再生骨料改性強化方法研究進展①

□□ 喬宇豪，任 偉 (吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

引言

隨著我國城市化建設(shè)速度不斷加快，每年有近30億m3混凝土應(yīng)用在建筑領(lǐng)域，消耗了大量的天然砂、石[1]。與此同時，建筑物拆除后產(chǎn)生的大量廢棄混凝土難以得到及時有效地處理，常采用填埋和堆放方式浪費了大量寶貴的土地資源，也對環(huán)境造成了嚴重的污染。骨料通常占混凝土總體積70%～80%[2]。因此，資源化利用廢棄混凝土以再生骨料替代天然骨料，既能減少待處理的廢棄混凝土，又能減少對天然骨料的使用，從而減少天然砂、石的開采。

再生骨料由廢棄混凝土破碎生產(chǎn)，與天然骨料相比其表面附著有老舊砂漿，含有大量孔隙以及因機械破碎產(chǎn)生的微小裂縫，這些缺陷導(dǎo)致與天然骨料相比吸水率高、密度低、堅固性差和壓碎指標大[3-4]，同時再生骨料表面附著的不規(guī)則老舊水泥砂漿與骨料之間存在粘結(jié)力弱的界面過渡區(qū)。再生骨料自身性能的劣勢致使其全部或部分替代天然骨料會對再生混凝土性能產(chǎn)生負面影響，因而通過再生骨料強化以提升再生混凝土性能，對再生骨料的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 再生骨料改性強化方法

再生骨料是由天然骨料和附著砂漿構(gòu)成的非勻質(zhì)復(fù)合材料，與天然骨料不同在其表面存在附著砂漿，這也是再生骨料性能劣勢的主要原因。相關(guān)研究證實附著砂漿占再生骨料總質(zhì)量的20%～70%[5]。研究人員多采用物理、化學(xué)和生物方法對再生骨料進行處理，通過去除附著砂漿和改性強化附著砂漿以達到改善再生骨料性能的目的。

2 去除附著砂漿

2.1 機械研磨強化

機械研磨方法是利用骨料與骨料、骨料與設(shè)備之間的相互摩擦、碰撞，以達到去除骨料表面附著砂漿的目的[6]。日本在研究工藝設(shè)備對再生骨料影響效果方面取得了顯著成就[6]。Montgomery D G[7]使用球磨法有效去除了再生骨料表面的砂漿，并研究了附著砂漿含量對再生骨料性能的影響。傳統(tǒng)機械研磨方法多是利用機械設(shè)備的強制摩削作用，Dimitriou G等[8]將傳統(tǒng)機械研磨方法進行改善，將再生骨料放入定制的混凝土攪拌機中加水以10 r·min-1攪拌5 h，結(jié)果表明，經(jīng)處理后的骨料表面附著砂漿占比下降60%，吸水率降低65%，骨料各項性能均獲得較大改善。雖然機械研磨法可以有效去除骨料表面附著砂漿，但也存在缺點，在機械設(shè)備連續(xù)不斷的強制作業(yè)中，再生骨料容易受到損傷導(dǎo)致幾何特征發(fā)生變化，從而引入微裂紋，不利于再生骨料的機械性能和耐久性能[9]。

2.2 熱處理與加熱研磨

當(dāng)再生骨料溫度發(fā)生變化時，兩個熱性能不同的材料相界面粘結(jié)力會降低[10]。熱處理可利用溫度變化對附著砂漿與骨料粘結(jié)力的影響，通過剝離附著砂漿，減少舊ITZ長度，以達到有效增強再生骨料性能的目的。Larbi J A等[11]將再生骨料進行熱處理，結(jié)果表明，熱處理溫度越高，附著砂漿越容易與骨料分離。肖建莊等[12]采用微波加熱再生骨料，使骨料表面溫度達到300 ℃而內(nèi)部溫度較低，形成內(nèi)外溫差與溫度應(yīng)力，有效去除骨料表面約50%的附著砂漿，再生骨料各項性能均獲得較大改善。SUI Y W等[13]研究了加熱研磨溫度、時間對再生骨料的影響，試驗證明在300 ℃下進行充分的機械處理可獲得性能與天然骨料類似的再生骨料。值得注意的是過高的溫度(>500 ℃)處理再生骨料可能會對再生骨料產(chǎn)生負面影響。

