2014, Vol. 5引用本文 |
| 废弃混凝土资源化研究进展 |  [PDF全文] |
b. 江西理工大学，资源与环境工程学院，江西 赣州 341000
b. School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
废弃混凝土是指建筑物拆除、路面返修、混凝土生产、工程施工或其他状况下产生的废混凝土土块.每生产1 m3混凝土约需1 700~2 000 kg砂石骨料[1]，且混凝土中水泥石占30 %(按质量计)以上.混凝土使用寿命受所处环境影响，如风化、空气腐蚀等，会降低混凝土的使用寿命.一般情况下，混凝土使用50年左右就会成为废弃混凝土.另外由于市政建设等原因而拆除大量建筑物，产生大量的废弃混凝土.我国每年产生的建筑垃圾在3亿t以上，仅废弃混凝土约有1亿t左右.其处理费用巨大且引起的资源环境问题十分突出，废弃混凝土的资源化研究与利用显得尤为必要.
本文结合国内外的研究现状，主要从以下几方面阐述对废弃混凝土的资源化研究与利用.
1 作循环再生骨料废弃混凝土块经破碎、清洗、分级后作再生骨料代替天然骨料配制新混凝土(即再生混凝土)循环利用，一方面可解决废弃混凝土的处置问题，另一方面，可以减少天然砂石骨料的消耗.
1.1 再生骨料特点废弃混凝土块经破碎后，部分水泥浆残留在再生骨料表面，再生集料含有大约30 %的水泥砂浆，使得混凝土再生骨料具有更低的颗粒密度和更高的孔隙率，性质不稳定且吸水率高.天然骨料与再生骨料性质比较见表 1[2].混凝土再生骨料与水泥浆体界面过渡区结合较弱，混凝土中存在气孔和横断裂纹以及高的硫、氯含量，富含杂质，不同来源的混凝土再生骨料还存在碎玻璃、废橡胶、沥青混凝土、废弃黏土砖以及其它软性易碎颗粒物质等，严重影响再生混凝土的性能，限制其被广泛利用.
| 表1 天然粗骨料与再生粗骨料的性质比较 |
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由于再生骨料的高含水率，再生混凝土随着时间的推移含水量不断缓慢减少，以至于难以保证混凝土正常凝结硬化，影响混凝土内部质量.因此妥善处理好再生骨料吸水率高的问题一直是相关领域的研究重点.国内一般采用增加附加水的方法拌制混凝土，理论上用水量比天然骨料的多出5 %左右，另外就是添加高效熟化剂或高效减水剂等降低其吸水率，实现再生混凝土的强化.国外还有的采用改善再生骨料自身的质量，减少再生骨料中的水泥砂浆含量，实现再生骨料的强化.
1.2 再生骨料的强化废弃混凝土中破碎后的颗粒存在针状颗粒多、颗粒裂缝多、水泥石黏附量大、压碎指标小等缺点，为了能够达到天然骨料的强度要求，需要对再生骨料采取相应的强化方法.
1.2.1 研磨整形强化法研磨整形强化法通过专门研磨设备(如立式偏心研磨装置、卧式回转研磨设备等)，使骨料之间相互冲击与摩擦，并与设备衬板相互摩擦，去除部分颗粒表面吸附的砂浆和掺杂的软弱颗粒(如砖颗粒等)，磨掉棱角，从而提高骨料性能.李秋义[3]首次提出的通过再生骨料的高速相互撞击和摩擦去除颗粒表面的砂浆、水泥石和棱角而强化再生骨料的颗粒整形强化法.
1.2.2 热-机械力分离强化法热-机械力分离强化法就是先加热再生骨料，由于骨料与水泥石之间的热膨胀系数差异，使水泥石与骨料界面产生裂纹和微裂纹的延伸，再通过粉磨摩擦使裂缝进一步破碎，使水泥石与骨料相互脱离.日本将废弃混凝土破碎成40 mm大小的颗粒，采用加热至300 ℃高温条件下，使粒料相互混合、摩擦，完全分离出与天然骨料性能相近的纯净骨料.吕林女等[4]研究不同温度热处理和不同粉磨时间条件下废弃混凝土分离效果，发现在100~300 ℃内，随温度的升高分离效率显著增高，300 ℃以后分离效率增长趋于平缓，5 min粉磨时间粉磨效果达到最佳，不至于破碎骨料.
