再生骨料混凝土结构构件研究进展I——短期力学性能
彭立港 赵羽习
浙江大学结构工程研究所
彭立港,赵羽习.再生骨料混凝土结构构件研究进展I——短期力学性能[J/OL].工业建筑.
https://link.cnki.net/urlid/11.2068.TU.20240523.1503.002
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摘 要
再生骨料混凝土结构的应用对推动建筑行业的绿色高质量发展具有举足轻重的现实价值，这一领域在过去的几十年间已引起了学术界与工程界的广泛关注。本文系统地梳理了钢筋-再生骨料混凝土粘结性能、再生骨料混凝土梁构件受弯和受剪性能、再生骨料混凝土柱构件受压和抗震性能等方面的研究进展，并总结了当前科学研究及标准制定过程中的不足之处。分析表明：尽管再生骨料混凝土结构构件的短期力学性能相较于普通混凝土结构构件有所削弱，但通过配合比及施工工艺优化等措施，其性能可接近甚至优于普通混凝土结构构件，基本符合混凝土结构设计的规范要求。然而，当前的再生骨料混凝土结构构件研究主要聚焦于纯废弃混凝土制成的再生混凝土骨料，对于砖混结构拆除固废的结构化利用稍显欠缺。除了短期力学性能，再生骨料混凝土结构构件长期服役性能的稳定性和可靠性亦不容忽视，相关研究亟待深入开展。复合胶凝材料体系有望进一步改善再生骨料混凝土的材料性能、经济性和可持续性，但现有研究多局限于材料层面，缺乏对复合胶凝材料-再生骨料混凝土结构的系统性研究。因此，未来应进一步拓展研究视野，深入评估再生骨料混凝土结构的综合性能，以推动其在建筑行业的广泛应用。
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引 言
随着城镇化进程的推进，我国的建筑行业面临着天然砂石资源日益枯竭和建筑固废难以处置的双重难题。针对建筑固废中占比最大的废弃混凝土，学术界和工程界积极探索解决策略，提出了通过破碎加工将其转化成再生骨料（RA）的方案，并利用再生骨料部分或全部替代天然砂石骨料，制备出再生骨料混凝土（RAC）。这一策略不仅可以实现建筑固废的大规模消纳，还有助于缓解当前砂石资源紧缺的压力，对推动建筑行业绿色高质量发展具有重要的现实意义。
在过去几十年，大量研究人员[1-6]对再生骨料混凝土材料性能进行了系统性的试验及理论研究。研究表明：与天然砂石骨料相比，再生骨料的孔隙率更高、吸水率更大、表观密度更低、压碎指标更高。这些特征主要源于再生骨料表面附着的疏松多孔的老旧砂浆、内部薄弱的原天然骨料-老砂浆界面过渡区，以及破碎过程中产生的微裂缝。与天然砂石骨料制成的普通混凝土（NAC）相比，再生骨料混凝土内部界面过渡区的种类和数量更为复杂。这些界面过渡区往往是混凝土内部较为薄弱的环节，对混凝土材料性能产生负面影响[7,8]。由于再生骨料自身在物理和力学性能上的缺陷，随着其取代率的增大，再生骨料混凝土的工作性能（如坍落度等）、力学性能（如抗压强度、抗折强度、劈拉强度、弹性模量等）及耐久性能（如抗氯离子渗透性能、抗碳化性能、抗硫酸盐侵蚀性能等）通常会有所下降，其徐变及干缩变形也会有所增加[1-7,9-11]。这些材料性能上的缺陷往往会对再生骨料混凝土的结构性能产生不可忽视的影响。因此，本文将重点对再生骨料混凝土结构构件的短期力学性能进行综述，以期发现当前科学研究及标准制定过程中存在的不足，为再生骨料混凝土结构的科学研究及标准制定提供参考建议。
01
钢筋-再生骨料混凝土粘结性能
钢筋与混凝土粘结性能是实现两者之间力的有效传递以及变形协调的关键，对钢筋混凝土结构整体服役性能具有重要影响。钢筋与混凝土之间的粘结力主要由化学胶着力、摩擦力和机械咬合力共同组成。考虑到带肋钢筋在粘结性能上的优势，其在钢筋混凝土结构中的应用更为广泛。因此，研究带肋钢筋-再生骨料混凝土粘结性能具有重要意义。图1总结了相关研究成果[12-19]。值得注意的是，图1的纵坐标为相对粘结强度，即以带肋钢筋-普通混凝土粘结强度为基准，来评价带肋钢筋-再生骨料混凝土的相对粘结强度。后文各图中纵坐标性能参数的表达形式类似。
