李聰,閆祥,馬銘宇,伊海赫
(山東理工大學(xué),山東 淄博 255000)
20世紀(jì)后期我國(guó)城市化建設(shè)快速發(fā)展,民用與商用建筑也在不斷地增加,我國(guó)每年因工程建設(shè)需要消耗大約29 億m3的混凝土(骨料占混凝土體積的55%~80%),約開(kāi)采天然砂石23 m3。而天然砂石大多掩埋于山體、地下和河流中,大量開(kāi)采導(dǎo)致了植被破壞、砂石骨料資源短缺甚至引發(fā)自然災(zāi)害等問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,我國(guó)各地區(qū)出臺(tái)多項(xiàng)限采、禁采天然砂石的政策,但也間接導(dǎo)致了砂石骨料的市場(chǎng)需求同天然砂供應(yīng)矛盾日益突出,骨料供應(yīng)問(wèn)題亟待解決。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2017年我國(guó)產(chǎn)生建筑垃圾約23.79 億t,僅有11 893 萬(wàn)t 進(jìn)行了資源化利用,目前其余95%的建筑固廢則是填埋或集中堆放,而在建筑垃圾中,廢舊混凝土的比例非常高,因此,為實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),將廢棄混凝土破碎生產(chǎn)骨料再利用是關(guān)鍵。
2021年,國(guó)務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》,提出以建筑垃圾、冶煉渣等大宗固廢為重點(diǎn),支持大摻量、規(guī)?;⒏咧祷?。在國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)廢舊混凝土處理后得到的再生骨料可以成為天然骨料的有力替代品,再生骨料目前已有多項(xiàng)研究成果,廣泛應(yīng)用于建筑綠化、路基填料以及生態(tài)護(hù)坡等領(lǐng)域。再生骨料雖然可起到建筑固廢減排、保護(hù)環(huán)境的作用,但也存在顆粒棱角多、表面粗糙且附著舊水泥砂漿等諸多弊端,且在界面過(guò)渡區(qū)存在較多的毛細(xì)孔和微裂紋,從而導(dǎo)致其具有更高的孔隙率。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者研究結(jié)果表明,與天然骨料相比,再生骨料吸水率、空隙率與壓碎指標(biāo)較高,且粒形較差,多棱角,密度表觀較低。白雷雷等人采用5~31.5 mm 連續(xù)級(jí)配天然碎石與不同來(lái)源的再生骨料作對(duì)比研究,結(jié)果表明不同成分的再生骨料與天然骨料相比,表觀密度低,吸水率與壓碎指標(biāo)較高,性能較差。郭其杰等人采用鵝卵石、花崗巖等酸性石料的試驗(yàn)研究表明,天然骨料與再生骨料相比,不同粒徑的再生骨料吸水率較高,表觀密度略低。
水中和等人用壓汞法測(cè)得天然骨料的孔隙率為1.6%,簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料的孔隙率為16.8%。Hendrik[1]等人的研究結(jié)果表明,再生骨料表面附著舊砂漿物的孔隙和微裂縫以及制備過(guò)程中的損傷導(dǎo)致了再生混凝土抗凍融性能降低。
混凝土水泥基體和骨料之間存在一層厚20~100 μm的界面過(guò)渡區(qū),其主要成分為水化硅酸鈣、氫氧化鈣和鈣礬石晶體。由天然骨料拌制而成的混凝土其界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)如圖1[2]所示。具有水灰比較大、孔隙率較高、微裂紋較多、強(qiáng)度較低等特點(diǎn),在外力作用下極易出現(xiàn)新的裂紋,發(fā)生破壞,對(duì)混凝土力學(xué)性能影響較大,其界面結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 界面過(guò)渡區(qū)形貌特征