1.2.3 酸液浸泡处理强化法酸液浸泡处理强化法是将破碎后的再生骨料用低浓度酸液(硫酸、盐酸、磷酸等)浸泡，洗去再生骨料表面黏附的水泥砂浆，使再生骨料性能接近天然骨料性能.Vivian等[5]研究表明，再生骨料的吸水率、再生骨料与砂浆的界面状况均有明显改善，再生混凝土力学性能也有较大幅度提高，但骨料氯、硫含量增大，pH值也降低，具体酸液浸泡强化法强化效果对照表见表 2.
| 表2 酸液浸泡强化法强化效果对照表 |
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1.2.4 表面包覆强化法
表面包覆强化法，就是采用水泥浆、硅灰，粉煤灰、Kim粉等浆液浸泡并包裹再生骨料，如杜婷[6]等用水泥浆、水泥外掺Kim粉和水泥外掺粉煤灰化学强化再生骨料拌制混凝土，再生混凝土的抗压强度提高不明显，效果最好的是用水泥外掺Kim粉强化的再生混凝土，抗压强度提高了13.2 %.张潞[7]研究比较发现用10 %的水玻璃液可明显提高再生骨料强度达22.3 %，提高再生混凝土强度达17.1 %，用4 ‰PVA强化提高再生骨料强度达18.9 %，提高再生混凝土强度达15.1 %，对再生骨料的强化效果较再生混凝土的更明显.
1.3 再生混凝土强化再生骨料的强化效果显著，并不能确保再生混凝土的强化效果也同样显著.强化再生骨料的最终目的是强化再生混凝土.故除强化再生骨料之外，还可以直接改善再生混凝土原料拌制条件来强化再生混凝土性能.
1.3.1 搅拌工艺强化法搅拌工艺强化法就是通过改变搅拌工艺实现再生混凝土强化的方法.赵悟、冯忠绪等[8]研究一种振动拌和强化搅拌技术强化再生骨料混凝土，在搅拌的同时振动浆体，振动压力波使得水泥浆较骨料运动剧烈，破坏因微管压力产生的颗粒团聚，大大减少了骨料颗粒间黏性和内摩擦力，使水泥颗粒和再生骨料均匀紧密分布，降低混凝土的内聚力而成为流动的溶胶液化体，强化了混凝土的拌合效果.由于再生混凝土较天然骨料混凝土有更多的不良粒子，该法对再生混凝土强化效果更显著.与常规搅拌技术相比，再生混凝土强度可提高19 %以上，节省水泥15 %，而天然的骨料混凝土强度仅提高18 %，节省水泥14.2 %.
Tamura等[9]采用一种减压搅拌技术，首先普通拌制再生骨料混凝土浆体，然后对其进行抽真空减压到一定的负压时，突然解除负压状态，迅速恢复至大气压状态，与常规搅拌工艺相比，混凝土抗压强度可提高20 %.
1.3.2 纳米强化纳米强化就是在拌制再生混凝土时掺入纳米微粉，微粉吸附在再生骨料表面砂浆孔隙和颗粒与水泥石的界面过渡区中，由于纳米微粉发挥微集料的效应、促进熟料水化和掺和料的火山灰反应活性，增强了再生混凝土骨料与水泥浆的黏合力，强化了再生混凝土的强度.张津建[10]研究采用1 %的纳米碳酸钙中间浆料能够使再生混凝土强度提高35 %、2 %的纳米硅溶胶使再生混凝土表面硬度提高28 %，而5 %的水玻璃强化再生混凝土强度提高17.6 %.再生混凝土再次破碎的骨料表面附着的砂浆主要有C-S-H凝胶和CH (氢氧化钙)，其中CH占20 %左右，再生混凝土中骨料与水泥石之间大量富集着CH晶体，CH晶体强度较弱，这是再生骨料的薄弱点.水玻璃渗透性好，能够很好填充表面介孔，减少孔隙率，提高水泥水化速度进而提高强度.纳米硅溶胶除了起填充作用以外，活性的SiO2可以结合CH而成C-S-H凝胶，但是由于其黏聚性强，易在骨料表面形成一层薄膜阻碍水泥水化，故其掺加浓度不宜高.而纳米碳酸钙能够有序地定向排列富集在孔隙和缝隙中，填充和连接效果很明显，故强化效果较强.
2 作再生水泥原料废弃混凝土再生水泥原料主要有大颗粒再生水泥熟料、粉体再生水泥熟料、全组分再生水泥熟料和作水泥熟料混合材.