2.3 酸性溶液浸泡

酸性溶液浸泡是去除再生骨料附著砂漿的有效方法。Tam V W Y等[14]研究了三種強酸(HCl、H2SO4和H3PO4)溶液對再生骨料的影響，試驗證明三種酸性溶液與砂漿中的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成Ca2+、Al3+和Fe3+等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會削弱附著砂漿的粘結(jié)力，有效減少附著砂漿含量，降低骨料吸水率。Ismail S等[15]研究了HCl濃度和浸泡時間對再生骨料附著砂漿的影響，證明附著砂漿損失量與鹽酸濃度的增加呈線性相關(guān)，而與浸泡時間無顯著關(guān)系。WANG L等[16]采用乙酸溶液浸泡再生骨料，結(jié)果表明，使用1%的乙酸處理再生骨料可取得最低吸水率，而乙酸濃度的提高并不能進一步降低再生骨料吸水率。酸性溶液處理過程中應(yīng)注意氯化物和硫酸鹽的含量對混凝土耐久性的影響，在使用帶有Cl-和SO42-的酸性溶液浸泡處理時，應(yīng)注意控制溶液濃度與浸泡時間在合適范圍，控制其殘留含量在規(guī)定限值。

3 改性強化附著砂漿

3.1 化學(xué)漿液強化

化學(xué)漿液強化方法主要通過降低再生骨料吸水率、填充孔隙裂縫和改善界面過渡區(qū)來提高再生骨料的各項性能?；瘜W(xué)漿液強化主要通過以下三種方法：

(1)火山灰質(zhì)材料強化?；鹕交屹|(zhì)材料是工業(yè)副產(chǎn)品，材料來源廣泛且更環(huán)保。將再生骨料浸入粉煤灰(FA)、硅灰(SF)和?；郀t礦渣等火山灰質(zhì)材料漿液中，漿液可以填充骨料孔隙降低吸水率，改善砂漿的粘結(jié)性能，從而達到強化再生骨料的目的。Katz A[17]使用10%的SF溶液浸泡再生骨料，骨料表面形成SF涂層，結(jié)果顯示，SF與附著砂漿中的Ca(OH)2水化生成水化硅酸鈣，降低附著砂漿的孔隙率，增強界面過渡區(qū)改善骨料性能，經(jīng)處理后的再生骨料制備的混凝土28 d抗壓強度可增加15%。

(2)聚合物乳液浸泡。聚合物乳液具有粘合性并且可以在短時間內(nèi)固化，同時聚合物乳液具有拒水性，將再生骨料浸泡在聚合物乳液中可以填充粘接砂漿中的孔隙。不同類型的聚合物已被用于改善再生骨料的性能，如硅基聚合物和聚乙烯醇(PVA)。Spaeth V等[18]使用硅基聚合物浸泡骨料，發(fā)現(xiàn)聚合物分子填充了粘附砂漿孔隙顯著降低了再生骨料的吸水率，并且在孔隙中形成聚合物膜，這種聚合物膜具有拒水性且在堿性環(huán)境中耐腐蝕，有利于提高混凝土的抗?jié)B性。Kou S C等[19]使用聚乙烯醇(PVA)浸漬再生骨料，發(fā)現(xiàn)再生骨料的吸水率顯著降低，對混凝土的耐久性和干燥收縮性能均有提高，但對抗壓強度無明顯影響。

(3)硅酸鈉溶液強化。硅酸鈉溶液硬化時析出的硅酸凝膠可以填充再生骨料的孔隙或微裂縫，從而改善骨料的孔隙以提高骨料的密實度；同時硅酸鈉與附著砂漿中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠，提高附著砂漿與骨料的粘結(jié)性，從而起到強化骨料的作用。程海麗等[20]研究了不同濃度的硅酸鈉溶液浸泡不同時間對再生骨料的影響，試驗發(fā)現(xiàn)，濃度過高與浸泡時間過長均會導(dǎo)致骨料表面形成硅酸鈉水解產(chǎn)物的包裹層，骨料表面的這種產(chǎn)物會削弱凝膠體中范德華力和氫鍵等作用，從而減弱再生骨料與水泥砂漿的咬合，不利于再生混凝土的后期強度增長。

3.2 納米材料改性

納米材料由于晶粒極小，具有傳統(tǒng)材料所不具備的許多特殊性質(zhì)，如體積效應(yīng)、表面效應(yīng)和高表面活性。納米材料可以有效地填充C-S-H的空隙，通過充當(dāng)成核中心和減小Ca(OH)2晶體的尺寸來提高水化速率，改善再生骨料微觀結(jié)構(gòu)，增強再生混凝土力學(xué)性能和耐久性[21]。ZHANG H R等[22]使用兩種含有納米材料的漿料，研究了表面處理對再生骨料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響，第一種漿料含有納米SiO2和納米CaCO3，另一種漿料含有水泥和納米SiO2。結(jié)果表明：兩種納米漿料均能強化界面過渡區(qū)，提高附著砂漿粘結(jié)力，提高再生骨料各項性能。Hosseini P等[23]證實，在100%使用再生骨料制成的混凝土中，用3%的納米SiO2替代水泥會得到比使用天然骨料制成的混凝土更高的強度。