从图1可以看到，大部分研究文献表明：随着再生骨料取代率的增大，带肋钢筋与混凝土之间粘结性能呈现出一定程度的削弱。这主要与再生骨料混凝土自身力学性能较差有关。为了改善这一状况，可以通过调整配合比设计如减小水灰比、使用等用水量等方法，以提高混凝土的力学性能，进而减小再生骨料对钢筋与混凝土之间粘结性能的不利影响，优化后的再生骨料混凝土甚至可以达到与普通混凝土相当的水平。
图1 带肋钢筋-再生骨料混凝土粘结强度与再生骨料取代率的关系
02
再生骨料混凝土梁构件短期力学性能
2.1 再生骨料混凝土梁构件受弯性能
梁构件作为钢筋混凝土结构中的核心组成部分，是结构中至关重要的受弯构件。大量研究学者[20-30]对再生骨料混凝土梁构件受弯性能开展了深入研究，普遍认为：在荷载作用下，不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土梁构件具有与普通混凝土梁构件相似的正截面受弯破坏模式，均会经历弹性工作阶段、带裂缝工作阶段、屈服阶段以及极限破坏阶段这四个典型阶段。图2总结了不同文献中再生骨料混凝土梁构件开裂荷载、屈服荷载及极限荷载与再生骨料取代率的对应关系。
图2 再生骨料混凝土梁构件受弯承载性能与再生骨料取代率的关系：(a) 开裂荷载，(b) 屈服荷载，(c) 极限荷载
从图2可以发现，随着再生骨料取代率的增加，再生骨料混凝土梁构件的开裂荷载逐渐减小，这与再生骨料混凝土的抗拉强度较低、抗裂能力较差密切相关。但是，相较于开裂荷载，再生骨料混凝土梁构件的屈服荷载与极限荷载和普通混凝土梁构件的基本相当，即梁构件的屈服荷载与极限荷载对再生骨料取代率不太敏感。这主要是由于适筋梁构件屈服荷载与极限荷载的大小主要与受拉纵筋的屈服强度有关，而混凝土强度对屈服荷载与极限荷载的影响相对较小。
图3总结了再生骨料混凝土梁构件开裂荷载、屈服荷载和极限荷载对应的跨中挠度变形，即开裂挠度、屈服挠度和极限挠度。随着再生骨料取代率的增大，梁构件的开裂挠度、屈服挠度和极限挠度通常也会增大。这表明再生骨料混凝土梁构件的抗弯刚度较小、延性较大，这主要与再生骨料混凝土弹性模量较低有关。因此，针对再生骨料混凝土梁构件的挠度计算公式，有研究学者[21]建议：在现行规范《混凝土结构设计规范》（GB 50010–2010）计算挠度结果的基础上，直接乘以修正系数1.3，这样计算出的挠度值大于试验值，可以满足实际工程中对梁构件挠度变形的基本要求。
图3 再生骨料混凝土受弯梁构件跨中挠度变形与再生骨料取代率的关系：(a) 开裂挠度，(b) 屈服挠度，(c) 极限挠度
2.2 再生骨料混凝土梁构件受剪性能
钢筋混凝土梁构件除了承受弯矩外，一般同时还会承受剪力。梁构件的弯剪段受到弯矩和剪力的共同作用会产生斜裂缝，如果正截面受弯承载力可以得到保证，此时梁构件可能会发生斜截面受剪破坏，造成比受弯破坏更严重的后果。根据是否配置腹筋（即箍筋和弯起钢筋），本节将对无腹筋和有腹筋的再生骨料混凝土梁构件斜截面受剪性能相关研究现状进行综述分析。各研究学者[28,31-36]普遍认为：在荷载作用下，不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土梁构件具有与普通混凝土梁构件相似的斜截面受剪破坏模式，均会经历弹性工作阶段、带裂缝工作阶段以及极限破坏阶段这三个典型阶段，而有腹筋梁构件在极限破坏前还会经历屈服阶段。