2.1 大颗粒再生水泥熟料利用废弃混凝土中石灰石大颗粒替代部分天然石灰石作水泥生产的钙质原料.天然石灰石中CaO含量占50 %，万朝均等[11]筛除废弃混凝土中小于2.36 mm得到大于40 %CaO的颗粒，粉磨后掺和砂岩、铁粉和石灰石煅烧水泥熟料，废弃混凝土掺和生料总重量的50 %~70 %，3 d、28 d强度达52.5#水泥技术要求.
但由于废弃混凝土大颗粒中含有惰性SiO2，难磨难烧，导致f-CaO含量高，水泥熟料质量下降.万惠文等[12]按废弃混凝土取代40 %、60 %、80 %的天然石灰石烧制熟料，随着废弃混凝土的取代量增加，熟料中硅酸盐矿物(C2S和C3S)含量变化不大，但是水泥强度大幅降低，因为随着取代量的增加，惰性的SiO2含量越多，熟料中f-CaO也越高，而适宜的废弃混凝土取代量是60 %.
2.2 粉体再生水泥熟料利用废弃混凝土破碎筛分后的微粉、水泥石粉或者砂浆做水泥生料组分.废弃混凝土再生骨料过程中有5 %左右的微粉，主要是水化的水泥石粉，含有部分未水化的水泥，可通过研磨将被硬化水泥包裹的未水化水泥暴露出来，回用作生料组分可充分回用未水化的水泥.同时，在煅烧水泥熟料过程中，未水化的水泥可起到“晶种”作用(水泥生料中掺入一定量结晶完好的微细熟料颗粒作“晶种”提高水泥熟料的性能).另外，水泥水化产物脱水相可降低水泥熟料的烧成温度，提高煅烧效率.孟姗姗等[13]分别采用0.05 %三乙醇胺(TEA)和500 ℃处理废弃混凝土粉，掺量占生料总重量的20 %与常规生料配制成的熟料性能相当.
废弃混凝土粉体中含有大量的细砂，熟料煅烧时，不易解离出[SiO4]4-反应活性体与CaO反应成C2S，影响生料的易烧性和最终的熟料中f-CaO含量.故解决惰性SiO2活性的激发是再生水泥的关键.
2.3 全组分再生水泥熟料由于废弃混凝土中有石灰石和硅质含量较高的石灰岩粗骨料，且硬化水泥石高温脱水后的氧化物成分与水泥生料基本相同，理论上，废弃混凝土可被全部回用作水泥生料原料，综合了大颗粒再生水泥熟料和粉体再生水泥熟料2种方法.Fuminori等[14]粉碎废弃混凝土后，添补含氧化硅、氧化铝和氧化铁的配料，煅烧成的水泥与普通水泥性能相当，拌和成的胶砂强度达44 MPa.艾红梅等[15]全组分破碎石灰石岩废弃混凝土，掺了8 %的硅酸盐熟料作“晶种”，生料易烧性较好，1 320~1 350 ℃可烧成熟料，再生水泥净浆28 d强度达68.5 MPa，较普通硅酸盐水泥熟料强度要求相当.
但由于废弃混凝土的全组分破碎难度较大，导致破碎效果不佳.同时，惰性SiO2的含量较大，对石灰饱和系数和燃烧气氛要求高，导致熟料f-CaO含量高和强度低等缺陷.研究有效的助磨方法和惰性SiO2活性激发方法，是全组分再生水泥熟料取得突破性发展的关键.
2.4 作水泥混合材将废弃混凝土破碎后分离出水泥浆和细集料粉磨成细粉后煅烧，作水泥混合材.废弃混凝土中的水泥石中，含有未水化的水泥颗粒，可自发水化硬化.但废弃混凝土中水泥浆和细集料等活性较低、表面坚固致密，仅仅靠拌合水泥浆时水泥水化产生的Ca (OH)2等，是无法充分和快速地溶解和激发废弃混凝土混合材的活性的，需在掺和混合材制水泥之前，激发废弃混凝土的活性，即瓦解废弃混凝土结构，释放内部可溶性SiO2和将网状高聚体解聚成低聚度的硅铝酸盐胶体.常用方法有机械磨细法、水热合成法和碱性激发法等.吴静等[16]研究发现废弃混凝土粉经650 ℃加热后，掺10 %和20 %作水泥混合材与水泥净浆强度相当，7 d强度分别为39.77 MPa和38.10 MPa.田芳等[17]分别掺10 %，20 %废弃水泥砂浆细粉，并掺和1 %的Na2SiO3作激发剂激发，分别可生产出达到42.5#和32.5#的水泥.
