制的再生混凝土低7.5%，原因是过高的温度导致再生集料内部裂纹扩展，破坏了集料内部结构。综上，在水灰比一定的条件下，石英岩再生集料制备的混凝土抗压性能高于花岗岩、硅质砂岩再生集料；再生集料可以通过在酸中预浸泡、机械研磨和微波加热的处理方法去除黏附砂浆改善再生集料性质，提高再生混凝土抗压强度；如果处理再生集料的温度过高，虽然可以去除部分黏附砂浆，但会破坏再生集料内部结构，再生集料质量变差，再生混凝土抗压性能降低。
水灰比=0.4； 
水灰比=0.7。
图1 不同性质的再生集料对再生混凝土抗压强度的影响[9]
Figure 1 Effect of recycled aggregate with different properties on compressive strength of recycled concrete
1.1.2 再生集料取代率对抗压强度的影响
国内外众多学者研究获得的再生集料取代率与再生混凝土抗压强度的关系具有差异。许多学者研究结果是随着再生集料取代率增加，再生混凝土抗压强度相应减小，原因可能是再生集料内部空隙较大，受力易产生应力集中，并且再生混凝土中存在许多薄弱的界面过渡区，导致再生混凝土抗压强度较小[13-15]；部分学者发现，总体上再生集料取代率与再生混凝土抗压强度呈负相关，但再生集料取代率为50%时，再生混凝土抗压强度最大，出现高取代率的再生混凝土抗压强度高的原因可能是此时混凝土形成了较优的合成级配，并且再生集料吸水率大，导致水泥浆体的实际水灰比降低，再生混凝土抗压强度较高[16-18](图2)。Wu等[13]开展了再生集料取代率影响再生混凝土抗压强度的研究，设置再生集料取代率为0～100%，发现再生混凝土在取代率为100%时，其抗压强度最低，与对照组天然集料配制的混凝土相比降低23%。郭远新等[14]发现，再生集料取代率与再生混凝土抗压强度呈线性关系，随着取代率增加，抗压强度降低，并拟合出不同胶凝材料用量再生混凝土的抗压强度与取代率的线性关系曲线，再生集料品质越好，再生集料取代率对再生混凝土抗压强度影响越小。肖建庄等[16]研究结果是对于不同水灰比的再生混凝土，再生集料取代率分别为0、30%、70%和100%，再生混凝土抗压强度低于普通混凝土，随着取代率的增大，抗压强度降低；当再生集料取代率为50%时，再生混凝土抗压强度最大。整体而言，再生集料取代率高的混凝土抗压强度低，这主要是由于再生集料自身缺陷导致的；而再生集料取代率为50%时，再生混凝土抗压强度较高，此时可能形成了较优级配。
—文献[13]； 
—文献[14]； 
—文献[15]； 
—文献[16]； 
—文献[17]； 
—文献[18]。
图2 再生集料取代率与再生混凝土抗压强度的关系
Figure 2 Relationship between replacement rate of recycled aggregate and compressive strength of recycled concrete
1.1.3 水灰比对抗压强度的影响
Zhao等[19]研究水灰比对再生混凝土抗压强度的影响，结果是水灰比为0.569的再生混凝土3 d和90 d抗压强度均低于水灰比为0.527的再生混凝土，但水灰比为0.569的再生混凝土28 d抗压强度高于水灰比为0.527的再生混凝土，原因可能是再生集料吸水率大，添加的水分部分被集料吸收，导致水灰比高的再生混凝土后期强度高。郭樟根等[20]的研究结果是不同取代率下的再生混凝土，随着水灰比的提高，再生混凝土抗压强度降低。李俊等[21]通过正交实验研究了水灰比、再生集料掺量和粉煤灰掺量对再生混凝土抗压强度的影响，结果是对于再生混凝土28 d抗压强度，水灰比是最显著的影响因素，其次是再生集料掺量和粉煤灰掺量。张永娟等[22]研究结果是水灰比与再生混凝土抗压强度的关系符合Bolomey公式的形式，抗压强度随着水灰比的增加而降低。综上，水灰比对再生混凝土抗压强度的影响高于再生集料掺量。总体上，水灰比高的再生混凝土抗压强度低；由于再生集料空隙多，需要吸收更多水分，也会出现水灰比稍高的再生混凝土后期抗压强度高的现象。