图4总结了不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土无腹筋梁构件受剪承载性能相关研究成果[28,31-36]。从图4可以看到，大部分研究结果表明：随着再生骨料取代率的增大，无腹筋梁构件的受弯开裂荷载、受剪开裂荷载和极限荷载通常会减小，这与再生骨料混凝土的抗拉强度、抗剪强度等力学性能更差密切相关。当斜裂缝还未出现时，荷载剪力由梁构件整个截面的混凝土来承担，此时无腹筋梁构件的开裂荷载受混凝土性能的影响很大。当斜裂缝出现后，荷载剪力变为仅由斜裂缝上方剪压面的混凝土来承担。由于剪压面混凝土的压力与受拉纵筋的拉力保持平衡，开裂后受拉纵筋的拉力急剧增大，这导致斜裂缝进一步往上发展，剪压面进一步缩小而成为梁构件的薄弱环节，因此无腹筋梁构件的极限荷载大小也与剪压面混凝土性能密切相关。
图 4 再生骨料混凝土无腹筋梁构件受剪承载性能与再生骨料取代率的关系：(a) 受弯开裂荷载，(b) 受剪开裂荷载，(c) 极限荷载
图5总结了再生骨料混凝土无腹筋梁构件受剪开裂荷载和极限荷载对应的跨中挠度变形，即受剪开裂挠度和极限挠度。可以看到，随着再生骨料取代率的增大，无腹筋受剪梁构件跨中受剪开裂挠度和极限挠度通常会减小，这表明相较于普通混凝土无腹筋梁构件，再生骨料混凝土无腹筋梁构件的变形能力较差。
图5 再生骨料混凝土无腹筋受剪梁构件跨中挠度变形与再生骨料取代率的关系：(a) 受剪开裂挠度，(b) 极限挠度
无腹筋梁构件在受剪性能方面存在明显的局限性，由于其剪应力完全靠混凝土自身承担，其斜截面受剪承载性能通常不尽如人意。值得注意的是，这类梁构件在破坏时表现为典型的脆性破坏，即在无明显预兆的情况下突然失效，这对结构的安全性和稳定性构成了严重威胁。为了提高梁构件斜截面受剪承载性能，并防止梁构件出现脆性破坏，工程师在设计梁构件时通常会采取配置腹筋（包括箍筋和弯起钢筋）等措施。尽管箍筋和弯起钢筋对延后初始斜裂缝出现的效果非常微弱，但一旦斜裂缝出现后，箍筋和弯起钢筋可以承担部分剪应力，减小斜裂缝的高度和宽度，有效提高梁构件的斜截面受剪承载性能。因此，在进行梁构件设计时，合理配置腹筋是提高斜截面受剪承载性能、防止脆性破坏的有效手段。
图6总结了不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土有腹筋梁构件受剪承载性能相关研究成果[33-35,37-42]。从图6可以看到，尽管再生骨料取代率的增大对有腹筋梁构件受剪承载性能仍然有一定程度的削弱作用，但通过合理配置箍筋和弯起钢筋，再生骨料混凝土梁构件受剪承载性能与普通混凝土梁构件之间的差距显著减小。因此，配置箍筋和弯起钢筋对提高再生骨料混凝土梁构件的斜截面受剪承载性能效果显著，甚至可以达到与普通混凝土梁构件相当的水平。图7汇总了再生骨料混凝土有腹筋梁构件的受剪开裂挠度、屈服挠度和极限挠度相关数据。整体来看，提高再生骨料取代率会减小有腹筋梁构件的挠度变形，尤其是减小梁构件的受剪开裂挠度和极限挠度。
图6 再生骨料混凝土有腹筋梁构件受剪承载性能与再生骨料取代率的关系：(a) 受弯开裂荷载，(b) 受剪开裂荷载，(b) 屈服荷载，(b) 极限荷载
图7 再生骨料混凝土有腹筋受剪梁构件跨中挠度变形与再生骨料取代率的关系：(a) 受剪开裂挠度，(b) 屈服挠度，(c) 极限挠度
03
再生骨料混凝土柱构件短期力学性能
3.1 再生骨料混凝土柱构件受压性能
柱构件是钢筋混凝土结构中重要的受压构件，根据其受力情况不同通常可以分为轴心受压和偏心受压两大类。图8总结了不同再生骨料取代率的再生骨料混凝土柱构件轴心和偏心受压极限承载性能的相关研究成果[43-50]。一般而言，不管是轴心受压还是偏心受压承载力破坏试验，再生骨料混凝土柱的破坏模式与普通混凝土柱均没有显著差异，即其破坏模式与再生骨料取代率的关系不大。从图8(a)可以看到，随着再生骨料取代率的增大，柱构件的正截面轴心受压极限承载性能降低。在轴压荷载作用下，柱构件的混凝土承担大部分压应力，因此混凝土的抗压强度对柱构件的正截面轴心受压承载性能影响很大。而在偏压荷载作用下，再生骨料取代率对柱构件受压极限承载性能的影响就远不如轴压荷载下的影响那么显著，如图8(b)所示。以大偏压柱构件为例，在大偏压荷载作用下，柱构件的受压极限承载性能主要取决于受拉纵筋的自身性能，例如受拉纵筋的数量、截面积和屈服强度等。