圖2 再生骨料混凝土界面結(jié)構(gòu)示意圖
Katz[3]采用用水清洗再生去除松散附著舊砂漿的方法,還提出超聲浴處理有望改善混凝土的工程性能(抗壓強(qiáng)度提高7%)。研磨法利用摩擦效果去除再生骨料表面附著的舊砂漿,以提高其質(zhì)量。將生骨料放置在旋轉(zhuǎn)研磨桶中,并勻速旋轉(zhuǎn)10~15 min,然后水洗去除其表面所有的疏松顆粒和灰塵。
Bayati[4]等分別設(shè)定250 ℃、350 ℃、500 ℃和750 ℃為再生骨料熱處理溫度,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),熱處理溫度在350 ℃時(shí)再經(jīng)過(guò)短時(shí)機(jī)械處理后的再生骨料物理性能最佳,吸水率至少降低27%,但再生骨料在500 ℃和750 ℃等較高溫度下熱處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。
青島理工大學(xué)的李秋義等提出再生骨料顆粒整形法,有效改善了骨料粒形與堆積密度等性能,但再生骨料在高速自擊研磨情況下也可能會(huì)產(chǎn)生二次損傷。毛高峰、秦原等人將顆粒整形法產(chǎn)生的再生粗骨料同簡(jiǎn)單破碎骨料的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)其各項(xiàng)性能均有所改善,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比,研究了不同再生骨料取代率對(duì)混凝土塌落度的影響。
Hasan Katkhuda[5]使用0.1 mol/L 的HCl 溶液對(duì)再生骨料表面處理,低濃度的HCl 去除了再生骨料表面上松散的粘附砂漿,從而增強(qiáng)了混凝土的機(jī)械性能。Tam[6]采用鹽酸、硫酸和磷酸預(yù)浸泡處理再生骨料,而后進(jìn)行淋洗、干燥等工序,與再生骨料表面附著舊水泥砂漿產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)以除去附著物。
Kou[7]等人將再生骨料浸入聚乙烯醇溶液,發(fā)現(xiàn)浸泡處理改性后的再生骨料壓碎指標(biāo)和吸水率較噴淋處理顯著下降,表觀密度明顯上升。Valerie Spaeth[8]采用基于聚二有機(jī)硅氧烷(PDMS)和烷基烷氧基硅烷(硅烷)的處理方法,對(duì)再生骨料吸水性和抗破碎性性能進(jìn)行表征,其結(jié)論是適當(dāng)?shù)木酆衔锘幚韺?duì)再生混凝土骨料性能有一定程度的提高,可獲得較低的吸水率和較好的抗破碎性。
Hai-bo Hu[9]采用CH 漿料預(yù)涂、沸石粉-水泥(ZPC)漿料預(yù)涂、CH 溶液預(yù)浸泡和ZP-C 溶液預(yù)浸泡4 種方法改性再生骨料,研究結(jié)果表明,4 種方法在一定程度上改善了再生骨料的基本性能。再生骨料經(jīng)ZP-C漿料預(yù)涂法處理后,吸水率與壓碎值分別降低了19.8%、30.4%,表觀密度增加了1.5%。
Xiaoliang Fang[10]利用混凝土攪拌站富含Ca2+的廢水與CO2碳化法比較了天然骨料、再生骨料、CO2碳化處理再生骨料,以及經(jīng)廢水與CO2碳化處理的再生骨料密度及吸水率,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析富鈣廢水對(duì)再生骨料進(jìn)行預(yù)處理可進(jìn)一步提高CO2碳化對(duì)再生骨料的強(qiáng)化效果。Xianfeng Wang 采用結(jié)晶劑處理強(qiáng)化再生骨料砂漿層,并研究了不同處理方案對(duì)再生骨料密度、吸水率、礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)的影響。
