混凝土再生粗骨料制備及強(qiáng)化處理綜述研究

栗虎 楊永富 陳哲 韋金城

（1.山東路橋集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250000；2.山東省交通科學(xué)研究院 山東濟(jì)南 250000）

我國是全球生產(chǎn)與消耗混凝土量最大的國家。長時(shí)間以來，天然砂石資源開采過度，導(dǎo)致山體塌方、資源匱乏、河床改道等問題，從而嚴(yán)重影響了自然環(huán)境。與此同時(shí)，加快城市化進(jìn)程的發(fā)展需求與改化舊城區(qū)的過程中均產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年，我國由建筑行業(yè)產(chǎn)生的垃圾堆存總量達(dá)數(shù)百億t，同時(shí)，以每年約30億t的速度增加，占用大量的土地資源，從而導(dǎo)致諸多的環(huán)境問題與安全問題頻發(fā)。許多研究證明，經(jīng)過一系列處理工序，如破碎、分級(jí)加工等，將建筑垃圾的廢棄混凝土制備得到再生混凝土骨料，簡稱再生骨料。減小建筑行業(yè)對(duì)天然骨料的依賴需求是再生骨料的作用，同時(shí)，其也具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)保意義［1-2］。

因?yàn)閺U棄混凝土品質(zhì)差異較大，利用簡單工藝制備的再生骨料性能差異也較大，不便于再生骨料的推廣應(yīng)用［3-5］。經(jīng)過上述的加工處理，僅能得到低品質(zhì)、低質(zhì)量的再生骨料，并不能滿足工程質(zhì)量要求，需提高再生混凝土性能，進(jìn)行強(qiáng)化處理后的再生骨料在性能上得到顯著提高。廢棄混凝土的強(qiáng)度等級(jí)上的差異并不會(huì)顯著影響再生骨料的性能差異，即可以進(jìn)行再生骨料的質(zhì)量控制，因而有利于對(duì)再生混凝土進(jìn)行進(jìn)一步的推廣應(yīng)用［6］。

構(gòu)成再生粗骨料的成分較為復(fù)雜，廢棄類成分包括：廢棄混凝土塊、廢棄砂漿塊與廢棄磚塊，此外，還有木材、鋼筋等構(gòu)成成分。目前，對(duì)于再生粗骨料的制備與強(qiáng)化處理依情況會(huì)有以下幾種方法：核心有機(jī)械外力破碎、機(jī)械外力作用和加熱法相結(jié)合，以及化學(xué)法等。影響再生骨料質(zhì)量的生產(chǎn)工藝通常為如下3種階段［7-8］：預(yù)處理破碎階段、強(qiáng)化處理階段、篩分階段。本文對(duì)目前常見的一些先進(jìn)制備和強(qiáng)化處理方法進(jìn)行了梳理和討論。

1 再生粗骨料的制備方式

1.1 加熱振磨法

李根［9］等人研究出加熱—振磨法來分離得到粗骨料。首先利用熱分析，對(duì)界面過渡區(qū)的物質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)分析?；炷林形镔|(zhì)成分除了水泥漿體與骨料之外，還有界面過渡區(qū)。界面過渡區(qū)的形成依靠鈣離子、鋁離子、硫酸根離子及水分子等物質(zhì)在水泥水化反應(yīng)過程中向骨料的周圍遷移，發(fā)生反應(yīng)。由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，在熱處理對(duì)照下，在界面過渡區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)研究。隨著熱處理溫度的增加，界面過渡區(qū)的微觀形貌有著裂紋擴(kuò)展等現(xiàn)象。最終制得的再生粗骨料除吸水率偏高外，其他指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)定，具有良好的物理性能。

1.2 加熱研磨法

加熱研磨法由隋玉武［10］等人提出，加熱研磨法的核心是將廢棄混凝土顆粒進(jìn)行加熱處理，使附著在原生骨料上的水泥石變脆，即使顆粒本身強(qiáng)度遠(yuǎn)低于原生骨料，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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：首先，加熱處理可以影響其產(chǎn)出率，通過檢測評(píng)價(jià)因子可知升溫的影響顯著，其表現(xiàn)在顆粒粒徑為8～16mm的廢棄混凝土中尤為明顯，當(dāng)加熱溫度從20℃增加至600℃時(shí)，相應(yīng)的破碎度從1.18提高到了1.76。在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的增加，粗再生骨料產(chǎn)出率的降低也反映了附著在其他表面的水泥石雜質(zhì)被研磨的結(jié)果。