图8 再生骨料混凝土柱构件受压极限承载性能与再生骨料取代率的关系：(a) 轴压荷载，(b) 偏压荷载
3.2 再生骨料混凝土柱构件抗震性能
柱构件在混凝土结构中也扮演着至关重要的角色，除了承担竖向荷载，在地震荷载作用下还需要承担水平荷载。在地震作用下，柱构件需要承受复杂多变的荷载，这就要求其具备足够的强度、刚度和延性，以应对可能出现的各种破坏模式。因此，再生骨料混凝土柱构件的抗震性能同样也直接关系到结构的整体安全性。为确保再生骨料混凝土结构设计可以满足建筑抗震设计规范中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防要求，对再生骨料混凝土柱构件的抗震性能进行深入研究显得尤为重要。大部分研究[51,52]表明：在低周往复荷载作用下，再生骨料混凝土柱构件的破坏模式与相同轴压比的普通混凝土柱构件并无明显区别。在加载过程中，柱构件通常会经历表面混凝土开裂、纵筋屈服、达到峰值荷载、承载力退化、最终极限破坏等几个典型阶段。然而，由于再生骨料混凝土自身力学性能较差，再生骨料混凝土柱构件在加载过程中其表面裂缝发展以及混凝土剥落往往更加迅速，破坏程度也更为严重。
图9 再生骨料混凝土柱构件抗震性能与再生骨料取代率的关系：(a) 开裂荷载，(b) 屈服荷载，(c) 峰值荷载，(d) 极限荷载
图9总结了不同文献[53-62]中关于再生骨料混凝土柱构件抗震性能与再生骨料取代率的关系。从图9可以发现，再生骨料取代率对低轴压比的再生骨料混凝土柱构件抗震性能影响相对有限，换而言之，在低周往复荷载作用下低轴压比的再生骨料混凝土柱构件抗震承载性能与普通混凝土柱构件基本相当，可以满足承载力相关要求；但高轴压比的柱构件抗震承载性能通常要低于普通混凝土柱构件。彭有开等人[52]对再生骨料混凝土长柱的抗震性能进行了相关试验研究，他们发现低轴压比（该文中为0.12和0.13）的再生骨料混凝土柱构件具有较好的延性和变形能力，可以满足抗震设计的延性要求；而高轴压比（该文中为0.31，0.32和0.33）的再生骨料混凝土柱构件延性明显不如低轴压比的柱构件，且最终发生脆性的剪切破坏，很难满足抗震设计的延性及耗能要求，但可以通过降低轴压比、提高配箍率等措施加以改善抗震延性指标。此外，他们还发现再生骨料取代率对纵筋和箍筋的应变发展的影响较小，但提高配箍率可以有效限制纵筋和箍筋的应变发展。卢锦等人[51,61]也研究了再生骨料取代率和轴压比等因素对柱构件抗震性能的影响，他们的研究结果发现：当轴压比相同时，再生骨料混凝土柱构件的抗侧刚度、承载性能、延性、滞回性能与普通混凝土柱构件相比基本一致或略差。此外，当轴压比相同时，再生骨料混凝土柱构件的破坏模式也与普通混凝土柱构件基本一致。具体来说，当轴压比较低时（该文中为0.02），柱构件的破坏模式为弯压破坏；当轴压比适中时（该文中为0.3），柱构件的破坏模式为类似大偏压柱构件的延性破坏；当轴压比较大时（该文中为0.6），柱构件的破坏模式为类似小偏压柱构件的脆性破坏。此外，孟宇[63]通过试验研究和有限元模拟对五种不同轴压比（该文中为0.25~0.55）的全再生骨料混凝土柱构件抗震性能进行了研究，他的研究得到了如下几点主要结论：不同轴压比下，再生骨料混凝土柱构件的抗震性能变化与普通混凝土柱构件基本相似；随着柱构件轴压比的增大，柱构件的滞回曲线会从饱满状态逐渐捏缩、延性有所下降、初始刚度增大、刚度退化加快。
04
结论与展望
