再生粗骨料的改性方法探析

李永起 （安徽省建科建設(shè)監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

近幾十年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，新老建筑設(shè)施更迭加快，不僅增加了天然骨料的消耗，也同時(shí)產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。建筑垃圾是指建設(shè)單位或施工單位對(duì)相應(yīng)建筑拆除、道路改造等工程所殘留下來(lái)的碎磚、混凝土、砂漿、樁頭、包裝材料等廢棄物。建筑垃圾危害大，現(xiàn)階段的主要處理方式還是以堆積和填埋為主，對(duì)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成很大的影響。根據(jù)《中國(guó)建筑垃圾處理行業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)測(cè)算，每10000m建筑施工面積平均產(chǎn)生550噸建筑垃圾，截止至2018年，我國(guó)的建筑垃圾年產(chǎn)量高達(dá)17億噸，預(yù)測(cè)到2030年，我國(guó)建筑垃圾年產(chǎn)量能上升到70億噸。就現(xiàn)狀而言，我國(guó)建筑垃圾資源化率依舊不足10%，而且建筑垃圾產(chǎn)生量逐年增長(zhǎng)。若對(duì)建筑垃圾破碎、清洗、篩分，盡量使其在形貌上與天然骨料相似，既可以保護(hù)自然資源，又能解決建筑垃圾堆放帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，還能同時(shí)替代天然骨料，節(jié)約施工成本。因此，加強(qiáng)建筑垃圾回收利用，提高建筑垃圾資源化，是當(dāng)前科研人員特別關(guān)注的問(wèn)題。肖建莊等總結(jié)發(fā)現(xiàn)制備再生混凝土可以很好解決建筑垃圾資源化問(wèn)題，有力的響應(yīng)了我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；施惠生等結(jié)合微觀與宏觀兩個(gè)層面分析再生骨料的特性，認(rèn)為再生骨料具有很大的經(jīng)濟(jì)效益，并且可以通過(guò)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)提高此效益；Eduardo A等通過(guò)建立再生混凝土多尺度模型證明了再生混凝土可以降低碳排放，推進(jìn)建筑行業(yè)碳中和，具有很大的環(huán)境效益。所以，合理使用再生骨料，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展理念，建筑垃圾資源化價(jià)值發(fā)展空間巨大。

1 再生骨料的性能特點(diǎn)

建筑固廢在加工處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的再生粗骨料，再生細(xì)骨料以及再生微粉，只有將這幾種再生材料全面利用才能完全達(dá)到消除建筑垃圾的目的。宏觀上再生骨料顆粒棱角多，表面粗糙，骨料表面附著大量硬化的且孔隙率很大的水泥砂漿，因此較天然骨料具有更大的吸水率。此外，再生粗骨料本身帶有大量微裂紋，這些都會(huì)降低再生骨料的強(qiáng)度;陳瑩等和許岳周等分析研究了再生骨料的基本性能，發(fā)現(xiàn)了其高吸水率、高壓碎指標(biāo)、低表觀密度的特征，且隨著再生骨料粒徑的減小，堆積密度降低，吸水率增大。建筑和拆除廢物產(chǎn)生的再生混凝土骨料由骨料組成，骨料部分被殘余多孔水泥砂漿覆蓋，不均勻，密度較低，砂漿和骨料之間的界面過(guò)渡區(qū)較弱。再生混凝土骨料周圍的殘余砂漿體積在25%到60%之間變化，具體取決于骨料尺寸。一些研究報(bào)告了20%的水泥砂漿附著在粒徑為20 mm至30 mm的骨料周圍，破碎方法會(huì)影響其形狀和紋理，以及破碎過(guò)程中產(chǎn)生的微小裂紋。砂漿和原始骨料之間約40～50 mm厚的較弱界面過(guò)渡區(qū)在降低再生混凝土骨料和新拌混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度方面起著重要作用。界面過(guò)渡區(qū)由大量氫氧化鈣（CH）和少量的硅酸鈣水合物（C-S-H）（成分與本體相類似）組成，部分由鈣礬石（Aft）和硫鋁酸鹽（Afm）相組成，并具有相對(duì)較高的毛細(xì)管孔隙率。[由于粘附的砂漿是多孔的，再生混凝土骨料的吸水率相當(dāng)高，可以從3%到10%不等，而原始骨料的吸水率為1%～5%。人們普遍認(rèn)為，在再生混凝土骨料中，多孔砂漿、弱界面過(guò)渡區(qū)、棱角形狀和相對(duì)于原始骨料的粗糙紋理的存在會(huì)對(duì)其質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，不適合用于結(jié)構(gòu)混凝土。與原骨料相比，再生混凝土骨料具有較高的吸水率，這導(dǎo)致新拌混凝土的和易性較低，其收縮率、徐變率、強(qiáng)度和耐久性較高，這些限制了其在結(jié)構(gòu)混凝土中的廣泛應(yīng)用。由于上述問(wèn)題，有必要提高再生混凝土骨料的質(zhì)量，使其性能與原骨料相比，并符合體積密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)要求。據(jù)觀察，砂漿含量低于44%的再生混凝土骨料可用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)混凝土?？沙掷m(xù)環(huán)境保護(hù)主義者和政府組織對(duì)提高再生混凝土骨料的質(zhì)量并將其用作原混凝土的替代品非常感興趣，因此，已經(jīng)開(kāi)展了大量研究，以促進(jìn)在預(yù)拌混凝土和預(yù)制混凝土中使用經(jīng)過(guò)處理和質(zhì)量改進(jìn)的再生混凝土骨料。研究人員采用了兩條主要途徑來(lái)生產(chǎn)高質(zhì)量的再生混凝土骨料：①去除骨料顆粒中粘附的舊水泥砂漿；②加固附著的水泥砂漿，使其更堅(jiān)固、減小孔隙率?；谶@兩種主要途徑，各種研究探索了單獨(dú)或組合處理方法，以完全消除或部分補(bǔ)償再生混凝土骨料在再生混凝土中使用的不利影響。文章主要通過(guò)研究幾種處理方法來(lái)去除再生骨料表面的砂漿來(lái)達(dá)到提高性能的目的。