1.3 熱與機(jī)械力分離

水中和等人研究了熱與機(jī)械力對(duì)廢棄水泥混凝土的結(jié)構(gòu)與性能的影響。研究表明，在500～550℃左右時(shí)，熱膨脹系數(shù)在粗骨料與砂漿之間的差異體現(xiàn)最大，兩者接觸界面會(huì)有弱化作用，利用球磨器械進(jìn)行碰撞與磨制，將其中的硬化水泥砂漿去除，通過此分離處理，再生骨料符合類似的天然骨料物理性能要求標(biāo)準(zhǔn)。水泥混凝土是一種多相非均質(zhì)材料，硬化的水泥石、砂漿和粗骨料具有不同的膨脹系數(shù)，這種熱相容性的差異會(huì)對(duì)混凝土的高溫性能產(chǎn)生一系列的影響。因此，由于混凝土自身材料結(jié)構(gòu)體系的熱不相容性和材料結(jié)構(gòu)的機(jī)械力變形行為，廢棄混凝土中的原狀天然集料能夠得到分離［11］。

2 再生骨料性能優(yōu)化方法

2.1 機(jī)械強(qiáng)化法

機(jī)械強(qiáng)化法本質(zhì)上是借助外部設(shè)備提供的荷載作用，物料之間形成摩擦或者再生骨料與外界之間發(fā)生接觸撞擊，以便去除附著于其表面的水泥砂漿。早些年間，日本主要采用立式偏心研磨裝置、磨內(nèi)研磨法等。何德湛［12］在以上的裝置與制備方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用處理裝置立式偏心研磨得到的骨料顆粒達(dá)標(biāo)率更高。此類方法的缺點(diǎn)也比較顯著：設(shè)備機(jī)規(guī)模龐大、性價(jià)比值得衡量、動(dòng)力能量消耗高等。李秋義等［13］利用顆粒整形方法，顆粒整形過程中可以借助其撞擊與摩擦消除表面的水泥砂漿，并且過程中只有物料之間的相互摩擦作用，并無其他雜質(zhì)摻入，在獲得品質(zhì)質(zhì)量高的再生混凝土骨料的同時(shí)，并沒有因設(shè)備磨損而導(dǎo)致試驗(yàn)進(jìn)行低效。隨著顆粒整形次數(shù)的增多，再生混凝土的抗碳化性能在不斷加強(qiáng)［14］。

2.2 濕處理強(qiáng)化法

近年來，歐美國家對(duì)再生混凝土骨料的強(qiáng)化研究側(cè)重于濕處理強(qiáng)化。廣義上的濕處理過程比較簡單，該方法的主要過程是對(duì)研究對(duì)象首先預(yù)處理，初加工，分離、篩除其中的雜質(zhì)來獲得質(zhì)量較高的骨料。這種處理方法亦相對(duì)方便實(shí)施，且不容易造成機(jī)械研磨過程中產(chǎn)生的大量微粉，同時(shí)，對(duì)增強(qiáng)界面粘結(jié)力有一定的成效［15］。

王玲玲等［16］在拌制再生混凝土之前，對(duì)再生混凝土骨料進(jìn)行簡單的預(yù)濕處理，此研究認(rèn)為再生骨料的劃分類型為3種：砂漿型、骨料型及混合型。當(dāng)再生骨料的摻量相對(duì)較低時(shí)，說明在再生骨料中砂漿型的比例相對(duì)較高，使用濕處理的工藝，可以有效地取出其中的雜質(zhì)；若再生骨料的摻量相對(duì)居中時(shí)，混合型使得再生骨料的復(fù)雜性增大，使用濕處理工藝對(duì)于其軟化系數(shù)提高程度不大；當(dāng)再生骨料的摻量相對(duì)較高時(shí)，骨料型成為再生骨料主要類型的概率增加，通過濕處理工藝沖掉再生骨料表面雜質(zhì)后，同樣也可以增強(qiáng)界面連接，使其飽和吸水后強(qiáng)度有所提高。

2.3 微波處理強(qiáng)化

肖建莊、吳磊［17］等人研制出一項(xiàng)較為創(chuàng)新的改性技術(shù)運(yùn)用于再生粗骨材當(dāng)中，運(yùn)用微波熱循環(huán)技術(shù)來將再生粗骨材表面無法消除的附著老砂漿消除，用來改善其質(zhì)量。微波處理強(qiáng)化有著瞬時(shí)加熱的優(yōu)勢，骨料內(nèi)外的巨大溫差（可達(dá)300℃以上）導(dǎo)致外部砂漿脫落，再加上加熱后的迅速冷卻，使得再生粗骨料內(nèi)部和外部產(chǎn)生二次溫度應(yīng)力，加速外部舊砂漿的破壞，從而達(dá)到對(duì)骨料改性的目的。

