再生混凝土骨料的研究現(xiàn)狀和應用前景展望

丁敏旭　王軍龍　王建芳

[摘要]再生混凝土骨料的開發(fā)與利用是目前混凝土研究領(lǐng)域的熱點課題。從可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護以及節(jié)約資源的角度出發(fā)，回顧再生混凝土骨料的研究和應用現(xiàn)狀，深入開展再生骨料的開發(fā)與利用是非常必要的。

[關(guān)鍵詞]廢棄混凝土再生骨料開發(fā)利用

中圖分類號：TU5文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)0620102—02

一、引言

在土木建筑工程建設中，最廣泛使用的建筑材料是混凝土。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，2004年全世界水泥產(chǎn)量已達到20億噸，混凝土年使用量約為30億立方米?；炷脸蔀榻ㄖI(lǐng)域不可缺少的材料，其應用范圍之廣是其他材料所不及的，它在市政、橋梁、道路、水利、國防等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。近年來，隨著城市建設和國民經(jīng)濟持續(xù)快速地發(fā)展，大量新、舊建筑物被拆除，每年拆除的既有及新建的建筑所產(chǎn)生的垃圾1億噸以上，在所有的建筑垃圾中，廢棄混凝土的量是最大的，約占1／3左右。隨著我國經(jīng)濟建設步伐的進一步加快，今后廢棄混凝土塊仍有增多的趨勢。因此，如何充分、高效、經(jīng)濟地利用廢棄混凝土已經(jīng)成為許多國家和科研機構(gòu)共同研究的一個課胚。

二、國外再生混凝土骨料研究現(xiàn)狀

再生混凝土骨料，它是指將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗與分級等處理后，按照一定的比例與級配混合而成再生混凝土骨料(簡稱再生骨料)。再生骨料按按照其粒徑的大小分為再生粗骨料(粒徑大于5mIn)和再生細骨料(粒徑為0.16～5mm)兩大類。天然骨料為不可再生資源，開采天然骨料必將對環(huán)境造嚴重破壞。所以，對再生混凝土骨料的開發(fā)與利用研究，既能解決廢棄混凝土的處置問題，又能節(jié)省天然砂石，同時也能帶來較好的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，是實現(xiàn)建筑資源以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。

廢棄混凝土再生利用的研究工作最早開始于歐洲，二次世界大戰(zhàn)之后，美國、日本、歐洲等國家重建家園，就注意到了廢棄混凝土的問題并開始了相關(guān)的研究，到現(xiàn)在己召開數(shù)次有關(guān)廢棄混凝土再生利用的國際會議。因此，廢棄混凝土再生利用已成為國內(nèi)外工程界和學術(shù)界共同關(guān)注的熱點和前沿問題之一。

美國政府制定了《超級基金法》規(guī)定：“任何生產(chǎn)有工業(yè)廢棄物的企業(yè)，都必須自行妥善處理，不得擅自隨意傾倒”。自1982年起。美國在ASTMC一33—82《混凝土骨料標準》中將破碎的水硬性水泥混凝土包含進了粗骨料中。大約在同一時間，美國軍隊工程師協(xié)會也在有關(guān)規(guī)范和指南中鼓勵使用再生混凝土骨料。

日本是一個島國，面積比較小，天然資源相對貧乏，故其非常重視廢棄混凝土的再利用研究。日本政府早在1977年就制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》，隨后相繼在各地建立了處理廢棄混凝土的再生利用工廠，生產(chǎn)再生水泥和再生骨料。1991年日本政府又制定了《資源重新利用促進法》，規(guī)定建筑施工過程中產(chǎn)生的渣土、混凝土塊、瀝青混凝土塊、木材、金屬等建筑垃圾，必須送往“再資源化設施”進行處理。日本對于建筑垃圾的主導方針是盡可能不從施工現(xiàn)場排出建筑垃圾；建筑垃圾要盡可能的重新利用；對于重新利用有困難的則應適當予以處理。根據(jù)日本建設省的統(tǒng)計，到1995年廢棄混凝土的利用率為65％，要求到2010年廢棄混凝土塊資源再利用率達到90％以上。

荷蘭是最早開展再生混凝土骨料研究和應用的國家之一。在20世紀80年代荷蘭就制定了有關(guān)利用再生混凝土骨料制備素混凝土、鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土的相關(guān)規(guī)范，規(guī)定了利用再生骨料生產(chǎn)上述混凝土的明確的技術(shù)要求，并指出如果再生骨料在骨料中的含量(重量)不超過20％，那么混凝土的生產(chǎn)就完全按照普通天然骨料混凝土的設計和制各方法進行。另外。在荷蘭內(nèi)閣環(huán)境政策計劃書中明確要求，2000年建筑廢料的計劃回收率要達90％左右。