1.1.4 其他因素对抗压强度的影响
任莉莉[23]研究玄武岩纤维掺量对再生混凝土力学性能的影响，玄武岩纤维掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，再生集料为原始强度等级为C30的废弃混凝土，分别配制强度等级为C40、C50和 C60的再生混凝土，发现随着玄武岩纤维掺量的增加，再生混凝土抗压强度先增后减，玄武岩纤维掺量为0.3%时，配制的C40和C60再生混凝土抗压强度最大，玄武岩纤维掺量为0.2%时，配制的C50再生混凝土抗压强度最大。梁琳[24]通过对比实验研究硅灰对再生混凝土抗压强度的影响，发现掺入硅灰的再生混凝土28 d抗压强度比未掺硅灰的再生混凝土高4%，且掺入硅灰对再生混凝土90 d和180 d抗压强度的提升更加明显，原因是随着混凝土养护时间的增加，硅灰水化反应的产物相互连接，并填充再生混凝土内部结构的空隙。Zhao等[19]研究预润湿过程对再生混凝土抗压强度的影响，预润湿是指将配合比总水量的一部分预先加入再生集料中，剩余水量在混凝土拌和过程中加入，与未润湿再生集料的再生混凝土相比，预润湿过程会导致再生混凝土抗压强度降低，原因是预先吸收的水增加了有效水灰比。综上，玄武岩纤维和硅灰的掺入可以提高再生混凝土的抗压性能，硅灰的掺入能极大提高再生混凝土后期的抗压强度；对再生集料进行预润湿处理不能提高再生混凝土抗压强度。
1.2 抗拉强度
混凝土是脆性材料，抗拉强度较低。在某些工程中，混凝土抗拉强度是直接判断该混凝土是否可以使用的前提。再生混凝土由于内部的裂缝、孔洞和黏附砂浆的存在，抗拉强度更低，提高其抗拉性能尤其重要。Elhakam等[25]研究了再生集料浸水30 d、掺入10%硅灰、两阶段搅拌对再生混凝土的影响，其中浸水30 d处理使再生混凝土28 d抗拉强度比未浸水时提高了20%，原因是再生集料中剩余未水化水泥颗粒的进一步水化；硅灰的掺入可以改善再生集料的界面过渡区，再生混凝土28 d抗拉强度比未掺硅灰提高16%，两阶段搅拌与一次搅拌成型的再生混凝土抗拉强度基本相同。Bravo等[26]研究了高效减水剂对再生混凝土抗拉强度的影响，发现对于不同的再生集料取代率，高效减水剂的掺入均能提高再生混凝土抗拉强度(图3)。Tam等[27]对碳化压力和碳化时间对再生混凝土抗拉性能的影响进行研究，碳化压力设计了0，75，150 kPa 3个梯度，碳化时间设计了0，30，90 min 3个梯度，结果是在室温75 kPa下，对再生集料碳化处理30 min，制备的再生混凝土抗拉强度达到最大值4 MPa。Ann等[28]研究了粉煤灰(PFA)和磨碎的粒状高炉矿渣(GGBS)的掺入对再生混凝土抗拉性能的影响，结果是掺入30%PFA或65%GGBS基本可同等程度降低再生混凝土的抗拉强度，但再生混凝土的抗拉强度与抗压强度之比几乎不变。唐佳军等[29]研究了钢纤维撒布层数和掺量对再生混凝土抗拉强度的影响，设计层数分别为1～7，钢纤维掺量分别为1.0，1.5，2.0 kg/m2，结果是随着钢纤维层数和掺量的增加，其抗拉性能均得到较大提升。纪锋等[30]研究再生集料取代率对再生混凝土抗拉性能的影响，研究结果是随着取代率增加，抗拉强度先增后减，取代率为30%时，再生混凝土7 d抗拉强度最大；取代率为20%时，再生混凝土28 d抗拉强度最大。基于目前对再生混凝土抗拉性能的研究成果，再生混凝土主要通过提升再生集料的性质来提高抗拉强度，再生集料浸水、碳化都是提高再生混凝土抗拉性能行之有效的方法；也可以通过添加硅灰、钢纤维和高效减水剂改善再生混凝土抗拉性能，其中高效减水剂对再生混凝土抗拉强度的影响与再生集料取代率有关；粉煤灰和高炉矿渣的掺入对再生混凝土抗拉性能具有不利影响；再生集料取代率与抗拉强度之间呈非线性关系，存在最佳的再生集料取代率。
—无减水剂； —有减水剂。
图3 高效减水剂对再生混凝土抗拉强度的影响[26]