Long Li[11]研究比較了加壓固碳(PC)、流通氣固碳(FC)、濕法碳化(WC)、納米二氧化硅(NS)噴涂和PC與NS 聯(lián)合噴涂(PCNS)5 種再生骨料處理方法提高粗細(xì)再生骨料的效果。結(jié)果表明,PC 法和PCNS 法處理后,再生骨料的吸水率大幅降低,且對(duì)骨料表觀密度也有所提高。Vivian W·Y·Tam[12]深入探討了碳調(diào)節(jié)和碳固化兩種技術(shù)強(qiáng)化再生骨料和再生骨料混凝土的性能差異,并對(duì)其實(shí)用性進(jìn)行了對(duì)比研究。
Kaiyun Wu[13]采用不同的碳酸化壓力(0.05 MPa、0.1 MPa、0.2 MPa 和0.4 MPa)、再生骨料初始含水量(1.00%、1.81%和3.00%)和碳酸化持續(xù)時(shí)間(1 h、3 h和12 h)強(qiáng)化再生骨料,對(duì)于含水量為1.81%的再生骨料最佳的碳化處理?xiàng)l件為碳化時(shí)間3 h,碳化壓力0.1 MPa。Bao Jian Zhan 采用濃度為100%,壓力為0.1 MPa 的CO2對(duì)再生骨料進(jìn)行碳化處理后發(fā)現(xiàn),該處理方法增強(qiáng)了RCA 與新材料之間的界面粘合性能,并對(duì)再生骨料界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度有所改善,但對(duì)其的厚度影響不大。
Hongru Zhang[14]采用磺胺鋁酸鹽水泥漿料對(duì)再生骨料進(jìn)行表面處理,與未經(jīng)處理的再生骨料進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),經(jīng)磺胺鋁酸鹽水泥漿料處理后的再生骨料吸水率下降了16.70%,表觀密度沒(méi)有顯著變化,但壓碎值有所增高。Ali S·Alqarni 水泥-硅粉漿處理、硅酸鈉溶液處理和洛杉磯磨損處理經(jīng)過(guò)改性的再生骨料吸水率有所降低,并增強(qiáng)了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。
Wafaa Mohamed Shaban[15]提出用火山灰材料浸泡漿料改性再生骨料。粉煤灰與水泥(F&C),粉煤灰與硅粉(F&S)和納米二氧化硅(NS)以漿料的形式用于處理RCA,研究證明F&S 漿料可有效改善再生混凝土強(qiáng)度,這是由于二氧化硅的高火山灰反應(yīng)性與CH 反應(yīng)并形成C-S-H,從而改善砂漿和骨料之間的鍵。
Amnon Katz 研究了通過(guò)浸漬硅灰溶液和超聲波清洗對(duì)再生骨料的處理,在硅粉處理后,在7 d 和28 d時(shí)觀察到再生混凝土抗壓強(qiáng)度增加了15%和30%。超聲波處理改善了7%。孔德玉等人分別采用硅粉、礦渣以及粉煤灰漿液3 種材料預(yù)浸處理再生骨料,發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)處理后再生骨料性能有所改善,曹芷杰在研究碳化處理與火山灰漿液處理再生骨料對(duì)砂漿性能的影響表明,硅灰漿浸泡處理方法改善效果最佳。
Wu 等[16]利用基于假堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌(DSM8715)的生物沉積法,通過(guò)呼吸作用誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀。結(jié)果表明,生物沉積處理后的再生骨料吸水率和壓碎指標(biāo)均有所下降(分別為10%和15%)。朱亞光等人利用H4嗜堿芽孢桿菌和假堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌處理再生粗骨料,其吸水率和壓碎指標(biāo)與未處理的粗再生骨料相比分別降低了40.38%和19.76%,與未處理的混凝土相比,經(jīng)強(qiáng)化的再生骨料混凝土的坍落度和28 d 抗壓強(qiáng)度分別增加了115%和25.3%。
