建筑垃圾再生微粉的研究與展望

周宏友 徐 亮

周宏友 徐 亮

江蘇省南京市94968部隊(duì) 南京 210000

【摘 要】建筑垃圾再生利用是提高混凝土產(chǎn)業(yè)綠色節(jié)能化的一項(xiàng)有效技術(shù)措施，針對建筑垃圾再生微粉的制備方法與工藝及其對再生微粉的性能的影響，對機(jī)械細(xì)化、熱處理及復(fù)合活化等技術(shù)的存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析與討論，并對再生微粉在混凝土工程中的推廣和應(yīng)用作出了展望。

【關(guān)鍵詞】再生微粉；廢舊混凝土；建筑垃圾；機(jī)械細(xì)化；熱處理；復(fù)合活化

目前我國處于大規(guī)模的城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，城鎮(zhèn)建設(shè)過程中需要拆除眾多老舊混凝土建筑，導(dǎo)致近年來建筑垃圾劇增。目前，我國每年因拆除老舊建筑物所產(chǎn)生的建筑垃圾約1億噸，其中約三分之一是混凝土廢棄物。這些廢棄混凝土若不加以適當(dāng)利用，將會(huì)侵占大量的土地資源，并對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，這已成不容忽視的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)問題。節(jié)能減排、綠色環(huán)保、走可持續(xù)發(fā)展道路是建筑工業(yè)的方向。將廢棄混凝土中粒徑小于0.16mm的微細(xì)粉料替代部分水泥作為活性膠凝材料或礦物摻合料的再生微粉技術(shù)越來越受到國內(nèi)外的重視，也開展了大量研究，但是我國還未制定相應(yīng)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，再生微粉的分離工藝和處理方法也需要進(jìn)一步分析比較，以期找到既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的再生微粉制備方法。目前再生微粉主要的強(qiáng)化技術(shù)包括三種：一是機(jī)械細(xì)化，將收集到的粉料用球磨機(jī)磨到一定細(xì)度再利用；二是復(fù)合活化處理技術(shù)，選擇礦渣、硅粉和粉煤灰等與再生微粉進(jìn)行不同比例復(fù)合，根據(jù)混合材料的活性決定膠凝材料與礦物摻合料的最優(yōu)配合比；三是加熱處理技術(shù)，選擇不同加熱工藝參數(shù)對再生微粉進(jìn)行活化處理。

1 再生微粉的制備方法

李建勇[1]介紹了建筑垃圾再生微粉生產(chǎn)技術(shù)的四個(gè)主要步驟：（1）使用大型破碎機(jī)初級破碎大塊廢棄混凝土，并將破碎物進(jìn)行混合均化；（2）通過磁選、風(fēng)選或人工分檢等工藝對經(jīng)初級均化的混凝土碎塊進(jìn)行處理，剔除玻璃碎片、塑料等雜物，并進(jìn)行篩分、水洗等，然后進(jìn)行二次混合均化，得到較潔凈的廢棄混凝土處理品；（3）對潔凈廢棄混凝土料進(jìn)行二次破碎，并通過篩分裝置分離出再生粗骨料和細(xì)骨料；（4）將再生骨料烘干處理后，經(jīng)配料計(jì)量和三次混合均化，進(jìn)行細(xì)碎和粉磨，通過選粉機(jī)分離出再生微粉。這里所生產(chǎn)的再生微粉的主要組成材料包括水泥石粉、石灰石粉和粘土磚粉，及少量的石英粉。再生微粉的化學(xué)成分主要有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO。與磚瓦粘土相比，再生微粉中的SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量較低，但CaO和MgO的含量偏高。這表明，再生微粉中除含有粘土磚材料外，還含有石灰石粉和水泥石粉。

再生微粉也可通過顆粒整形技術(shù)獲得[2]。在整形過程中，骨料相互碰撞，其棱角和附著在骨料表面的砂漿被沖擊，粒徑較大的顆粒，通過篩分，成為粒形較好的再生粗骨料；在撞擊過程中形成的粒徑<0.16mm的微粉，通過引風(fēng)機(jī)的作用，隨氣流進(jìn)入除塵器并被收集，成為再生微粉。再生微粉的質(zhì)量約占原料總質(zhì)量的1/7～1/5。再生微粉的主要成分是SiO2，衍射圖中難以發(fā)現(xiàn)硅酸鈣、鋁酸鈣等晶體的衍射峰，表明再生微粉中的水泥已基本完成水化。

利用熱處理與機(jī)械粉細(xì)化相結(jié)合的技術(shù)措施亦可進(jìn)行廢棄混凝土的骨料與砂漿的分離[3]。將廢棄混凝土在150℃～500℃下進(jìn)行熱處理，然后分別在球磨機(jī)和振動(dòng)磨中粉碎。結(jié)果表明，隨著熱處理溫度的提高，分離效率明顯提高；熱處理的溫度較低時(shí)，相對于振動(dòng)粉碎，球磨粉碎的分離效率較高；但是經(jīng)500℃熱處理后，振動(dòng)粉碎的分離效率要高于球磨粉碎。因此再生微粉制備過程中可以考慮在二次破碎與篩分之前將骨料加熱到300℃以上。Yu等[4]，將再生混凝土細(xì)骨料以及它所含的水化水泥漿（HCP）在火爐中加熱到500℃，然后繼續(xù)加熱1小時(shí)，輕微粉磨之后過75μm的篩可以將砂子和HCP分離開。