德國鋼筋委員會1998~F8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的應用指南”，要求采用再生骨料的混凝土必須完全符合天然骨料混凝土的國家標準。法國還利用碎混凝土塊和碎磚生產(chǎn)出了磚石混凝土砌塊，所得混凝土塊測定結(jié)果符合與磚石混凝土材料有關(guān)NBNB21—001(1998)標準。丹麥還于1990年頒布法規(guī)修正案允許再生骨料在適宜環(huán)境下用于某些特定的結(jié)構(gòu)·該修正案將回收的混凝土按強度分為2類。其中強度為20MPa以下的為第l類，而強度為20～40MPa的為第2類。在使用這些再生骨料過程中，要求各類骨料達到一定的技術(shù)要求。

三、我國的研究現(xiàn)狀

過去，我國的建筑垃圾，特別是廢棄混凝土再利用沒有引起重視，目前隨著由建筑垃圾引發(fā)的環(huán)境問題、經(jīng)濟問題和社會問題日益突出，中國政府已開始重視節(jié)能和資源的回收利用問題，并大力提倡和發(fā)展建筑垃圾的再生利用，并于1997年將“建筑廢渣綜合利用”列入科技成果重點推廣項目?？偟膩碚f，中國關(guān)于廢棄混凝土再生利用的研究起步較晚。目前，一些學者和科研人員做了相關(guān)的研究和探索，但仍處于研究的初級階段，缺乏完善的技術(shù)、規(guī)程和標準，對再生骨料的研究也是局限于一些零散的實驗研究，缺乏系統(tǒng)的整理。因此，對再生骨料的研究已經(jīng)成為建筑材料研究領(lǐng)域的一個熱點課題。

(一)對再生骨料的基本性能的研究

目前我國對廢棄混凝土的再生骨料的研究主要集中在對再生骨科基本性能的研究，其中對再生粗骨料開展研究較多，對再生細骨料的研究較少。再生骨料的基本性能包括：再生骨料的堆積密度、表觀密度、級配、吸水性、抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、壓碎指標、磨損性等。由于試驗中再生骨料的來源具有多樣性，且地方差異大，性能不穩(wěn)定，且離散性較大。研究表明：由于再生骨料比天然骨料表面多了一層硬化水泥砂漿且有裂縫和含有部分雜質(zhì)，所以再生骨料的基本性能和天然骨料有明顯的不同。表現(xiàn)為再生細骨料的堆積密度為天然骨料的75％～80％，再生粗骨料的堆積密度為天然骨料的85％以上；再生細骨料的表觀密度為天然細骨料的80％～85％，再生粗骨料的表觀密度為天然粗骨料的90％以上。再生骨料的吸水性和吸水速率比天然骨料要大的多，再生骨料不僅吸水率大，而且吸水速率也快；再生粗骨料的抗壓強度和天然骨料相比，表現(xiàn)為吸水飽和后，其抗壓強度比天然骨料明顯降低：再生粗骨料具有很高的抗剪強度和臨界剪切摩擦角：再生粗骨料的抗壓碎能力較弱；再生粗骨料的L^磨損性較差，損失率大約在26％～37％。對再生粗骨料的技術(shù)要求和級配要求應參照天然骨料的標準JGJ 53—199《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標準及檢驗方法》和GB／T14685—2001‘建筑用碎石卵石》。

(二)對再生骨料生產(chǎn)工藝和設備的研究

國內(nèi)再生骨料的生產(chǎn)工藝大同小異，即將不同的切割破碎設備、傳送機械、篩分設備和清除雜質(zhì)的設備有機地組合在一起，共同完成破碎、篩分和除去雜質(zhì)等工序，最后得到符合質(zhì)量要求的再生細骨料和再生粗骨料。

通常，對于原生混凝土質(zhì)量較好，基本上沒有雜質(zhì)和污染，且再生骨料用量較小，采用最簡單的生產(chǎn)工藝，一般對廢棄混凝土進行破碎、清洗、篩分，生產(chǎn)出需要的再生骨料。而對于普通的廢棄混凝土，根據(jù)李惠強和杜亭等人的研究成果，若要實現(xiàn)再生骨料的大規(guī)模生產(chǎn)，必須采用較為復雜的生產(chǎn)工藝，如圖1所示。再生骨料經(jīng)過兩級破碎處理和兩級篩分處理，分別得到普通再生骨料和高品質(zhì)再生骨料。

(三)對再生骨料強化的研究

再生骨料顆粒棱角多，表面粗糙，組分中還含有硬化水泥砂漿，再加上混凝土塊在破碎過程中因損傷累積在內(nèi)部造成大量微裂紋，導致再生骨料的孔隙率大、吸水率大、堆積密度小，因而較“軟”，壓碎指標較高，強度較低。對再生骨料進行強化處理后，可以提高再生骨料的品質(zhì)。目前對再生骨料的強化主要通過溶液和機械兩種方式進行處理[3]。