Vandevyvere[17]等人采用噴涂和浸泡處理方法將球形芽孢桿菌液對(duì)再生骨料進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化再生骨料表層得到有效強(qiáng)化,吸水率平均降低約24%,抗壓強(qiáng)度提高28%。L·P·Singh 研究了納米二氧化硅、脲解(巴氏芽孢桿菌)和非脲解(科氏芽孢桿菌)細(xì)菌對(duì)再生骨料吸水率的改性作用。改性后再生骨料吸水率降低(非脲解菌為43%,脲解菌為64%,納米SiO2改性為21%),且浸泡法比直接混合法改善效果更好。Zhangyao Feng 研究證明利用巴氏芽孢桿菌碳酸鹽沉淀可改善再生細(xì)骨料的性質(zhì),增強(qiáng)了再生細(xì)骨料澆注砂漿試樣的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。
Dingxiang Zhuang 研究了蠟狀芽孢桿菌在不同鈣離子濃度下誘導(dǎo)生物方解石的特性。在本研究中,pH 值的升高不僅與蠟樣芽孢桿菌MRR2 釋放的氨有關(guān),還與碳酸酐酶有關(guān)。Varenyam Achal[18]研究了脲酶和碳酸酐酶細(xì)菌的篩選及其在生物鈣化過(guò)程中的作用,研究發(fā)現(xiàn)微生物脲酶和碳酸酐酶可以有效地沉淀方解石以修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)中的缺陷。Chunxiang Qian[19]碳酸酐酶菌改性方法可以顯著提高再生骨料性能,當(dāng)碳酸酐酶菌含量為1.0%時(shí),再生粗骨料吸水率降低為8%,降低了21.2%,表觀密度提高至2 620 kg/m3,提高了2.8%;壓碎值降低為12%,降低了50.0%。并且可完全礦化骨料表面氫氧化鈣,碳酸鈣含量提高了10.09%。Ruixing Wang 采用直接浸泡法與真空浸漬法對(duì)比研究了巴氏芽孢桿菌和膠質(zhì)芽孢桿菌對(duì)再生骨料的改性效果,研究結(jié)果表明,巴氏芽孢桿菌在直接浸泡法處理下對(duì)再生骨料質(zhì)量增加較大(28 d 時(shí)為12%),吸水率降低較多(28 d 時(shí)為-33%),但膠質(zhì)芽孢桿菌的固碳效果較好,相對(duì)來(lái)說(shuō)更為環(huán)保。
預(yù)浸法有兩個(gè)基本限制:只能去除一小部分松散附著的砂漿或灰塵顆粒,用于清洗骨料的水在與水泥、粉塵和其他雜質(zhì)混合后需要適當(dāng)回收。相對(duì)來(lái)說(shuō)預(yù)浸研磨法比預(yù)浸法更有優(yōu)勢(shì),因?yàn)檫@種方法能夠去除附著砂漿,但也只能分離一小部分附著砂漿。且由于再生骨料表面仍存在附著舊砂漿,因此該方法對(duì)再生骨料的耐久性沒(méi)有明顯改善。
再生骨料質(zhì)量受加熱溫度和研磨參數(shù)的影響,且兩者可同時(shí)使用,高質(zhì)量再生骨料可采用低溫長(zhǎng)時(shí)(或高強(qiáng))研磨或高溫短時(shí)(或低強(qiáng))研磨方式來(lái)制備。然而,由于集料、水泥砂漿、界面和熱微裂縫中礦物的相變,會(huì)導(dǎo)致再生骨料性能在高溫(如500~550 ℃)下產(chǎn)生不良影響。高溫加熱耗能大,污染嚴(yán)重。
試驗(yàn)結(jié)果表明,與簡(jiǎn)單破碎再生粗骨料混凝土相比,顆粒整形再生骨料混凝土用水量低、工作性好。缺點(diǎn)是在改性的再生骨料表面產(chǎn)生中微裂紋和裂縫,這可能會(huì)使再生骨料的機(jī)械和耐久性能降低。
