加熱研磨法制備高質(zhì)量再生骨料影響因素研究

隋玉武，田清波，岳雪濤，張豐慶（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南　250101）

加熱研磨法制備高質(zhì)量再生骨料影響因素研究

隋玉武，田清波，岳雪濤，張豐慶
（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南250101）

加熱研磨法制備再生骨料受到多因素影響，綜合運用這些影響因素可以更好地制備高質(zhì)量再生骨料。文章圍繞廢棄混凝土顆粒破碎性和粗再生骨料質(zhì)量展開試驗，通過對廢棄混凝土顆粒的破碎度、粗再生骨料產(chǎn)出率、水泥石含量及表觀密度等指標(biāo)的檢測，分析了加熱溫度、研磨時間、球磨機研磨參數(shù)和廢棄混凝土自身性質(zhì)等因素對廢棄混凝土顆粒破碎和制備高質(zhì)量粗再生骨料的影響。結(jié)果表明:加熱溫度、研磨時間對混凝土粗再生骨料質(zhì)量影響較大，加熱溫度從20℃升高到600℃，廢棄混凝土破碎度從1.18提高到1.76，粗再生骨料產(chǎn)出率從80%降低到50%，水泥石含量從70%降低到10%，表觀密度增加了5.4%；研磨時間從5 min提升到25 min，廢棄混凝土顆粒破碎度從1.8提高到2.3，粗再生骨料產(chǎn)出率從40%下降到30% ，水泥石含量從30%下降到10%，表觀密度增加了12.6%。

混凝土再生利用；加熱研磨法；粗再生骨料

0　引言

混凝土是用量最多的建筑材料，2014年我國混凝土產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值突破萬億，預(yù)拌混凝土企業(yè)數(shù)量過萬家，總產(chǎn)量超過了40億m3?；炷列袠I(yè)在固廢消納和資源化利用方面的作用日益增大，隨著技術(shù)進步和工藝水平的提高，預(yù)拌混凝土行業(yè)制備可以采用礦渣、機制砂等為原料［1-2］。

同樣，現(xiàn)在每年產(chǎn)生大量的混凝土廢棄物，2011年我國建筑垃圾產(chǎn)量約12.8億t［3］，按照當(dāng)前建筑垃圾中41%是混凝土垃圾來推算［4］，當(dāng)年就產(chǎn)生了約5.2億t混凝土垃圾。這些廢棄混凝土理應(yīng)再次應(yīng)用到混凝土的生產(chǎn)中。

廢棄混凝土的利用日益受到社會的關(guān)注，不斷進行各種試驗研究，其中用于混凝土骨料（再生骨料）的數(shù)量很少，例如在德國，建筑廢棄物的再生利用率接近90%［5-6］，但是多數(shù)廢棄混凝土作為道路、地基填充料或防凍層材料使用，每年只有約4.9%的廢棄混凝土被作為再生骨料［7］。我國對廢棄混凝土再生骨料的利用剛剛起步，2011年我國才對混凝土和砂漿用再生粗、細骨料進行了詳細的規(guī)定闡述［8-9］。

普通廢棄混凝土難以被作為再生骨料使用，主要受其自身的物理性質(zhì)影響，經(jīng)過一級或者多級破碎后的廢棄混凝土顆粒，由原生骨料、砂和水泥石（水泥和水反應(yīng)后的硬化物）構(gòu)成。由于水泥石孔隙率高，比原生骨料的強度低，導(dǎo)致由這些再生骨料制備的再生混凝土比常規(guī)混凝土，比使用天然骨料的普通混凝土的力學(xué)強度低，體積穩(wěn)定性差，耐久性低［10-11］。

1　基本原理和實驗方法

1.1理論基礎(chǔ)

加熱研磨法就是對破碎后的廢棄混凝土顆粒進行加熱處理，使附在原生骨料上的水泥石變脆，其強度會遠遠小于原生骨料，再通過研磨，使廢棄混凝土碎塊中的原生骨料、砂與水泥石分離，原生粗骨料和砂從水泥石中脫離出來［12-13］。日本和荷蘭也進行過相關(guān)研究，其中，日本三菱公司研發(fā)的加熱研磨法，廢棄混凝土在破碎后裝入豎立的加熱裝置中，通入300℃熱氣進行加熱，然后經(jīng)過二級管式球磨機研磨，再通過振動篩及風(fēng)選工藝，生產(chǎn)出粗，細再生骨料和微粉［14］。而荷蘭所嘗試的加熱研磨法，加熱和研磨都在轉(zhuǎn)動管式爐中進行。混凝土碎塊被加熱到700℃，然后利用自身的重力進行研磨［15］。這些嘗試重視溫度對再生骨料質(zhì)量的影響，忽略這種方法中其他因素對所制備的再生骨料的質(zhì)量影響。1.2試驗材料和試驗方法