溶液處理法，是指采用不同性質(zhì)的液體(如聚合物、有機硅防水劑、純水泥漿、水泥外摻Kim粉、水泥外摻1級粉煤灰、酸液、化學漿液等)對再生骨料進行浸潰、淋洗、干燥等處理，以改善再生骨料的空隙結(jié)構(gòu)，提高其密實度，使再生骨料得到強化的方法。

機械處理法，就是通過“再生骨料高速自擊與摩擦”來除去骨料表面附著的砂漿或水泥石或破壞軟弱的再生碎石，并除掉骨料顆粒上較為突出的棱角，使其成為較為干凈、較為圓滑的再生骨料，從而實現(xiàn)對再生骨料的強化。

四、再生骨料的應用

將再生骨料代替天然骨料，配制再生骨料混凝土，應用于房屋建筑中。山東科技大學孫躍東教授等在參考國內(nèi)外文獻和課題試驗的基礎上就再生混凝土骨料的性能進行了一些研究，認為再生骨料和再生骨料混凝土作為有潛在發(fā)展能力的材料，經(jīng)過適當?shù)募庸ぬ幚?，能夠得到符合?guī)范要求的再生骨料或高質(zhì)量的再生骨料。由于再生骨料表面包裹著部分硬化水泥砂漿，許多性能與天然骨料存在著差異，因而再生骨料可滿足配制中低強度等級再生混凝土的要求，但一般只適用于非承重結(jié)構(gòu)物。

將再生混凝土骨料應用于道路建設中。據(jù)美國聯(lián)邦公路局統(tǒng)計，美國現(xiàn)在已有20個洲在公路建設中采用再生骨料，將再生骨料應用于基層和低基層，其中有15個州制定了關(guān)于再生骨料的規(guī)范。我國的一些試驗表明[4]，廢棄混凝土再生骨料在路面工程中應用于墊層、基層、路面是可行的。

再生粗骨料用來加工各種輕型砌塊及路面磚，再生細骨料還可用于抹灰砂漿和砌筑砂漿。一般而言，骨料表面包裹的硬化水泥漿越少，再生骨料的性能就越高。因而，伴隨著再生骨料生產(chǎn)工藝、設備及強化技術(shù)的不斷改進和更新，必將能夠生產(chǎn)出性能優(yōu)良的再生骨料，和天然骨料一樣，再生骨料將在更廣泛的領(lǐng)域得到應用。

五、發(fā)展與展望

(一)對再生骨料的開發(fā)利用，符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求

中國是一個資源匱乏型國家，人均資源擁有量遠低于世界平均水平。改革開放以來，中國的經(jīng)濟始終保持高速增長，經(jīng)濟的發(fā)展離不開資源的支撐，傳統(tǒng)的粗放型發(fā)展模式使中國資源不足的矛盾將會進一步顯現(xiàn)，并將制約著中國經(jīng)濟的發(fā)展。天然骨科為不可再生資源，必將越用越少，用再生骨料替代天然骨科，可以減少對天然砂石的開采，保護天然骨科資源，保障我國經(jīng)濟的可持續(xù)健康發(fā)展。

(二)對再生骨料的開發(fā)利用，符合我國建筑垃圾處理環(huán)保的要求

1995年11月全國人大通過了《城市固體垃圾處理法》，從經(jīng)濟上和政策上對固體廢棄物的處理提出了要求?！笆晃逡?guī)劃”在人與自然的關(guān)系上，把節(jié)約資源和保護環(huán)境這兩個基本國策寫入了綱要，提出了建設資源節(jié)約型社會和環(huán)境友好型社會的戰(zhàn)略任務和具體措施。再生骨料的開發(fā)與利用，不僅可以減少廢棄混凝土的掩埋和堆積所占用的土地資源，也可減少廢棄混凝土堆放及其運輸過程中所產(chǎn)生的粉塵對環(huán)境的污染。

(三)對再生骨料的開發(fā)利用，從長遠看其經(jīng)濟效益是可觀的

目前，我國對再生骨科的開發(fā)利用研究才處于起步階段，還沒有進行系統(tǒng)的研究，在短期內(nèi)恐難產(chǎn)生規(guī)模效應，其經(jīng)濟效益也無從談起。但隨著科學技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)水平的提高，以及人們對環(huán)保的日益重視，會重新認識廢棄混凝土再生骨料的綜合效益，不僅要考慮再生骨料的生產(chǎn)成本，還要看到城市建筑垃圾處理的相關(guān)費用，更要認識到再生骨料所產(chǎn)生的環(huán)保效益和社會效益。倘若本地的天然骨料匱乏，那么其經(jīng)濟效益就更加可觀。但是，在現(xiàn)有的社會、經(jīng)濟條件下，大力推廣和使用再生骨料，還需要政府的產(chǎn)業(yè)政策扶持和國家的相關(guān)法律法規(guī)保障。