废弃混凝土做水泥混合材工艺操作简易，回用成本不高.但掺和废弃混凝土混合材的水泥产品水化时间较长，水化热较高，凝结时间延长，水泥胶砂强度早期强度较低，且大掺量废弃混凝土对新混凝土性能影响很大，废弃混凝土的掺量不能过高.
3 作绿化混凝土绿化混凝土是指能够适应植物生长、进行绿色植被的混凝土或制品，如孔洞型绿化混凝土、敷设式绿化混凝土、随机多孔型绿化混凝土、“沙琪玛骨架”绿化混凝土等.绿化混凝土对混凝土强度要求较低，抗压强度要求不小于5 MPa，孔隙率要求不小于25 %，pH值在9左右[18].混凝土浇筑后，水泥水化生成Ca (OH)2，混凝土碱度增加，普通水泥混凝土的孔隙率约为4 %、碱度为13，需要调配大量粉煤灰、矿渣等调配其孔隙率和碱度.而废弃混凝土孔隙率大，但抗压强度稍低，pH值为12左右，因此，废弃混凝土较普通混凝土更适合作为绿色混凝土.
4 制备新型墙体材料将废弃混凝土制备成粗细骨料，分离出细粉料，并对其材性进行分析，结合新型墙材混凝土制品制备技术，可以研发新型墙体材料.国内外已经有相关试验证明再生混凝土小型空心砌块的强度能够达到MU5以上.唐晓翠[19]研究采用再生骨料制备混凝土砖，通过大量的配合比试验设计，做出的再生混凝土空心砌块的抗压强度等级可达MU5，因此用于承重墙是可行的，而且采用再生骨料提高了墙体的保温性能.马保国等[20]研究得出粒径小于5 mm的细粉料经过合理的激发活化之后, 可用来取代胶凝材料制备新型承重墙体材料，而且制备的墙体砖强度达到MU15级.万莹莹[21]研究采用建筑垃圾配制蒸压粉煤灰砖，其各项性能指标都能达到MU10.废弃混凝土资源应用于新型墙材利废、环保，具有很大的推广价值和经济效益，有利于建筑材料的可持续发展.
5 其他方面 5.1 景观工程对废弃混凝土筛选处理后，可对其进行胶结和表面喷砂，做成假山景观工程.利用建筑垃圾制作景观工程，工艺简单，难度较小，但回收量小.
5.2 地基基础加固废弃混凝土可直接用于加固软土地基，其主要是作建筑渣土桩填料和复合载体桩，建筑垃圾夯扩简便、承载力高、造价低，且适用于多种地质情况，但回用价值低，易造成地下水的污染.
6 展望废弃混凝土的资源化回收途径都需以再生骨料和再生水泥为基础.提高再生骨料和再生水泥的质量，可提高废弃混凝土回用的效率和质量，甚至可为废弃混凝土提供更多的回用途径.
再生骨料方面，有效可行的强化方法的研究是再生骨料的研究重点.通过再生骨料的缝隙填补、水泥石洗脱或固化等，实现再生骨料达到甚至超过天然骨料的强度性能.当前的骨料强化方法仅停留在机械整形、骨料包裹等层面，纳米分子水平的强化方法的研究比较少，还处在探索和研究阶段，纳米掺料对混凝土的和易性影响较大，掺少量的纳米材料就可明显强化再生混凝土强度，纳米强化法是混凝土强化法今后研究和发展的趋势.
再生水泥方面的研究主要集中在废弃混凝土活性的激发.激发废弃混凝土中惰性SiO2的活性可有效提高再生水泥的性能和废弃混凝土的回用效率.但当前的激发方法有能耗高、耗时长、成本高等缺点，限制了废弃混凝土在水泥生产方面的资源化.研究新的、高效的激发方法显得尤为迫切.废弃混凝土的其他资源化途径方面，结合再生骨料的强化和再生水泥的活性激发可有效地提高废弃混凝土回用作其他再生材料的性能质量.当前，废弃混凝土的其他资源化途径比较狭窄，拓展废弃混凝土的其他资源化途径必定成为今后的发展趋势，例如应用废弃混凝土做新型保温型墙体材料、废水废气处理等吸附性环保材料和吸声降噪新型材料等.
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