試驗所使用的混凝土（由硅酸鹽水泥、天然砂礫石和碎石作為骨料（最大顆粒32 mm））制備于2000年，并存放在實驗室。這些混凝土，其28 d抗壓強度從36 MPa到60 MPa。

試驗使用的加熱儀器為實驗室普通加熱爐，研磨設(shè)備為實驗室桶式球磨機和行星式球磨機。廢棄混凝土經(jīng)過試驗室顎式破碎機破碎后，用振動篩分選出試驗原料（粒徑分級:2～4、4～8和8～16 mm）。這些原料通過實驗室加熱爐在預(yù)設(shè)的溫度下加熱30 min，然后在球磨機里進行研磨。生成的產(chǎn)品再次用振動篩進行分選，與試驗原料粒級大小一致的生成物被稱為粗再生骨料，比實驗原料粒徑小的再生骨料成為細再生骨料。

對實驗結(jié)果的評價包含下列兩個部分:

（1）評價破碎程度破碎度，粗再生骨料的產(chǎn)出率；

（2）評價粗再生骨料的質(zhì)量表觀密度和水泥石在粗再生骨料中的存留量。

具體的評價因子及其計算公式在表1、2中描述。

表1　廢棄混凝土通過加熱研磨處理后的破碎程度

表2　再生骨料的質(zhì)量評價

2　結(jié)果與分析

圖1　加熱溫度對廢棄混凝土顆粒破碎度和粗再生骨料產(chǎn)出率的影響圖

2.1加熱處理對粗再生骨料質(zhì)量的影響化（如圖1所示），說明附在其上的水泥石基本被研磨掉。提高加熱溫度使粗再生骨料的質(zhì)量得到明顯提高，粒徑為8～16 mm的廢棄混凝土顆粒，經(jīng)過加熱和研磨處理后，生成的粗再生骨料中的水泥石含量由20℃時的70%，降低到600℃時的20%（如圖2所示），其表觀密度也隨著加熱溫度的增加而提高，在加熱到600℃后研磨制成的粗再生骨料的表觀密度由2.61 g/cm3增加至2.75 g/cm3，比未加熱研磨處理的表觀密度提高了5.4%，接近天然碎石的表觀密度（如圖2所示）。

通過對2～4、4～8和8～16 mm三種粒徑廢棄混凝土顆粒加熱處理，然后在行星式球磨機中研磨3 min（保持相同轉(zhuǎn)數(shù)200 r/min），檢測評價因子后發(fā)現(xiàn):提高溫度對廢棄混凝土顆粒破碎和提高粗再生骨料質(zhì)量的影響很大。尤其對8～16 mm廢棄混凝土顆粒，其破碎度在20℃時只有1.18，被加熱到600℃后提高到1.76，增加了49.2%。同樣隨著加熱溫度的升高，粗再生骨料的產(chǎn)出量降低，粒徑為8 ～16 mm的廢棄混凝土顆粒經(jīng)過加熱和研磨后，其再生粗骨料的產(chǎn)出率從20℃時的80%降低到500℃時的45%，之后溫度再升高，產(chǎn)出率基本沒有變

圖2　加熱溫度對粗再生骨料表觀密度和水泥石含量的影響圖

2.2研磨對制備高質(zhì)量粗再生骨料的影響

通過對8～16 mm廢棄混凝土顆粒在500℃下加熱處理，并進行不同時間的研磨，然后對評價因子進行檢測，結(jié)果表明:增加研磨時間，會增加廢棄混凝土顆粒的破碎度和提高粗再生骨料的質(zhì)量。其破碎度在研磨5 min時為1.8，研磨時間提高到25 min后達到2.3，提高了27.8%。隨著研磨時間的繼續(xù)增加，破碎度基本保持不變。同樣，粗再生骨料的產(chǎn)出率從5 min到25 min由40%降低到30%繼續(xù)增加研磨時間，其數(shù)值基本保持不變（如圖3所示）。

通過對4～8 mm廢棄混凝土顆粒在500℃下加熱處理，并進行不同時間的研磨，制備的粗再生骨料的質(zhì)量明顯隨著研磨時間的增加而提高。粗再生骨料中水泥石含量從研磨5 min時的30%降低到研磨25 min時的10%，然后隨著研磨時間的繼續(xù)增加保持不變粗再生骨料的表觀密度在研磨25 min后達到2.60 g/cm3（天然骨料表觀密度為2.62 g/cm3）；之后直到研磨時間為40 min，保持不變（如圖4所示）。