陳新年和曹東［18-19］等人研究了微波照射對(duì)混凝土破壞及其強(qiáng)度的影響，微波輔助機(jī)械的再生混凝土骨料剔選利用混凝土骨料與其包裹砂漿體電磁性能參數(shù)的差異，實(shí)現(xiàn)混凝土體的快速選擇性加熱，在不同成分形成不同的加熱升溫和溫度應(yīng)力，進(jìn)一步造成混凝土內(nèi)部包裹砂漿體的損傷，并削弱骨料與砂漿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度，從而有利于降低機(jī)械破碎的能耗，提高機(jī)械破碎的效率，并獲得高品質(zhì)的再生混凝土骨料［20］。

2.4 化學(xué)試劑處理強(qiáng)化

陳建良［21］等人首先通過機(jī)械攪拌研磨制備再生粗骨料，并結(jié)合化學(xué)浸泡處理進(jìn)行其性能改善處理的研究。試驗(yàn)證明，強(qiáng)化處理明顯改善了再生粗骨料的性能，浸泡聚乙烯醇處理過的再生粗骨料各項(xiàng)性能指標(biāo)有所提高。但對(duì)于再生混凝土的抗壓強(qiáng)度而言，若采用有機(jī)硅防水劑對(duì)其進(jìn)行處理，會(huì)有所降低。

楊寧［22］等人使用類別不同的化學(xué)試改性方法處理了再生粗骨料，再生粗骨料是通過人工破碎及篩分得到的。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水泥漿分別與礦粉、硅藻土、硅粉結(jié)合使用，或純水泥漿單獨(dú)使用，均能使再生粗骨料的壓碎指標(biāo)減小，表觀密度增加，對(duì)于聚乙烯醇外裹水泥法處理過的試樣，除了上述效果之外，還可降低再生粗骨料的吸水率。

劉國濤［23］等人取材建筑工地拆除廢棄混凝土塊，經(jīng)過一級(jí)鄂破及二級(jí)球磨破工藝進(jìn)行加工處理得到再生骨料，測定再生骨料的吸水率，并采用稀鹽酸浸泡、化學(xué)漿液和水玻璃溶液測定進(jìn)行3種不同再生骨料表面改性實(shí)驗(yàn)。比較試驗(yàn)結(jié)果，3 種改性處理方法均能夠改善其吸水性能，最終權(quán)衡兩個(gè)方面，即再生骨料吸水率與其表面處理的效率，當(dāng)10%硅粉在與硅酸鹽水泥漿配合處理下，達(dá)到最優(yōu)試驗(yàn)效果。

3 結(jié)語

本文簡述了目前在我國日益惡化的環(huán)境下，建筑垃圾與砂石骨料的處理狀況，再生粗骨料的多種多樣的制備方式就成為了協(xié)同時(shí)代的產(chǎn)物。并對(duì)再生粗骨料的制備方式，如加熱振磨法、加熱研磨法等進(jìn)行簡要分析概括，說明其優(yōu)勢與使用情況；對(duì)強(qiáng)化處理，如機(jī)械強(qiáng)化、濕處理強(qiáng)化等措施進(jìn)行了梳理和總結(jié)分析，對(duì)于再生粗骨料的制備工藝及強(qiáng)化處理技術(shù)的發(fā)展具有借鑒意義。因此，可將天然粗骨料與再生粗骨料相結(jié)合，選擇合適的替代率，應(yīng)用至實(shí)際工程中，在保證了安全合規(guī)的同時(shí)，又做到了環(huán)保、廢棄混凝土再利用。

目前，制備再生骨料的方法種類多，最終效果也不盡相同。大多數(shù)情況下，在得到的再生骨料制備產(chǎn)品的表面上，不難看到附著于其上的舊骨料雜質(zhì)砂漿，這也是當(dāng)將再生骨料放在天然骨料的衡量要求下時(shí)，不能完美達(dá)標(biāo)的重要因素之一，其主要表現(xiàn)為密度較低、吸水率高和耐久性差。正是以上差異的存在，無論是制備再生粗骨料，還是后續(xù)的強(qiáng)化處理中，均應(yīng)多方面考慮各種因素，進(jìn)而選擇適宜材料本身性質(zhì)的技術(shù)方案來保證再生骨料的性能等。