加熱-振磨法分離廢棄混凝土中的粗骨料

李　根，李如燕，余小小

(1.昆明理工大學環境科學與工程學院，昆明　650500；2.昆明理工大學固體廢棄物資源化國家工程研究中心，昆明　650093)

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加熱-振磨法分離廢棄混凝土中的粗骨料

李根1, 2，李如燕2，余小小1, 2

(1.昆明理工大學環境科學與工程學院，昆明650500；2.昆明理工大學固體廢棄物資源化國家工程研究中心，昆明650093)

通過對廢棄混凝土界面過渡區熱性能和微觀形貌的分析，提出加熱-振磨方法，對廢棄混凝土中粗骨料進行分離；根據有關規定，對再生粗骨料的性能進行了檢測；結果表明，在合適的工藝條件下，分離出的再生粗骨料具有良好的物理性能。

廢棄混凝土； 界面過渡區； 熱性能； 再生粗骨料

1　引　言

對于建筑垃圾的處理處置辦法，分為三類：(1)簡單處置。主要是露天堆放和填埋；該方式侵占土地資源，造成次生污染，浪費可自然資源[1]，所以要進行再生利用。(2)簡單處理后，再生利用。主要是經破碎后，生產再生骨料；再生骨料一部分被用于道路施工，一部分摻入其他原料后，用于生產再生建材產品，如再生磚，再生砌塊等[2]；該方式生產的再生產品性能不穩定，只能實現低水平利用，沒能實現高效利用。(3)分類回收，高效利用[3]。在收集過程中，就將廢棄混凝土和廢磚分類收集；對于廢棄混凝土，將粗骨料與水泥漿體分離，粗骨料用于代替天然骨料，水泥漿體進行活化處理后，再生利用；高效分離的粗骨料，性能增強，進而增加再生粗骨料的應用范圍；分離出的水泥漿體是混凝土中的高耗能組分，含有未水化成分，對其進行活化研究，可以使資源更充分利用。

粗骨料與包裹的水泥漿體的有效分離，是廢棄混凝土高效利用的關鍵[4]。國內外學者已經做了一些相應的研究。國外有關再生骨料制備工藝的研究，因各國的具體工程條件不同而有所差異。如俄羅斯的機械球磨工藝，德國的干、濕處理工藝，日本Aichi設計的廢棄混凝土“三破三篩”工藝，美國的預先干拌工藝等，已成為比較成熟的粗骨料再生工藝[5]。日本開展再生骨料的研究與應用較早，在再生粗骨料強化設備的研制和開發方面做了大量研究，目前日本常用的再生粗骨料強化方法主要有立式偏心輪高速球磨法、臥式球磨法、加熱球磨法等[6]。國內有學者對粗骨料的分離方法進行了研究，何永佳和胡曙光等于2006年研發了一種廢棄混凝土組分分離工藝[7]，該工藝利用粗骨料與水泥漿體之間的界面過渡區(ITZ)是混凝土的薄弱環節特點，采用破碎、粉磨、篩分等方法，將再生粗骨料分離。馬新偉[8]將破碎后的廢棄混凝土小塊在750 ℃下熱處理，使ITZ較為完全失水，破壞了粗骨料與水泥漿體的連接，實現粗骨料與水泥漿體的分離，制得高品質的再生粗骨料。肖建莊等[9]采用微波加熱方式，使粗骨料表面瞬間達到300 ℃，形成較高的溫度應力，使粗骨料和水泥漿體分離。綜上所述，通過加熱預處理和研磨等方法，可以使廢棄混凝土中粗骨料與水泥漿體進行有效分離。

擬通過研究廢棄混凝土界面過渡區的熱性能，為分離實驗提供理論依據；結合預處理溫度和振磨時間，以剝離率、壓碎指標和能耗為檢驗目標；得到再生粗骨料分離的合適的工藝條件；最后對分離出的再生粗骨料進行相關性能檢測。

2　實　驗

2.1原材料

廢棄混凝土：取自昆明白水塘基地，檢測數據顯示，抗壓強度平均為25.9 MPa，彎拉彈性模量平均為3.1×104MPa。

界面過渡區材料：將粗骨料放入試模中，再灌入一定水灰比的水泥凈漿，24 h后脫模，養護至規定齡期；將試塊放回試模中，用小于試塊的方形壓頭，進行偏心壓縮，壓力機緩慢加壓，即可使粗骨料與水泥漿體分離，并且在水泥漿體側出現平面；用砂紙輕輕打磨粗骨料表面，取得界面過渡區材料的粉末樣品。

2.2實驗方法

(1)材料熱分析：用D/max220型(Rigaku，日本)XRD測試廢棄混凝土界面過渡區材料相關物質的成分，用DSC-204型(NETZSCH，德國)差熱分析儀測試，不同升溫速率下，界面過渡區材料的熱性能，分析相關物質的變化。