圖3　研磨時間對廢棄混凝土顆粒破碎度和粗再生骨料產(chǎn)出率的影響圖

圖4　研磨時間對粗再生骨料表觀密度和水泥石含量的影響圖

除了研磨時間外，球磨機其他的研磨系數(shù)也能對加熱研磨法中廢棄混凝土顆粒的破碎程度和粗再生骨料的質(zhì)量產(chǎn)生影響（見表3）。提高球磨機轉(zhuǎn)數(shù)，球磨機中填充較多的鋼球，用較大鋼球及用較重研磨球都能增加再生骨料的破碎度和提高粗再生骨料的表觀密度。

表3　球磨機其他研磨參數(shù)對加熱研磨法中廢棄混凝土顆粒的破碎度和粗再生骨料質(zhì)量的影響

2.3加熱處理和研磨處理制備高質(zhì)量粗再生骨料的替代性

2.1和2.2的試驗表明:加熱研磨法中的加熱溫度和研磨參數(shù)對廢棄混凝土顆粒的破碎程度和生成的粗再生骨料質(zhì)量都產(chǎn)生影響。因此，可以通過加熱溫度和研磨參數(shù)的組合對加熱研磨法進行優(yōu)化。試驗結(jié)果表明:高質(zhì)量的粗再生骨料可以通過加熱和研磨優(yōu)化組合來實現(xiàn)。在對4～8mm廢棄混凝土顆粒進行600℃加熱，2 min研磨和經(jīng)過250℃加熱后，14 min研磨，兩種情況下生成的表觀密度分別為2.52和2.56 g/cm3的再生粗骨料（如圖5所示）。實驗結(jié)果表明:加熱溫度和研磨時間的匹配對再生骨料的性能影響較大，較長的研磨時間在較低加熱溫度時作用強，而較短的研磨時間只有在較高的加熱溫度下才能發(fā)揮作用。在對4～8 mm的廢棄混凝土顆粒加熱和研磨處理中，只有在大于300℃以上的加熱后，2、5 min研磨才能破碎樣品；而那些低于300℃加熱處理的顆粒，在研磨11 14 min后才能生成高表觀密度的再生粗骨料。

2.4廢棄混凝土顆粒自身性質(zhì)對制備高質(zhì)量再生骨料的影響

在2.1中試驗結(jié)果還顯示:對于同一種廢棄混凝土，其破碎后顆粒的大小對生成高質(zhì)量再生骨料有影響，在相同的加熱和研磨條件下，顆粒小的廢棄混凝土在較低的溫度下或者較短的研磨時間就能被破碎，粒徑為2～4 mm廢棄混凝土顆粒，不用加熱處理，其破碎度值就達到2.0。但是粒徑為4～8 mm和8～16 mm棄混凝土顆粒，需要較高的溫度加熱處理，隨著加熱溫度升高破碎度增加（如圖6所示）。

圖5　加熱溫度和研磨時間對相同表觀密度的粗再生骨料的影響圖

除了顆粒大小之外，廢棄混凝土中的最大骨料粒徑對再生粗骨料的質(zhì)量也有影響，利用表4中樣品制備相同粒徑的廢棄混凝土顆粒進行加熱研磨發(fā)現(xiàn)所用骨料的顆粒越大，其破碎度越小（圖7）雖然最大骨料粒徑小的廢棄混凝土顆粒容易被破碎，但是在相同的加熱研磨條件下（400℃15 min），骨料最大粒徑小的再生廢棄混凝土顆粒的表觀密度提高的程度不如骨料粒徑大的樣品，最大骨料粒徑為16～32 mm的廢棄混凝土，其粗再生骨料表觀密度提高約106%（如圖7所示）。

圖6　加熱溫度對不同粒徑的廢棄混凝土顆粒破碎度的影響圖

表4　廢棄混凝土顆粒中不同骨料粒徑及各級骨料含量

圖7　骨料最大粒徑對廢棄混凝土破碎度和粗再生骨料表觀密度的影響圖

廢棄混凝土基本組成、28 d抗壓強度對制備高質(zhì)量再生粗骨料的影響也被檢測，結(jié)果表明:廢棄混凝土所使用的水泥種類、摻合料種類、骨料的種類及骨料自身性質(zhì)對廢棄混凝土的破碎和再生粗骨料質(zhì)量影響較小。但廢棄混凝土的28 d抗壓強度對其破碎性有較明顯的影響。經(jīng)過相同溫度（400℃）加熱處理后，再經(jīng)過球磨機15 min研磨，然后測試計算破碎度和表觀密度，結(jié)果表明:廢棄混凝土28 d抗壓強度從35 MPa增加到45 MPa，其破碎度從2.18下降到1.95，粗再生骨料表觀密度占廢棄混凝土顆粒表觀密度比從107%下降到103%，說明隨著強度增加，廢棄混凝土越難破碎，粗再生骨料質(zhì)量越難提高（如圖8所示）。

