多源低活性混凝土廢漿再生利用的研究進(jìn)展

高英力，段開瑞，何倍，曾維，徐藝珅，卜濤，龍國鑫

(1.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院；長沙 410114；2.同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.中建西部建設(shè)湖南有限公司，長沙 410004)

混凝土作為全球第二大人造消耗材料，年產(chǎn)量超過300億t，其生產(chǎn)帶來的大量CO2排放與廢棄物的堆積一直是世界公眾所擔(dān)憂的問題[1-2]。目前，混凝土廢棄物再生熱點(diǎn)集中于已硬化的“建筑與拆除廢棄物(Construction and Demolition Waste，CDW)”[3-4]。研究表明，CDW非常適合作為再生骨料應(yīng)用于新建建筑物中[5-7]，包括道路結(jié)構(gòu)中瀝青混合料用骨料、碎石隔離層以及溝槽的回填等[8-10]。然而，對于混凝土攪拌站中的高含水未硬化廢棄物，其再生利用進(jìn)展卻相對較緩慢[11-12]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，混凝土攪拌站得到的廢棄物主要有4種：返廠的仍具有工作性的混凝土、再生骨料、再生水和混凝土廢漿CSW(Concrete Slurry Waste)[13]。其中，部分返廠的仍具有工作性的混凝土，會(huì)被降級用于制備特殊的、具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的水泥混凝土板或用作回填墊層的充填材料[14]；再生水可用于清洗攪拌車、堆料場以及拌和新拌混凝土[15-16]；而分離得到的再生骨料則和CDW一樣，可被收集并應(yīng)用于新建建造物中[17-18]；只有CSW在短暫的存放期后，會(huì)被集中運(yùn)往公共場地進(jìn)行堆埋。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，亞洲國家的混凝土攪拌站平均每生產(chǎn)1 t混凝土，就會(huì)產(chǎn)生15～20 kg CSW，僅中國香港一地，每年的CSW產(chǎn)量就超過12萬t[19-20]。筆者針對CSW的再生利用研究進(jìn)行全面綜述，并指出其未來高效再生利用的發(fā)展方向。

1 CSW的產(chǎn)生過程和理化特性

CSW的產(chǎn)生過程如圖1所示，返廠混凝土經(jīng)過鼓式再生設(shè)備或轉(zhuǎn)篩式再生設(shè)備與壓力水的沖洗，被分為再生骨料和廢水與砂漿的混合物，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)沉淀池過濾后，得到CSW(pH=10.5～12.5)[18]。CSW主要由細(xì)骨料(少部分粗骨料)、水泥水化產(chǎn)物(包括碳化產(chǎn)物)、廢水和少部分礦物摻合料(如粉煤灰)組成[21]。由表1中XRF的測試結(jié)果可以看出，CSW的化學(xué)組成和水泥十分相似，但CSW中的CaO含量明顯少于水泥，而Al2O3含量高于水泥，這意味著CSW中含有較多硅鋁酸鹽礦物。

圖1 混凝土廢漿的產(chǎn)生流程[11,18,22]

表1 CSW的基本化學(xué)組成[11,23]

2 基于水泥混凝土體系的再生應(yīng)用研究

2.1 取代骨料和填料

Audo[24]的研究結(jié)果表明，CSW中的砷(0.54 mg/kg)和鉻(0.51～0.64 mg/kg)等重金屬元素的浸出濃度時(shí)常會(huì)超過臨界標(biāo)準(zhǔn)(根據(jù)歐洲官方標(biāo)準(zhǔn)，CSW中砷和鉻的浸出濃度應(yīng)小于0.50 mg/kg)。但將CSW應(yīng)用于水泥混凝土中，可以有效固封住重金屬元素，從而防止CSW規(guī)?；幹脦淼闹亟饘傥廴?。由于長時(shí)間在沉淀池中存儲(chǔ)，CSW內(nèi)部所含有的仍具有水化活性的顆粒較少，因此，將其用于替代水泥混凝土制品中的粗、細(xì)骨料和填料十分合適[25-28]。當(dāng)CSW用于替代骨料時(shí)，首先需經(jīng)過干燥、研磨、破碎和過篩等預(yù)處理，部分?jǐn)嚢枵具€需經(jīng)過壓濾脫水。其中，CSW壓濾脫水后形成的泥餅(含水率75%～113%)可以在幾天之內(nèi)迅速硬化，而后被破碎得到再生骨料[14]。目前，CSW替代骨料存在預(yù)處理能耗、人工機(jī)械成本較高，骨料品質(zhì)較低等一系列問題，多被建議用于非結(jié)構(gòu)性混凝土制品[21, 29-31]。

2.2 作為膠材和外摻劑

與替代骨料相比，在不過多影響流動(dòng)度和試件強(qiáng)度的前提下，CSW作為膠凝材料的取代率僅維持在個(gè)位數(shù)水平。表2總結(jié)了CSW作為膠凝材料的部分研究成果。值得注意的是，濕法研磨技術(shù)的使用較大幅度地提升了CSW替代水泥的比例(15%)，相比于傳統(tǒng)的預(yù)處理技術(shù)，該技術(shù)對CSW的活性激發(fā)效率更高且能耗和成本更低[23]。除常規(guī)取代骨料和膠材外，部分研究人員還將CSW視為一種“外摻劑”，以干粉或原狀高含水狀態(tài)的形式小劑量摻入到水泥混凝土制品中，用以提升試件的抗壓強(qiáng)度[13,32]。這種在“零預(yù)處理”前提下，將含水廢漿與拌和用水混合并直接摻入制品的再生方式值得借鑒，但由于其可摻濃度較低(<150 g/L)，該再生方式下CSW的利用效率是一個(gè)亟待解決的問題。