本文对钢筋-再生骨料混凝土粘结性能、再生骨料混凝土梁构件抗弯和抗剪性能、再生骨料混凝土柱构件抗压和抗震性能等方面进行了综述分析。整体来看，再生骨料混凝土结构构件的短期力学性能虽然相较于普通混凝土结构构件有一定的削弱，但通过配合比设计和施工工艺优化等措施，仍可以达到与普通混凝土结构构件大体相当甚至更优的水平，基本满足《混凝土结构设计规范》（GB 50010–2010）的相关要求。目前，我国已经颁布了《再生混凝土结构技术标准》（JGJ/T 443–2018），对再生骨料混凝土配合比设计、承载能力极限状态计算、正常使用极限状态验算等进行了较为详细的说明，为再生骨料混凝土结构的推广应用奠定了坚实基础。然而，目前再生骨料混凝土结构的科学研究及标准制定仍存在着一些不足，还需要进一步开展相关工作，具体的研究展望可总结如下：
（1）大部分研究文献所使用的再生骨料均为废弃混凝土加工而成的再生混凝土骨料，而我国上世纪建成的大量老旧住宅建筑为砖混结构，这些砖混结构拆除后的建筑固废中含有比例不一的废弃砖块，由其加工而成的再生砖混骨料成分及性能更加复杂，从而对再生砖混骨料混凝土的材料性能带来更多不稳定因素。然而，而目前关于再生砖混骨料混凝土结构的研究相对较少，且缺乏标准规范的指导，限制了砖混结构拆除固废在混凝土结构中的高效资源化利用。因此，有必要系统开展再生砖混骨料混凝土结构的相关研究。
（2）除了短期力学性能，再生骨料混凝土结构构件长期服役性能的稳定性和可靠性同样值得重点关注，这对保障再生骨料混凝土结构的长期安全至关重要。然而，当前我国现行的《再生混凝土结构技术标准》（JGJ/T 443–2018）主要关注再生骨料混凝土构件的短期力学性能，未对其长期服役性能相关设计标准进行详细说明。这在一定程度上限制了再生骨料混凝土结构在需要长期服役的应用场景下推广。因此，非常有必要在再生骨料混凝土结构设计时考虑钢筋锈蚀、混凝土徐变及收缩变形等因素带来的影响。
（3）为了进一步改善再生骨料混凝土的材料性能、经济性和可持续性，目前很多研究学者使用粉煤灰、矿渣、硅灰和煅烧粘土等矿物掺合料部分替代水泥，并与再生骨料协同利用，以组成复合胶凝材料-再生骨料混凝土体系。然而，以往的这些研究绝大部分都限于材料层面，缺乏复合胶凝材料-再生骨料混凝土结构构件短期力学性能及长期服役性能的系统性研究，相关工作亟待深入开展。
作者简介
赵羽习，浙江大学求是特聘教授，结构工程研究所所长；国家“万人计划”科技创新领军人才。主要从事混凝土结构长期性能和建筑固废资源化利用研究。发表学术论文200余篇；出版学术专著3部；获国家科学技术进步奖二等奖1项（3/10），省部级科学技术奖二等奖各2项（1/9，2/9）。自2021年以来持续入选Elsevier“中国高被引学者”榜单。担任Case studies in construction materials、Cleaner materials副主编。
彭立港，浙江大学博士研究生，主要从事低碳混凝土结构相关研究。主持浙江省“新苗人才计划”，并受港方全额资助前往香港理工大学开展联培博士项目。在CCR、CCC等期刊发表高水平学术论文20余篇，被引300余次，发表论文荣获“Elsevier 2022 Outstanding Paper Award”。受邀担任CBM、JBE、CSCM等期刊审稿人。
关于期刊
《工业建筑》（CN 11-2068/TU，ISSN 1000-8993）创刊于1964年，是一本由中冶建筑研究总院有限公司（原冶金工业部建筑研究总院）主办，《工业建筑》杂志社有限公司出版发行的国家级科技期刊。《工业建筑》报道方向涵盖了土木建筑领域的主要学科，包括建筑学、建筑结构、岩土工程与地基基础、建筑材料、建筑施工五大专业。报道方向始终围绕通过对新型建筑思想和理念，新材料、新结构、新工法的介绍，力求能在建筑技术方针政策和技术发展趋向上具有指导性，为生产建设中重大技术问题的解决提供帮助，以促进土木建筑领域的技术创新和进步。
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