2 處理方法

對(duì)再生骨料的改性研究，便是生產(chǎn)再生混凝土的首要研究問(wèn)題，常見(jiàn)的再生骨料改性方法主要有機(jī)械處理、熱處理、化學(xué)處理、碳化加強(qiáng)、生物處理等。文章主要探究物理處理和化學(xué)處理對(duì)再生骨料的改性機(jī)理研究。

2.1 物理法

2.1.1 物理研磨

利用顎式破碎機(jī),對(duì)建筑廢棄混凝土進(jìn)行破碎，并根據(jù)粒徑大小，篩分出再生粗骨料、再生細(xì)骨料和再生微粉。利用沖擊式破碎機(jī)采取不同的研磨方式，控制好研磨時(shí)間對(duì)再生粗骨料進(jìn)行二次研磨。這種研磨方式能有效去除再生粗骨料表面附著的水泥砂漿體，使得再生粗骨料顆粒形貌得以改善,其外形介于天然卵石和碎石粗骨料,故性能也顯著提高。

將再生粗骨料置于沖擊式研磨機(jī)內(nèi)選取合適的研磨體進(jìn)行二次研磨，根據(jù)圖1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著研磨時(shí)間的加長(zhǎng)，再生骨料表面砂漿被不斷除掉，表觀密度在逐漸增加，吸水率在不斷減小。當(dāng)研磨時(shí)間達(dá)到3h時(shí)，再生骨料表面變得圓滑，繼續(xù)研磨已經(jīng)對(duì)再生粗骨料的性能提升不大了。

圖1 研磨時(shí)間對(duì)再生粗骨料的性能影響

2.1.2 熱處理

該處理基于在不同溫度下加熱再生混凝土骨料約2h。熱應(yīng)力產(chǎn)生砂漿和骨料的差異膨脹，從而削弱粘結(jié)，而砂漿脫水使其易于分離。由于孔隙和界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)的蒸汽壓力較高，在將再生混凝土骨料熱處理之前將其浸泡在水中可提高砂漿去除效率。這種處理方法背后的概念類似于火災(zāi)或高溫對(duì)混凝土表面的影響。

從圖2觀察到，當(dāng)再生粗骨料加熱到300℃時(shí)，附著的砂漿脫水并變脆，而砂漿和骨料之間的粘結(jié)因誘導(dǎo)的熱應(yīng)力而斷裂。然而，在溫度＞500℃時(shí)，處理骨料的性能可能會(huì)退化，這是由于熱膨脹產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，隨后骨料中的礦物發(fā)生熱微開(kāi)裂和相變。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生粗骨料暴露在600℃～800℃的溫度時(shí)，骨料會(huì)發(fā)生降解、分解和質(zhì)量損失。