表2 CSW作膠材或外摻劑

2.3 碳化與冷粘結(jié)造粒技術(shù)

碳化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)“固廢”和“氣廢”的耦合利用，是一項(xiàng)區(qū)別于傳統(tǒng)CSW再生方式的新技術(shù)[38]。Xuan等[22]研究了新鮮CSW對CO2的固存潛力，并將CSW與再生混凝土細(xì)集料(FRCAs)進(jìn)行復(fù)配。結(jié)果表明，CSW、FRCAs及其混合物在礦物碳化作用下可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)快速獲得強(qiáng)度并伴隨著較低的干縮率。在此研究基礎(chǔ)上，研究人員利用3 h加速碳化的方法制備了一種新型混凝土制品[11]：以質(zhì)量比CSW∶FRCA∶水泥=1∶4∶0.15，用30 MPa的靜壓力預(yù)壓實(shí)，24 h后脫模，放進(jìn)碳化設(shè)備加速碳化。試件制備流程如圖2、圖3所示。結(jié)果表明，在3 h加速碳化作用下，CSW混合物可獲得28 d強(qiáng)度的81%，但強(qiáng)度受CSW的水固比影響較大。Hossain等[39]利用生命周期評價(jià)技術(shù)(LCA)評價(jià)了碳化技術(shù)對于CSW的可持續(xù)發(fā)展性。結(jié)果表明，碳化CSW生產(chǎn)砌塊相比于普通原材料可實(shí)現(xiàn)能源減排59%、溫室氣體減排66%。此外，運(yùn)用冷粘結(jié)造粒技術(shù)，將新鮮CSW與城市焚燒底灰復(fù)合，并結(jié)合CO2養(yǎng)護(hù)技術(shù)，可制備出輕型骨料。該技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)CSW、市政廢棄物與氣體廢棄物的綜合利用，還為水泥混凝土制品提供了額外的骨料來源，大大減輕了由于天然石料開采造成的資源緊缺壓力[40-42]。

圖2 CSW+FRCAs+水泥混合物制備流程[11]

圖3 CSW+FRCAs+水泥混合物的碳化裝置示意圖[11]

2.4 生產(chǎn)水泥熟料

Schoon等[43-44]評價(jià)了CSW是否有作為水泥熟料生產(chǎn)原料的可能性。結(jié)果表明，由于從不同攪拌站取出的CSW化學(xué)成分差異過大，導(dǎo)致了CSW并不能成為穩(wěn)定可靠的水泥熟料生產(chǎn)原料，且CSW的細(xì)顆粒除能提升原料在燒結(jié)時(shí)的可燃性外，并不能夠有效提升熟料中的有效化學(xué)成分。并指出了利用再生材料和工業(yè)副產(chǎn)品生產(chǎn)水泥原料時(shí)需要注意的要點(diǎn)。

3 基于單、雙組分堿激發(fā)膠材(AAMs)的再生應(yīng)用研究

除水泥混凝土體系外，以工業(yè)廢棄物為原料的AAMs膠凝體系在CSW的再生利用中卻極少受到關(guān)注。Yang等[45]曾利用CSW與偏高嶺土、硅灰混合，以氫氧化鈉和硅酸鈉作為堿激發(fā)劑，制備了傳統(tǒng)的“雙組分”AAMs。試驗(yàn)結(jié)果表明，CSW作為激發(fā)原料，自身的堿激發(fā)活性較低，基體強(qiáng)度主要由偏高嶺土等高活性硅鋁質(zhì)材料提供?？紤]到雙組分堿激發(fā)膠凝材料需預(yù)先配置具有腐蝕性和一定黏度的堿激發(fā)溶液，且CSW也具有較高的堿性，實(shí)際制備時(shí)，不論CSW以干粉或含水狀態(tài)摻加，其實(shí)際可操作性、制備流程的便利性和安全性均有待考量，如圖4所示[46-48]。為簡化CSW與AAMs復(fù)合材料的制備流程，避免操作性和安全性問題，提出單組分AAMs與原狀高含水CSW復(fù)合材料的制備思路。單組分AAMs，即，“不需提前配制堿性溶液，直接將堿顆粒與硅鋁質(zhì)廢棄物混合，通過加水觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)”[46, 49-51]。如圖5所示，CSW中的廢水可用于提供流動(dòng)性和液體反應(yīng)環(huán)境，而其內(nèi)部含有的固體廢棄物顆?？杀灰曌鲉谓M分AAMs中的骨料或填料。

圖4 傳統(tǒng)雙組分堿激發(fā)膠凝材料制備流程[46]

圖5 單組分碳酸鹽堿激發(fā)膠材固化濕磨CSW示意圖[46]

4 結(jié)論與展望

1)CSW作骨料時(shí)，應(yīng)注重提升骨料的品質(zhì)，采取各種措施降低骨料孔隙率、移除或增強(qiáng)粘附在骨料上的老砂漿。

2)CSW作膠材的取代率較低，應(yīng)結(jié)合包括濕法研磨等低能耗活性激發(fā)技術(shù)和分離技術(shù)(分離CSW中的惰性SiO2)，從而提升CSW作為膠材的反應(yīng)活性。

3)碳化技術(shù)在CSW的再生利用中極具前景，但所生產(chǎn)制品的環(huán)境穩(wěn)定性和重金屬離子的長期浸出行為還有待進(jìn)一步研究。

4)應(yīng)注重實(shí)現(xiàn)CSW與各種硅鋁質(zhì)廢棄物的綜合利用，積極開展CSW在堿激發(fā)膠凝材料體系中的再生利用研究。