3　結(jié)論

通過上述研究可知:

（1）加熱溫度和研磨時間都對廢棄混凝土顆粒破碎和再生粗骨料質(zhì)量產(chǎn)生影響。廢棄混凝土顆粒經(jīng)過相同時間研磨，隨著加熱溫度從20℃提高到600℃，廢棄混凝土顆粒破碎度從1.18增加到1.76，粗再生骨料產(chǎn)出率從80%降低到50%；制備的粗再生骨料水泥石含量從70%下降到10%；表觀密度從2.61 g/cm3增加到2.75 g/cm3，增加5.4%；在相同加熱溫度下，研磨時間從 5 min提高到25 min，廢棄混凝土顆粒破碎度從1.8提高到2.3，粗再生骨料產(chǎn)出率從40%下降到30%，粗再生骨料中水泥石含量從30%下降到10%；表觀密度由2.32 g/cm3增加到2.60 g/cm3，提高了12.6%。提高研磨轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)也能提高廢棄混凝土顆粒的破碎度，生成質(zhì)量更好的粗再生骨料。

圖8　廢棄混凝土28 d抗壓強度對廢棄混凝土顆粒破碎度和再生粗骨料表觀密度的影響圖

（2）加熱溫度和研磨參數(shù)都對再生骨料質(zhì)量產(chǎn)生影響，二者可以組合應(yīng)用，低溫處理，長時間或高強研磨，或高溫處理，短時間或較低強度研磨，都能制備高質(zhì)量再生骨料。高溫加熱耗能大，污染重，實現(xiàn)比較困難，低溫處理和較長時間研磨制備高質(zhì)量粗再生骨料可行性更強。

（3）廢棄混凝土自身性質(zhì)也對制備高質(zhì)量再生骨料產(chǎn)生影響。廢棄混凝土破碎后的顆粒大小直接影響其破碎性小于4 mm顆粒烘干后直接進行研磨便可制成高質(zhì)量再生砂。

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［3］張小娟.國內(nèi)城市建筑垃圾資源化研究分析［D］.西安:西安建筑大學(xué)，2013.

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［8］GB/T 25176—2010混凝土和砂漿用再生細骨料［S］.北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［9］GB/T 25177—2010混凝土和砂漿用再生粗骨料［S］.北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

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（學(xué)科責(zé)編：吳芹）

Study on influencing factors of high quality recycled concrete aggregates produced by thermal-grinding method

Sui Yuwu，Tian Qingbo，Yue Xuetao，et al.
（School of Material Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Preparation of recycled aggregate by thermal-grinding method is influenced by various factors，and comprehensive utilization of those factors could well produce higher quality recycled aggregate.Through the experiments on the crushing degree of concrete waste and qualities of recycled aggregate，by determining the elementary physical properties such as crushing ratio，producing ratio of recycled coarse aggregate，cement paste content on the recycled coarse aggregate，apparent density and so on，the influence factors on the high quality of recycled concrete aggregate were tested by the thermal and grinding method.Results indicate that the thermal and grinding treatment can influence the quality of recycled concrete aggregates.The crushing ration increases from 1.18 to 1.76 and the producing ratio of the coarse recycled aggregate decreases from 80%to 50% ，the cement paste content decreases from 70%to 10%，the apparent density increases by 5.4%with the change of the temperature from 20℃ to 600℃.The crushing ration increases from 1.8 to 2.3 and the producing ratio of the coarse recycled aggregate decreases from 40%to 30%，the cement paste content decreases from 30%to 10%，and the apparent density of the coarse recycled aggregate increases by 12.6%in the change of the grinding time from 5min to 25min.

recycled concrete；thermal-grinding method；recycled coarse aggregates

TU528.041

A

1673-7644（2015）06-0544-06

2015-08-21

山東建筑大學(xué)博士基金項目（XNBS1257）；山東省住建廳項目（KY018）

隋玉武（1971-），男，副教授，博士，主要從事建筑材料等方面的研究.E-mail:herrsui@sdjzu.edu.cn