研究結(jié)果表明,未經(jīng)處理的再生骨料表面粗糙、多孔,醋酸等弱酸可有效處理對(duì)界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)砂漿側(cè)的C-S-H,處理后的表面相對(duì)均勻,附著的砂漿較少。雖然該方法在改善再生骨料物理特性方面是有效的,但磷酸與再生骨料的反應(yīng)產(chǎn)物不穩(wěn)定,硫酸與再生骨料中部分反應(yīng)產(chǎn)物容易結(jié)晶,再生骨料經(jīng)酸液處理后吸水率顯著降低,但酸根離子會(huì)對(duì)混凝土的耐久造成不良影響。
聚合物溶液處理可通過(guò)形成的聚合物膜覆蓋填充再生骨料表面孔隙及裂縫達(dá)到有效降低其吸水率的目的,且有膠凝作用,固化時(shí)間短,具有疏水性。但該方法對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯改善作用,甚至?xí)兴档汀?/p>
Hai-bo Hu 等人采用CH 漿料預(yù)涂、沸石粉-水泥(ZP-C)漿料的結(jié)合有效地改善了再生骨料的基本性能,CH 漿料預(yù)涂方法可有效改善再生骨料界面過(guò)渡區(qū)的微裂紋,使水泥基質(zhì)的氣孔顯著減少,內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變得致密。
與聚合物乳液處理相似,水玻璃溶液處理也稱為水玻璃處理或氣孔堵塞表面處理,硅酸鈉處理可以阻斷混凝土表面的毛細(xì)孔。然而研究表明,對(duì)再生骨料進(jìn)行硅酸鈉處理并不能改善再生混凝土氯離子滲透性。且水玻璃與氫氧化鈣之間的反應(yīng)可導(dǎo)致混凝土中堿含量較高,可能會(huì)引起堿和二氧化硅反應(yīng)從而損害再生混凝土耐久性。Xianfeng Wang 的研究結(jié)果表明,該結(jié)晶劑通過(guò)提高密度和水化硅酸鈣(C-S-H)含量顯著改善了再生骨料整體性能,有效地增強(qiáng)了再生骨料與新舊砂漿界面過(guò)渡區(qū)的性能,再生骨料的孔隙并對(duì)微裂縫被新形成的C-S-H 所填充,最終使再生骨料的致密性有所提高。
利用CO2加速碳化再生骨料可使骨料表面砂漿產(chǎn)生碳化反應(yīng)生成CaCO3和硅膠,填充骨料內(nèi)部孔隙,測(cè)試結(jié)果表明,CO2增強(qiáng)了再生骨料的密度、吸水率,界面過(guò)渡區(qū)孔隙孔徑減小,過(guò)渡區(qū)厚度降低,也起到了降低骨料pH 值、氯離子結(jié)合能力的作用。但應(yīng)注意合理控制碳化時(shí)間、壓力及濃度以達(dá)到最佳強(qiáng)化效果。試驗(yàn)結(jié)果表明正壓狀態(tài)下骨料增重率普遍比負(fù)壓狀態(tài)更大,負(fù)壓與零壓力下的骨料增重率差別不大。當(dāng)碳化壓力增加時(shí),二氧化碳通過(guò)骨料表面孔隙和裂縫中從而增加碳化產(chǎn)物,達(dá)到更好的強(qiáng)化效果。
前人的研究結(jié)果表明,再生骨料經(jīng)水泥漿涂層處理后孔隙率顯著減少,從而降低其吸水率,提高表觀密度,最終達(dá)到改善使混凝土的物理、機(jī)械和耐久性能的目的。但與附著的舊砂漿相比,水泥漿的滲透性更高,壓碎指標(biāo)也沒(méi)有得到有效改善,甚至?xí)兴岣摺?/p>
將由火山灰活性礦物摻合料、水泥、水按配合比拌制火山灰漿液,將再生骨料在漿液中進(jìn)行預(yù)浸泡、干燥等處理,研究結(jié)果表明,火山灰漿液可有效改善再生骨料表面孔隙及微裂縫結(jié)構(gòu),并且活性礦物摻合料可與附著舊砂漿發(fā)生反應(yīng)亦可填充再生骨料孔隙。