Figure 3 Effect of super-plasticizer on tensile strength of recycled concrete
1.3 抗折强度
评价再生混凝土受到弯曲负荷不发生破坏的指标是抗折强度，又称抗弯强度。Zhou等[31]研究再生集料取代率对抗折强度的影响，取代率设计为0～100%，间隔为10%，发现30%再生集料取代率的再生混凝土抗折强度最小，80%再生集料取代率的再生混凝土抗折强度最大。唐德胜等[32]通过正交实验研究再生混凝土抗折性能的影响因素，橡胶掺量为0、20%、40%，钢纤维掺量为0、0.6%、1.2%，再生集料掺量为0、50%、100%，再生集料强化方式为球磨、裹水泥浆，发现球磨、裹水泥浆强化再生集料和再生集料掺量变化对再生混凝土抗折强度影响不明显；钢纤维掺量越高，再生混凝土抗折强度越大；橡胶掺量越高，再生混凝土抗折强度越小。正交实验确定再生集料掺量为50%，强化方式为球磨处理，钢纤维掺量为1.2%，橡胶掺量为0时，再生混凝土抗折强度最大，达到9.72 MPa。Katkhuda[33]等用掺入短切玄武岩纤维(BF)和酸处理的方法提高再生混凝土的抗折性能，研究结果是随着玄武岩纤维掺量的增加，天然集料、再生集料和酸处理过的再生集料制备的混凝土28 d抗折强度不断增加，另外，酸处理过的再生集料配制的混凝土抗折性能略优于未处理再生集料配制的混凝土。李孝忠等[34]的研究结果是再生集料取代率为100%时，随着基体混凝土水灰比或再生混凝土水灰比增加，再生混凝土抗折强度均降低，且再生混凝土水灰比对抗折强度的影响更加明显。Gao等[35]研究发现：钢-聚烯烃混杂纤维的添加显著增强了再生混凝土的抗折性能，主要原因是杂化纤维的桥接效应可以抵抗裂纹的扩展。综上，掺入部分再生集料可以提高再生混凝土抗折强度；橡胶不能提高再生混凝土抗折性能；钢纤维、短切玄武岩等纤维可以提高再生混凝土抗折性能；球磨、裹水泥浆强化方式不能使再生混凝土抗折性能有明显增强，建议采用掺入纤维的方式提高再生混凝土抗折性能。
1.4 弹性模量
弹性模量可衡量混凝土产生弹性变形的难易程度，其值越大，使混凝土发生弹性变形的应力就越大，即混凝土刚度越大，故弹性模量的研究对于综合分析再生混凝土力学性能具有重要意义。Zega等[9]研究结果显示，硅质砂岩再生集料配制的混凝土弹性模量高于花岗岩和石英岩再生集料配制的混凝土。Faiz[36]制备了分别掺入5%、10%和15%硅灰和35%、40%、45%和50%炉渣的再生混凝土，其中，10%硅灰和40%炉渣复合制备的再生混凝土弹性模量最大，其值可达30 GPa。Bui等[37]对再生集料用10%硅酸钠溶液浸泡强化处理，水灰比分别为0.52、0.45和0.39，并掺入3%、5%和7%硅粉制备100%再生集料的混凝土，研究结果是水灰比越小，再生混凝土弹性模量越大；硅粉的掺入可以提高再生混凝土弹性模量，水灰比为0.52时，随着硅粉的掺量增加，再生混凝土弹性模量可以提高5.5%～42.5%，水灰比为0.45时，随着硅粉的掺量增加，再生混凝土弹性模量可以提高19%～29.4%，水灰比为0.39时，随着硅粉的掺量增加，再生混凝土弹性模量可以提高12.5%～15.5%(图4)。王庆贺等[38]研究了配制方法对再生混凝土弹性模量的影响，结果是直接加水法(MWC)配制的混凝土弹性模量最大，其次是饱和面干法(PMA)，等量砂浆含量法(EMV)和两阶段拌合法(TSMA)制备的再生混凝土弹性模量较小。李宏等[39]研究结果是随着再生集料取代率增加, 再生混凝土的弹性模量降低。综上，硅质砂岩再生集料制备的再生混凝土弹性模量较高。硅灰和炉渣的复合掺入可以提高再生混凝土抵抗变形的能力，弥补其由于黏附砂浆带来的性能缺陷，具体施用比例需要通过实验进行研究确定；掺入硅粉可以提高再生混凝土弹性模量，提高程度与水灰比和硅粉掺量密切相关；采用直接加水法配制的再生混凝土弹性模量较高。
—水灰比0.39； —水灰比0.45； —水灰比0.52。
