【讲座回顾】促进可持续发展的回收材料混凝土研发与应用

导读

华南理工大学土木学科海外学者前沿讲座第五十九期，我们邀请到来自国德克萨斯州立大学（TXST）土木工程学系的的施锡俊助理教授为大家做了题为“促进可持续发展的回收材料混凝土研发与应用”的报告。本期讲座录播链接见文末或点击阅读原文。

讲座开始，施老师首先介绍了混凝土的应用现状和再生混凝土的研究背景。他向我们详细介绍了对混凝土应用、混凝土碳排放、水泥消耗、混凝土骨料、混凝土用钢和再生混凝土等做的市场调研报告，这些详尽的数据支撑和促使他致力于发展混凝土可持续性技术的研究。混凝土作为应用最为广泛的建筑材料之一，其主要成分的生产是碳密集型的，并会对生态环境造成不利的影响。此外，混凝土由水泥基材料、骨料以及钢筋等组成，钢材是混凝土结构中的另一个重要组成，钢筋的生产过程是混凝土施工中公认的温室气体最大单一来源。例如，在住宅建筑中，钢材的生产约占总能耗的51%，占二氧化碳总排放量的49%。研究表明，使用再生材料是促进混凝土行业可持续发展和实现成本效益的可行选择。

基于循环经济的概念，本次报告中施老师向我们介绍了他近期所完成的四个研究项目，分别为RAP在水工水泥混凝土中的验证；含有再生混凝土骨料的混凝土路面的长期性能评估；废弃轮胎再生钢纤维增强水泥材料；以及施老师团队提出的Plient混凝土，一种新型的环保混凝土理念，用于管道、排水结构和其他耐用的混凝土产品。

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首先，施老师介绍了将再生沥青路面(Reclaimed Asphalt Pavement (RAP))应用在混凝土中的研究。将RAP直接添加到沥青混合料中是其目前主要的使用方式，但存在一定的局限性，如混合物太硬导致的开裂问题和沥青粘结剂（尤其是改性粘结剂）质量不足等。将RAP应用在路基中存在着因抗剪强度低导致更大的路面沉降，RAP性能的较大离散性和时间温度依赖性，以及铅元素等的浸出问题等。而将RAP应用在混凝土中的研究项目较少，因此，施老师围绕这个方向开展了研究。起始，施老师对RAP进行了材料表征，包括其体积属性（比重、干单位重量、吸水性），沥青的性质（粘结剂含量、提取的粘结剂PG等级量化沥青的老化），采用聚合成像系统评估颗粒形状特性，开展岩相学的研究。由于细RAP降低混凝土的和易性和强度，且其更适用于配制新型混合料，施老师仅对含有粗RAP的混凝土进行详细测试，通过RAP级配与混合设计，粗RAP在混凝土中的替代率可达40%。采用含有足够数量中等粒径RAP作为骨料制成的RAP混凝土密室程度更好。研究结果表明，（1）RAP混凝土的力学性能：在混凝土中添加RAP会降低强度和刚度，但可以通过控制RAP质量或使用密集级配混合设计来缓解。（2）RAP混凝土的微观结构和裂缝形态：沥青内聚力破坏是强度降低的主要机制；RAP混凝土系统的薄弱环节包括附聚颗粒和含有细粉和细孔的沥青层。（3）如果RAP%低于40%，RAP混凝士具有良好的耐久性，包括抗冻融性和透气性。（4）在选择RAP时，选择沥青含量低，团聚颗粒数量低和中间尺寸(95mm-236mm)的RAP。

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随后，施老师对RAP混凝土开展了半圆弯曲断裂试验，断裂试验，延性测试和砂浆环试验，试验结果表明，RAP基胶凝材料不一定是劣质材料!在断裂性能方面，RAP混凝土具有与普通混凝土相当的断裂韧性；RAP混凝土具有更高的延展性和更高的断裂能。在约束干燥收缩下的抗裂性方面，可能由于RAP-砂浆模量低，断裂能高，粘弹性应力松弛等，其产生了更低的峰值应变，并延迟开裂。

施老师介绍的第二个研究项目是评估了含有再生骨料的混凝土路面的长期力学性能。研究发现，再生骨料对混凝土性能的影响主要为降低弹性模量和强度，热膨胀系数高，更高的收缩和抗裂性(RAP混凝土)。在路面的设计上，需要注意使用优化的骨料级配，采用不同的密封材料或短的接缝间距，更好的载荷传递装置，耐腐蚀的基础等。

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在钢材的可再生利用方面，施老师还介绍了一种新型环保的混凝土——Plient，它是将传统的钢筋和箍筋替换为来自废旧轮胎回收的柔软纤维。每年美国会产生大量的废弃轮胎，由废弃轮胎生产的再生钢纤维（RSF）比工业生产的钢纤维便宜大约10倍，是钢筋价格的一半。施老师团队将其用于管道、排水结构的研究上，研究表明，与传统钢纤维相比，加工RSF消耗的能源更少，而施老师发现有关RSF增强水泥材料的研究甚少。因此，施老师开展了试验研究，评估了废弃轮胎RSF增强的水泥砂浆的各种力学性能，包括抗压强度，劈拉强度，双参数断裂模型的断裂性能和约束干燥收缩下的抗裂性。研究发现，掺加2%RSF对水泥砂浆的抗压强度和弹性模量影响不大；RSF增强水泥砂浆的断裂能和抗裂性均有所提升。

Plient与传统的管道相比不仅具有更好的韧性，而且还可以降低运输成本，提高管道的灵活性。虽然这类新型的材料既可以达成低碳环保的目标，同时也具有较好力学性能，但它是否可以被广泛接受而用于替代其他的传统材料呢，甚至用于替代传统房屋建筑或者桥梁工程中的原材料也还在探索中。

总结

施老师本次报告主要通过再生沥青路面（reclaimed asphalt pavement，RAP）在水泥混凝土中的应用以及废轮胎再生钢纤维增强胶凝材料等方面的内容给我们带来了丰富的讲解。施老师先通过行业能源消耗的情况分析进行切入，再到他们团队针对再生材料的性能测试的基础研究，最后到实际的工程应用场景等循序渐进的讲解过程中，让我们看到了这类材料对促进土木工程行业往可持续发展和低成本高效益方向发展的可能性。

在后续的交流环节中，施老师和大家聊到了科研与工程的关系。虽然当下可再生材料在建筑或道路工程中的安全性还有待进一步验证，但对于如何将科研产物与实际工程更好地结合，他给出了自己的答案。施老师跟我们谈论到，土建行业对于基础设施的安全性需求非常强烈，新产品的应用需要经受很大的质疑与考验，因此，针对科研目标进行充分的市场调研是非常重要的前提步骤，也是科研不可或缺的一步，市场调研、商业分析有时候甚至可以启发或影响选题的方向。而了解生厂商、业界、管理方、以及行业与政府的需求是使科研成果落地非常重要的一环，从风险较小的领域去推广应用一方面可以让好的研发产品更快地惠及大众，另一方面亦可以反作用于技术的创新迭代。他们在推广再生混凝土可持续性技术的过程中付出了很多努力，最终才找到了合适的应用场景。在当今社会，许多大型企业和公司还未能彻底踏出这一步，但是这也意味着我们土木工程行业的发展未来可期，仍有许多路需要不断地探索和突破。

最后的最后，施老师介绍了自己对于留学和招生方面的看法与观点，也欢迎大家和施老师交流联系。

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相关论文请到施老师主页下载：

https://faculty.txst.edu/profile/2252688

讲座录播链接：https://b23.tv/EFDORlr

来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