圖2 烘干溫度對(duì)再生粗骨料的性能影響

再生粗骨料經(jīng)過(guò)二次研磨和破碎后,將粗骨料中的細(xì)粉和易壓碎、吸水率較高的骨料都已篩分掉了。再生粗骨料表面附著的水泥砂漿顆粒大大減少,再生粗骨料的吸水率顯著降低,而且壓碎指標(biāo)明顯降低。隨著研磨和破碎的時(shí)間延長(zhǎng),粗骨料的棱角減少,表面變得圓滑,再生粗骨料的外形介于天然卵石和碎石粗骨料之間的外形。通過(guò)表1發(fā)現(xiàn)，在300℃高溫烘干2h后進(jìn)行研磨3h，是更有效的處理方式。

不同處理方式處理后再生粗骨料與原再生粗骨料以及天然骨料對(duì)比 表1

2.2 化學(xué)法

水泥砂漿的水化產(chǎn)物（C-S-H凝膠、Ca（OH）、AFt和AFm相）可溶解在酸溶液中，再生骨料中砂漿的去除效率取決于砂漿孔隙度、骨料性質(zhì)、酸溶液的選擇、酸溶液的摩爾濃度以及處理?xiàng)l件，如處理時(shí)間和待處理材料的體積。各種研究表明，鹽酸（HCl）、硫酸（HSO）和醋酸（CHO）是溶解和去除水泥砂漿最有效的三種酸。使用HCl和HSO的主要障礙是，在使用更高濃度的這些酸處理后，骨料的氯化物和硫酸鹽含量可能會(huì)增加，這可能會(huì)影響再生混凝土的耐久性。然而，據(jù)研究表明，醋酸在去除再生混凝土骨料的殘余砂漿方面具有優(yōu)越性，且不存在這些障礙。醋酸與殘余砂漿中的水化產(chǎn)物（即Ca（OH）、C-S-H凝膠和CaCO）反應(yīng)，并削弱界面過(guò)渡區(qū)中的鍵，使砂漿易于移除。與其他酸處理相比，再生混凝土骨料的醋酸處理被認(rèn)為更安全、更清潔、更便宜。此外，醋酸處理后獲得的廢泥漿可使用CO平衡轉(zhuǎn)化為“球霰石”，一種CaCO的多晶型物，可添加到混凝土混合物中，以提高其強(qiáng)度和耐久性。

將骨料浸泡在相同濃度不同種類的酸溶液中，在環(huán)境溫度下浸泡24小時(shí)。結(jié)果表明，鹽酸處理比醋酸處理對(duì)于剝離砂漿更有效，考慮到實(shí)際工程應(yīng)用，鹽酸剝離方法更有指導(dǎo)意義。L.Wang等人用1%、3%和5%的醋酸溶液處理RCA，持續(xù)1、3和5天，以驗(yàn)證最佳處理?xiàng)l件。醋酸與殘余砂漿反應(yīng)生成醋酸鈣，也能改善再生粗骨料的性能。并且，不同來(lái)源的再生粗骨料本身性能是不同的，H.S.Kim等嘗試使用HCl和HSO酸溶液改善花崗巖細(xì)再生骨料的質(zhì)量，因?yàn)檫@些酸對(duì)花崗巖骨料的溶解度影響非常小，但是對(duì)于石灰?guī)r骨料的損傷卻比較大。因此，快速準(zhǔn)確的分辨清再生粗骨料的來(lái)源，合理的選擇處理方式，也是研究人員后續(xù)需要解決的問(wèn)題。

3 結(jié)論與展望

為了處理建筑和拆除廢物，采用顎式破碎機(jī)作為一級(jí)破碎機(jī)，沖擊式破碎機(jī)作為二級(jí)破碎機(jī)，生產(chǎn)中、低質(zhì)量的再生混凝土骨料。本文討論了各種處理方法，提高去除再生粗骨料表面附著砂漿的效率，以生產(chǎn)成本效益高、質(zhì)量好的再生混凝土骨料，從而使該工藝“100%回收，0%廢物再利用”。

①機(jī)械研磨能有效地去除再生粗骨料表面附著砂漿，但隨著研磨時(shí)間的加長(zhǎng)，機(jī)械研磨效果就變得不明顯了。

②熱處理能顯著提高再生粗骨料的機(jī)械研磨效率。再生粗骨料加熱到300℃時(shí)，附著的砂漿脫水并變脆，而砂漿和骨料之間的粘結(jié)因誘導(dǎo)的熱應(yīng)力而斷裂，砂漿的剝離效率更高。

③使用各種酸處理的化學(xué)處理能提高砂漿去除率、降低吸水率和提高再生混凝土骨料密度，但HCl和HSO處理存在主要障礙，這些障礙會(huì)在處理過(guò)的骨料上留下Cl和SO的痕跡，并可能對(duì)酸處理骨料生產(chǎn)的混凝土的耐久性有害。

圖3 不同處理方式對(duì)再生粗骨料吸水率的影響