3.3 碳化強化

碳化強化是另一種高效且環(huán)保的方法，具有廣泛的應(yīng)用。CO2可以與附著砂漿孔隙或裂縫中的水化產(chǎn)物(Ca(OH)2、C-S-H)發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3，通過填充附著砂漿孔隙和增加固相體積來強化再生骨料性能[24]。在自然條件下，水泥砂漿凝結(jié)硬化過程中Ca(OH)2不能完全反應(yīng)，并且碳化是一個非常緩慢的過程，再生骨料附著砂漿中存在著相當(dāng)數(shù)量的Ca(OH)2[24-25]。許多研究人員嘗試采用加速碳化技術(shù)強化再生骨料，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)不僅可以通過沉淀CaCO3來降低再生骨料的孔隙率，還可以改善ITZ和附著砂漿[26-27]。在碳化的最初階段，Ca(OH)2比C-S-H碳化更快，但由于Ca(OH)2表面形成一層CaCO3微晶后，這種情況很快發(fā)生逆轉(zhuǎn)[25]。ZHANG J等[28]將再生骨料在CO2濃度為20%、0.2 MPa的壓力下處理7 d，結(jié)果表明，與未處理的再生骨料相比，碳化處理使再生骨料的密度提高了5%，吸水率降低了28%，壓碎值降低了9%。ZHAN B等[29]研究了再生骨料粒徑大小和含水量對碳化效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粒徑較小的再生骨料因比表面積大更而易碳化，再生骨料在干燥狀態(tài)和水飽和狀態(tài)分別會因不能提供水分和孔隙充滿水阻礙CO2滲透而影響碳化效果。由于原生混凝土來源不同，可能出現(xiàn)混凝土齡期較長而致使再生骨料中可碳化物質(zhì)不足的情況。一些研究人員提出可以先將再生骨料在Ca(OH)2溶液中預(yù)浸泡提高可碳化物質(zhì)含量，以提高碳化強化效果[30]，有研究已證實經(jīng)過Ca(OH)2預(yù)浸泡后CO2養(yǎng)護與僅用CO2養(yǎng)護相比，再生骨料附著砂漿的總孔隙率降低了約33%，并且其微觀結(jié)構(gòu)更加致密[31]。

3.4 微生物礦化

微生物礦化是提升再生骨料的一種新技術(shù)，特別是對于降低粘附砂漿的吸水率。該技術(shù)基于細菌在細胞壁外表面沉積CaCO3的能力，細菌細胞壁表面可以吸引Ca2+，與尿素水解產(chǎn)生的CO32-發(fā)生反應(yīng)；同時，NH4+的增加導(dǎo)致周圍介質(zhì)pH值變高，加速誘導(dǎo)水泥砂漿中CaCO3的沉積[32]。Grabiec A M等[33]研究了使用巴氏桿菌對再生骨料的生物沉積，試驗證明巴氏桿菌吸引Ca2+與CO2-發(fā)生反應(yīng)生成固體CaCO3，可填充再生骨料孔隙及微裂縫。這一發(fā)現(xiàn)與QIU J等[34]的結(jié)果一致，QIU J等還研究了pH值、Ca2+濃度、巴氏桿菌濃度和溫度對CaCO3沉淀的影響，結(jié)果顯示CaCO3的沉淀量在pH為9.5時達到最大值，并隨著Ca2+濃度、巴氏桿菌濃度和溫度的增加而增加。CaCO3生物沉積是改善再生骨料微觀結(jié)構(gòu)和強度的技術(shù)，并且它可在環(huán)境中自然發(fā)生，相比其他強化方法更具環(huán)保優(yōu)勢[34]。微生物礦化是混凝土科學(xué)和微生物科學(xué)的交叉學(xué)科。目前，它在強化再生骨料中的應(yīng)用并不廣泛，但其對環(huán)境無污染和耗能低，而且與水泥基材料具有良好的相容性，值得進一步研究。

4 結(jié)語

使用再生骨料替代天然骨料應(yīng)用于混凝土中，可以減少對自然資源的依賴，具有廣闊的應(yīng)用前景。在去除附著砂漿和改性強化附著砂漿兩種技術(shù)中，改性強化附著砂漿對環(huán)境更友好，具有更好地推廣意義。在改性增強附著砂漿的方法中碳化強化和微生物礦化已被證實對于再生骨料的強化具有很好的效果，不僅可以改善再生骨料性能和微觀結(jié)構(gòu)，同時沒有額外的能耗和污染，碳化強化技術(shù)更是可以從自然環(huán)境中直接回收CO2，兩種方法均具有很高的經(jīng)濟和環(huán)境效益，因而碳化強化和微生物礦化可以作為今后的主要研究方向。