图4 再生混凝土的弹性模量[37]
Figure 4 Elastic modulus of the recycled concrete
1.5 泊松比
泊松比是混凝土在纵向荷载作用下，横向应变与轴向应变的绝对值的比值，也称横向变形系数，它反映混凝土抵抗横向变形的能力。徐金俊等[40]研究了不同取代率下再生混凝土的泊松比变化情况，设计取代率为0～100%，取代率变化间隔为10%，研究结果是不同取代率的再生混凝土泊松比为0.17～0.24(图5)。Ngoc等[41]设计了一种新的再生集料和天然集料组合的方法，即某一粒径以上的天然集料和再生集料混合，结果是取代率为30%、50%和70%时，新方法制备的再生混凝土泊松比较传统组合方法低0.02左右。胡琼等[42]的研究结果是再生混凝土泊松比随着应力水平的增加而增加，变化规律与普通混凝土相同。当配制相同强度等级的再生混凝土时，再生集料原始强度等级高的再生混凝土泊松比低于再生集料原始强度等级低的再生混凝土。Xie等[43]的研究结果是随着再生集料取代率的增加，泊松比的变化相对较小并且是随机的。综上，不同取代率再生混凝土的泊松比为0.17～0.24，其变化是随机的，为了提高再生混凝土抵抗横线变形能力，应尽量选用原始强度等级高的再生集料，也可以通过控制某粒径级别以上的再生集料取代率来实现。
图5 不同再生集料取代率下的再生混凝土的泊松比[40]
Figure 5 Poisson′s ratio of recycled concrete with different recycled aggregate replacement rates
1.6 应 变
混凝土被破坏，是其应变达到极限的结果。为了更好地了解再生混凝土抵抗破坏的能力，研究再生混凝土的应变十分重要。肖建庄等[44]进行了100%取代率的再生混凝土单轴受压疲劳实验，发现在疲劳荷载循环次数增加的过程中，疲劳应变经历了循环蠕变、疲劳和蠕变共同作用以及随疲劳裂缝发展疲劳应变逐渐增大的3个阶段，疲劳应变可以描述再生混凝土损伤情况。骆行文等[45]进行了再生混凝土单轴竖向循环加载试验，发现再生混凝土损伤变形分为3个阶段：循环压密变形阶段、变形线形增长阶段和加速破坏阶段。第1阶段应变与循环次数比的关系曲线可拟合为幂函数方程；第2阶段应变与循环次数比的关系曲线可拟合为线性方程；第3阶段应变与循环次数比的关系曲线可拟合为指数函数方程。周静海等[46]的研究结果是不同再生集料取代率的再生混凝土应力-应变曲线与普通混凝土相似，具有比例极限点、临界应力点、峰值点、反弯点和收敛点5个特征点。综上研究可知：再生混凝土应变在受到破坏时呈分阶段增大的趋势，合理利用再生混凝土应变的发展规律对于提高再生混凝土耐久性具有重要意义。
2 结 论
通过对国内外现有研究成果进行总结分析，得出如下结论：只要措施科学合理，再生混凝土力学性能可以满足工程实际需要；再生集料性质的提高主要是对再生集料黏附砂浆进行强化或去除处理，具体有机械研磨、预浸泡在酸中、加热和碳化等方法；再生集料取代率和水灰比是再生混凝土配合比设计中要重点考虑的工作之一；粉煤灰、矿渣、硅灰、纤维和高炉矿渣等的掺入对再生混凝土力学性能具有改善作用。
再生混凝土的应用能够节能降耗，符合国家环境保护与可持续发展战略，具有良好的发展前景。为了促进再生混凝土的妥善利用，有些方面还需进一步研究：由于世界各国废弃混凝土的组成材料和所处的地理环境不同，引进国外研究成果时，需进行本土化研究；建议系统研究对不同来源的废弃混凝土科学合理地区分与储存管理，以便提高废弃混凝土资源化再利用的效率；系统研究废弃混凝土再生集料性能评价体系，开发新的试验方法，以控制废弃混凝土再生集料性质的稳定性；开展废弃混凝土再生集料的激发与强化技术研究，拓展废弃混凝土再生集料的应用范围；研发新工艺、新设备，优化废弃混凝土再生集料破碎加工工艺，降低加工成本，提高再生集料性质。
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