綜上所述，可直接采用顆粒整形技術(shù)，也可將再生骨料加熱至300℃左右，再放入顆粒整形設(shè)備來制備微粉，這樣既能提高再生微粉產(chǎn)率，也能得到高質(zhì)量的再生骨料。

2.機(jī)械細(xì)化對再生微粉性能的影響

機(jī)械細(xì)化再生微粉由于所用的球磨機(jī)型號及球磨時(shí)間不同，所磨出粉料的細(xì)度有差異。

細(xì)度的控制通過改變粉磨時(shí)間和磨粉機(jī)的配置來達(dá)到[5]。粉料在粉磨過程中只用中心圓柱棒進(jìn)行粉磨10min，有85%通過75μm篩；額外加鋼球粉磨10或20min，有85%通過45μm篩。

馬純滔[6]用球磨機(jī)將細(xì)粉磨細(xì)為2種不同細(xì)度的細(xì)粉-再生混凝土微粉和再生磚微粉，其比表面積均大于400m2/kg。孫巖[7]為了確定球磨時(shí)間對再生微粉細(xì)度的影響，測定不同球磨時(shí)間下75μm篩的通過率。在球磨的過程中，隨著球磨時(shí)間不斷延長，75μm篩的通過率不斷增大，這充分表明，經(jīng)過球磨機(jī)球磨后再生混凝土微粉的粒徑不斷減小，呈變細(xì)的趨勢，當(dāng)球磨時(shí)間為150分鐘時(shí)，再生微粉通過75μm篩的通過率達(dá)78%，已滿足我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對礦粉的粒徑的要求。如果要再繼續(xù)增加球磨時(shí)間，再生混凝土微粉的通過率一定會(huì)繼續(xù)提高，但是由于球磨時(shí)間越長，再生混凝土微粉就會(huì)更加的細(xì)，球磨效率也就會(huì)越低，同時(shí)還會(huì)消耗電能，使得成本增高，經(jīng)濟(jì)效益降低。因此，綜合考慮以上各個(gè)因素，確定最佳的球磨時(shí)間為150分鐘，能夠滿足我國規(guī)范要求。

綜上所述，再生微粉的粉磨細(xì)化存在以下問題：1）粉磨設(shè)備不同導(dǎo)致粉磨時(shí)間有差異，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需有針對性的確定粉磨工藝；2）粉磨原料不同，所需粉磨時(shí)間也不一樣，這樣實(shí)際應(yīng)用中還需根據(jù)實(shí)際所用原料來確定粉磨工藝；3）從實(shí)際水泥粉磨工藝來看，有添加助磨劑這種措施來提高粉磨效率，所以微粉制備過程中也可考慮添加助磨劑來縮短所需粉磨時(shí)間。

3.熱處理工藝對再生微粉性能的影響

熱處理工藝不同，脫水水泥漿的物相也有所變化。Alonso[8]等將水泥凈漿加熱到不同溫度，用XRD分析其物相組成的變化。當(dāng)其加熱到450℃時(shí)，XRD圖譜顯示含有C2S，Ca（OH）2，Ca4Al2Fe2O10和CaCO3；當(dāng)期加熱到750℃時(shí)，增加了物相石灰CaO，而碳酸鈣消失。潘國耀[9]研究水化硅酸鈣在200℃～800℃脫水過程中發(fā)生的組成和結(jié)構(gòu)的變化和其脫水相再水化，發(fā)現(xiàn)C-S-H在400℃～800℃之間脫水，生成脫水相的結(jié)構(gòu)為無定形結(jié)構(gòu)，處于介穩(wěn)狀態(tài)；脫水相具有非常大的比表面積，其中400℃時(shí)脫水相的比表面積最大；隨著溫度的增高，比表面積開始減小，脫水溫度在800℃時(shí)，比表面積銳減。400℃～800℃之間的脫水相再次水化時(shí)具有一定膠凝能力；脫水的溫度越高，水化放熱速率和水化速度越快。

水泥石在受熱分解過程中C-S-H中相當(dāng)部分[SiO4]四面體鏈斷裂，形成孤立的[SiO4]四面體，并且脫水相中f-CaO含量有效降低，并生成了β-C2S[10]。這是因?yàn)椋阂环矫?，水泥石受熱分解產(chǎn)生的f-CaO會(huì)與具有高反應(yīng)活性的C-S-H結(jié)構(gòu)解體中間相生成具有水化膠凝能力的β-C2S；另一方面，采用濕混方法處理的原材料可以使水泥石中的Ca（OH）2與高活性硅質(zhì)原料反應(yīng)，生成更多的C-S-H，同時(shí)，由于反應(yīng)消耗了水泥石中的部分Ca（OH）2，一定程度上降低了再生膠凝材料中CaO的含量，并且混合料中更多的C-S-H會(huì)在煅燒過程中產(chǎn)生更多的β-C2S。而且煅燒溫度會(huì)影響再生微粉的再水化的速率，當(dāng)煅燒溫度為600°C～700°C時(shí)，脫水相都具有較高的水化活性，而且改性再生膠凝材料早期水化放熱速率隨煅燒溫度的提高而降低，后期水化放熱速率隨著煅燒溫度的提高而提高，但是，當(dāng)煅燒溫度為750°C時(shí)，脫水相水化活性會(huì)有所降低。這里最優(yōu)加熱溫度為700℃。