(2)顯微形貌觀察：樣品經破碎后，選取包含粗骨料和水泥漿體界面的小塊，噴金處理后，用JSM-5600LV型(JEOL，日本)掃描電鏡對界面過渡區進行觀察，考察熱處理對界面過渡區結構的影響。

(3)加熱-振磨分離：將廢棄混凝土破碎后，用KSL-1200X型(科晶，合肥)箱式爐以10 K/min的加熱速度，升溫至熱處理溫度，保溫30 min，取出自然冷卻；在3MZ-30型(溫州礦山機械廠，浙江)振動磨中，在24.3 Hz振頻、3 mm的振幅下，進行振磨分離，再進行水洗，自然風干，最后測試剝離率、壓碎指標，并計算能耗。

(4)再生粗骨料性能測試：按照GB/T 1465-2011的相關規定，對再生粗骨料的顆粒粒徑、壓碎指標、含泥量、針片狀含量、含水率進行測定。

3　結果與討論

3.1熱分析

如圖2所示，ITZ中含有CSH凝膠、Ca(OH)2、SiO2、CaCO3等物質。這些物質中存在著不同形式的水，包括CSH凝膠表面的吸附水、凝膠的層間水和以“-OH”形式在的羥基水等；由于結合力不同，各種形式的水在不同的溫度下脫出[13]。如圖1所示，游離水在100～130 ℃脫去，Si-OH鍵在300～400 ℃斷裂，Ca-OH鍵在450～500 ℃斷裂；CSH凝膠中不同形式的水在500 ℃前脫去。在加熱的情況下，結晶態的Ca(OH)2在400～500 ℃左右分解，生成CaO和水。在不同的加熱速率下，相關物質出現吸熱峰的大小和位置不同，而以10 K/min的速率熱處理時，ITZ中相關物質變化更顯著，所以在分離實驗時要采用10 K/min的熱處理速率。

圖1　界面過渡區材料在不同升溫速率下的DSC曲線Fig.1　DSC curves of ITZ materials at different heating rates

圖2　界面過渡區材料的XRD圖譜Fig.2　XRD curves of ITZ materials

3.2界面過渡區微觀形貌

對熱處理前后ITZ的結構變化，進行了SEM形貌觀察。在廢棄混凝土破碎時，ITZ受到法向拉應力、切向剪應力或兩者同時存在時，裂紋極易在這一區域形成并擴展[14]。圖3所示為由于機械力和熱處理的作用，界面過渡區產生的裂紋情況。研究表明，混凝土中的材料具有不同的熱膨脹性；隨熱處理溫度的增加，水泥漿體與骨料的熱變形差異增大[15]；水泥漿體與骨料在500～550 ℃時的熱膨脹差異最大[16]。圖4是所示為由于加熱作用，ITZ的裂紋進一步擴展，并有微觀裂紋的產生。與圖3對比可知，加熱對裂紋擴展的作用。

圖3　加熱500 ℃裂紋的情況Fig.3　The image of crack after heating 500 ℃

圖4　加熱500 ℃微觀裂紋的情況Fig.4　SEM image of micro crack after heating 500 ℃

3.3加熱-振磨分離

根據上述討論，采用加熱-振磨的方法對廢棄混凝土中的粗骨料進行分離。如圖5所示，隨預處理溫度增加，剝離率增加；這是因為隨著溫度增加，ITZ的裂紋增多且變大，可由上述圖片得到印證，在之后的振磨過程中粗骨料與水泥漿體易于從此處斷裂，使剝離率增加。隨振磨時間增加，剝離率的變化幅度增大；這是因為在振磨過程中，物料之間相互碰撞、摩擦，前期物料中有裂縫，粗骨料分離，隨著時間增加，物料直接碰撞、摩擦也會使粗骨料分離，經過這兩個階段，所以隨振磨時間延長，剝離率增加，且變化幅度增大。隨振磨時間增加，剝離率增加；這是因為隨振磨時間增加，粗骨料之間的碰撞、摩擦程度增加，所以剝離率增加。隨預處理溫度的增加，剝離率的變化幅度增大；這是因為在加熱過程中不同，物料的熱脹系數不同，溫度越高，產生的裂紋就越多，越容易使粗骨料和水泥漿體分離，所以剝離率的變化幅度增大。像混凝土這種高度不均質的材料，局部的應力、應變與名義施加的應力、應變相差很大；局部應力比平均應力高2倍以上，局部應變是平均應變的4-5倍；最大應變發生在ITZ[17]。在應力作用下，隨微裂紋延伸、擴展，應力集中緩解；如果繼續使載荷維持在一個應力水平，裂紋會繼續擴展，且微裂紋相互結合成較大的裂縫；當裂縫拓展到粗骨料后，被阻擋的裂縫將沿粗骨料界面擴展；但當水泥漿體強度較高時，裂縫也有可能直接穿過粗骨料進行擴展[18]。