納米材料可以改善再生骨料的微觀結(jié)構(gòu),提高其基本性能。經(jīng)硅灰漿液浸泡處理后的再生骨料的基本性能均好于未經(jīng)處理再生骨料。且納米材料微粒子可包裹并填充再生骨料孔隙和微裂紋,提高再生骨料表觀密度,降低其孔隙率,從而達(dá)到對(duì)再生骨料顆粒改性效果。
假堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌對(duì)堿性環(huán)境有著較好的適應(yīng)能力,代謝活動(dòng)生成CaCO3晶體沉淀,在RCA 表面上形成致密防水層降低再生骨料的基本性能,其沉淀效率取決于pH 值、溫度、鈣離子濃度和細(xì)菌濃度。為減小堿性環(huán)境對(duì)細(xì)菌造成損害,在生物沉積過(guò)程中需加緩沖劑調(diào)節(jié)pH 值,但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也會(huì)因pH 值過(guò)低而受到影響。
脲酶菌同樣可在礦化沉積過(guò)程中促進(jìn)界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)的砂漿水化并改善其致密性,碳酸鹽沉淀速率一般在pH 值為9.5 左右時(shí)達(dá)到峰值,并因pH 值較高而急劇下降,酶活性和尿素水解速率在較高溫度下增強(qiáng)。細(xì)菌濃度和鈣量會(huì)增加CaCO3沉淀,可以通過(guò)噴灑和浸泡來(lái)施用細(xì)菌溶液,浸泡法處理效率更高,但反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣會(huì)造成環(huán)境污染。
雖然尿素分解沉淀系統(tǒng)比碳酸酐酶菌礦化沉淀速率更高,但碳酸酐酶菌捕獲和存儲(chǔ)CO2方法(圖3)更為環(huán)保,因此提高碳酸酐酶菌沉積速率仍值得進(jìn)一步研究。
圖3 碳酸酐酶催化CO2 水合反應(yīng)機(jī)理示意圖
近年來(lái),微生物礦化沉積技術(shù)改性再生骨料的方法受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,但對(duì)其相關(guān)研究方式方法有待完善,在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的多因素耦合作用對(duì)再生骨料仍需在今后的研究中做進(jìn)一步探索。
綜上所述,再生骨料雖然存在一定的缺陷,但依舊具有相對(duì)不錯(cuò)的宏觀和微觀性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同方法對(duì)再生骨料性能強(qiáng)化進(jìn)行了研究,一是去除舊砂漿;二是加固強(qiáng)化舊砂漿。雖然采取的方法有所差異,但均在不同程度上再生骨料性能達(dá)到了優(yōu)化改進(jìn)的目的。對(duì)比研究再生骨料強(qiáng)化方法后發(fā)現(xiàn)仍存有需要改進(jìn)和完善之處。
目前利用微生物礦化沉積改善再生骨料基本性能的研究還處于初始階段,將微生物改性再生骨料應(yīng)用于混凝土中具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值,但在以往微生物強(qiáng)化再生骨料的研究中大多以單一菌類對(duì)骨料進(jìn)行改性強(qiáng)化試驗(yàn),對(duì)復(fù)合微生物改性再生骨料的研究較少。
因此,在未來(lái)的研究中應(yīng)以復(fù)合微生物改性再生骨料為重點(diǎn),從單因素的改性再生骨料研究逐步轉(zhuǎn)化為考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的多因素耦合作用下的研究,進(jìn)而有效改善再生骨料基本性能和微觀結(jié)構(gòu),最終達(dá)到有效改善再生混凝土的力學(xué)性能與耐久性的目的。