胡曙光[11]將所分離的再生微粉分別在400℃、600℃和800℃溫度下進(jìn)行鍛燒處理，在再生微粉鍛燒過程中，原有的各種水化產(chǎn)物均逐步分解。400℃時(shí)，鈣礬石會(huì)完全分解，CH和C-S-H凝膠會(huì)部分分解；600℃時(shí)，CH己完全分解，C-S-H凝膠也基本分解完畢，而當(dāng)煅燒溫度超過800℃后，C-S-H凝膠分解產(chǎn)物產(chǎn)生了晶型轉(zhuǎn)變，水化活性提高。

呂林女[12]研究了水泥石粉在400℃、650℃及900℃下煅燒并保溫30min后的產(chǎn)物活性。結(jié)果表明，水泥石粉在400℃、650℃溫度下經(jīng)過煅燒后，重新具備了水化活性，經(jīng)650℃處理的產(chǎn)物的水化活性最高，溫度升至900℃后，煅燒產(chǎn)物水化活性降低。

Shui[13]等人研究了水化水泥漿（HCP）在不同脫水溫度下的膠凝特征。水化水泥漿粉末在300℃～900℃之間不同溫度加熱。每種再水化水泥漿（DCP）的膠凝性能通過標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、水化程度、抗壓強(qiáng)度和微結(jié)構(gòu)演變來表征。具體加熱條件為從室溫以10℃/min加熱到所需的溫度，然后保持2.5h，之后在火爐中冷卻到室溫。HCP加熱脫水溫度越高，DCP保持標(biāo)準(zhǔn)稠度的需水量越大，DCP的凝結(jié)時(shí)間越短，而且DCP的微結(jié)構(gòu)逐漸變得更密實(shí)。DCP的膠凝性能很大程度上取決于HCP的加熱脫水溫度。

呂雪源[14]將顆粒整形過程收集到的再生微粉分別在200℃、400℃、600℃和800℃進(jìn)行熱處理，發(fā)現(xiàn)隨熱處理溫度的提高，再生微粉的活性顯著提高，在熱處理溫度為600℃時(shí)，再生微粉的活性達(dá)到最高，但當(dāng)熱處理溫度到800℃后，其活性又顯著降低。

上述處理方法存在以下問題：1）再生微粉來源不同，其最優(yōu)處理溫度也不同。所以實(shí)際應(yīng)用過程首先搞清楚微粉的來源，再根據(jù)其成分和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定最優(yōu)熱處理溫度。2）熱處理工藝還需要考慮生產(chǎn)成本，所以溫度不宜過高，同時(shí)又需要保證微粉具有較高的活性，這就需要權(quán)衡性價(jià)比來做出較好的選擇。

4.復(fù)合活化處理對再生微粉性能的影響

Shui[15]研究利用脫水水泥凈漿（DCP）激活粉煤灰的實(shí)用性。低鈣粉煤灰用DCP激活，DCP在650℃加熱，達(dá)到此溫度后繼續(xù)在爐中放置6h，然后快速冷卻到室溫。XRD發(fā)現(xiàn)DCP的主要晶相是方解石、CaO、Ca3SiO5、β-Ca2SiO4和α′-Ca2SiO4。采用粉煤灰與DCP不同比例來配制樣品，測試發(fā)現(xiàn)活化粉煤灰/DCP漿體強(qiáng)度取決于混合物的理論鈣硅比。當(dāng)理論鈣硅比為理想值0.953時(shí)，漿體強(qiáng)度為60.8MPa。XRD和SEM測試結(jié)果顯示，當(dāng)理論鈣硅比為理想值時(shí)粉煤灰可完全與DCP反應(yīng)，得到密實(shí)的微結(jié)構(gòu)。

Lv[16]比較了水泥漿脫水相與火山灰質(zhì)摻合料混合膠凝材料的性能，發(fā)現(xiàn)添加粉煤灰（FA）或?；郀t礦渣（GGBFS）能夠提高再生膠凝材料（RBM）漿體的工作性，GGBFS對RBM漿體強(qiáng)度有積極影響。RBM與FA和GGBFS相互發(fā)生火山灰質(zhì)反應(yīng)。由于RBM中存在高活性f-CaO，RBM對FA和GGBFS的激活作用比P·O 32.5水泥對其的激活作用較大，特別是早期。由于RBM和火山灰質(zhì)摻合料存在協(xié)同效應(yīng)，可以將它們結(jié)合起來