隨預處理溫度的增加，剝離率在29.0%以上的比率增加；這說明加熱預處理對粗骨料分離有顯著作用。數值在35%以上的剝離率分布在400 ℃、500 ℃、600 ℃中；這說明最佳預處理溫度應該位于400～600 ℃之間。剝離率大于40%的均處于500 ℃和600 ℃，由于剝離率在600 ℃的情況并沒有比500 ℃明顯提升，但能耗增加(圖7所示)，所以判定最佳預處理溫度為500 ℃。

如圖6所示，隨振磨時間增加，壓碎指標呈減少的趨勢；這是因為隨時間增加，剝離率增加，粗骨料含量增加，所以壓碎指標逐漸減少。隨預處理溫度增加，壓碎指標的下降幅度加快；這跟剝離率的變化情況一致，是由于粗骨料含量增加的造成的。在振磨時間不大于15 min時，壓碎指標呈增大趨勢；這是因為在加熱預處理后，物料內部產生裂紋，在沒有完全分離的情況下，做壓碎指標實驗，會增加篩下物的質量，使壓碎指標增大。在振磨30 min和45 min的情況下，壓碎指標呈先減后增再減的變化趨勢；這是因為粗骨料含量增加使壓碎指標減小，而加熱預處理會使壓碎指標增加，這兩者綜合影響造成的。在振磨60 min的情況下，壓碎指標呈減小趨勢；這是因為剝離率增大到30%以上，粗骨料的含量較高，起到決定性因素，使得壓碎指標呈減小趨勢。由預處理溫度確定在500 ℃，壓碎指標在500 ℃情況下，小于15%的有30 min、45 min、60 min三種振磨時間情況，考慮到能量消耗(圖7所示)的因素，振磨時間確定為30 min。

綜上分析，加熱-振磨法分離廢棄混凝土粗骨料的合適工藝條件為：以10 K/min的加熱速率，將廢棄混凝土加熱到500 ℃，保溫30 min，自然風冷卻，在振動磨中振磨30 min，水洗，晾干，得到再生粗骨料。

圖5　不同處理溫度下剝離率隨振磨時間的變化Fig.5　Delamination rate with the change of vibration grinding time at different treatment temperatures

圖6　不同處理溫度下壓碎值隨振磨時間的變化Fig.6　Crushing value with change of vibration grinding time at different treatment temperatures

圖7　分離1 kg再生粗骨料所需標準煤的質量Fig.7　The quality of standard coal needed for the separation of 1 kg recycled coarse aggregate

圖8　合適工藝條件下制得再生粗骨料的粒徑級配Fig.8　Grain size distribution of recycled coarse aggregate under the optimum technological conditions

3.4再生粗骨料性能檢測

在合適的工藝條件下制得再生粗骨料，根據GB/T 1465-2011的規定，進行有關性能檢測。

表1　合適工藝條件下制得再生粗骨料的相關性能指標

與GB/T 1465-2011中相應的指標進行對比，在合適工藝條件下制得的再生粗骨料，除吸水率偏高外，其他指標符合二級碎石骨料的規定。吸水率偏高，是因為再生粗骨料上附著一部分水泥漿體，而水泥漿體的吸水性強，使再生粗骨料的吸水率增大。

4　結　論

(1)加熱-振磨法分離廢棄物混凝土中粗骨料的合適工藝條件為：以10 K/min加熱速率，將廢棄混凝土塊加熱到500 ℃，保溫30 min，自然風冷卻，在振動磨中振磨30 min后水洗，晾干，制成；

(2)制得的再生粗骨料除吸水率偏高外，其他指標符合二級碎石骨料的相關規定，具有良好的物理性能。

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Separation of Coarse Aggregate from Waste Concrete by Heating and Vibrating

LIGen1,2,LIRu-yan2,YUXiao-xiao1,2

(1.College of Environment Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500,China；2.National Engineering Research Center of Solid Waste Resource Recovery，Kunming 650093,China)

Through analyzing the thermal property and microstructure of interface transition zone in waste concrete, the method of heating-vibration which was for separating the coarse aggregate from waste concrete was put forward. The properties of recycled coarse aggregate were detected according to the relevant provisions; All the results show that the recycled coarse aggregate has good physical properties.

waste concrete;interfacial transition zone;thermal property;recycled coarse aggregate

李根(1989-)，男，碩士研究生.主要從事固體廢棄物資源化研究.

李如燕，博士，研究員.

TU528

A

1001-1625(2016)07-2318-05