再生粗骨料的改性方法探析

李永起 （安徽省建科建設監理有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

近幾十年來，我國基礎設施建設飛速發展，新老建筑設施更迭加快，不僅增加了天然骨料的消耗，也同時產生了大量的建筑垃圾。建筑垃圾是指建設單位或施工單位對相應建筑拆除、道路改造等工程所殘留下來的碎磚、混凝土、砂漿、樁頭、包裝材料等廢棄物。建筑垃圾危害大，現階段的主要處理方式還是以堆積和填埋為主，對生態環境和經濟建設造成很大的影響。根據《中國建筑垃圾處理行業發展前景與投資戰略規劃分析報告》統計數據測算，每10000m建筑施工面積平均產生550噸建筑垃圾，截止至2018年，我國的建筑垃圾年產量高達17億噸，預測到2030年，我國建筑垃圾年產量能上升到70億噸。就現狀而言，我國建筑垃圾資源化率依舊不足10%，而且建筑垃圾產生量逐年增長。若對建筑垃圾破碎、清洗、篩分，盡量使其在形貌上與天然骨料相似，既可以保護自然資源，又能解決建筑垃圾堆放帶來的環境污染問題，還能同時替代天然骨料，節約施工成本。因此，加強建筑垃圾回收利用，提高建筑垃圾資源化，是當前科研人員特別關注的問題。肖建莊等總結發現制備再生混凝土可以很好解決建筑垃圾資源化問題，有力的響應了我國的可持續發展戰略；施惠生等結合微觀與宏觀兩個層面分析再生骨料的特性，認為再生骨料具有很大的經濟效益，并且可以通過工業生產來提高此效益；Eduardo A等通過建立再生混凝土多尺度模型證明了再生混凝土可以降低碳排放，推進建筑行業碳中和，具有很大的環境效益。所以，合理使用再生骨料，符合國家可持續發展和綠色發展理念，建筑垃圾資源化價值發展空間巨大。

1 再生骨料的性能特點

建筑固廢在加工處理過程中會產生大量的再生粗骨料，再生細骨料以及再生微粉，只有將這幾種再生材料全面利用才能完全達到消除建筑垃圾的目的。宏觀上再生骨料顆粒棱角多，表面粗糙，骨料表面附著大量硬化的且孔隙率很大的水泥砂漿，因此較天然骨料具有更大的吸水率。此外，再生粗骨料本身帶有大量微裂紋，這些都會降低再生骨料的強度;陳瑩等和許岳周等分析研究了再生骨料的基本性能，發現了其高吸水率、高壓碎指標、低表觀密度的特征，且隨著再生骨料粒徑的減小，堆積密度降低，吸水率增大。建筑和拆除廢物產生的再生混凝土骨料由骨料組成，骨料部分被殘余多孔水泥砂漿覆蓋，不均勻，密度較低，砂漿和骨料之間的界面過渡區較弱。再生混凝土骨料周圍的殘余砂漿體積在25%到60%之間變化，具體取決于骨料尺寸。一些研究報告了20%的水泥砂漿附著在粒徑為20 mm至30 mm的骨料周圍，破碎方法會影響其形狀和紋理，以及破碎過程中產生的微小裂紋。砂漿和原始骨料之間約40～50 mm厚的較弱界面過渡區在降低再生混凝土骨料和新拌混凝土之間的粘結強度方面起著重要作用。界面過渡區由大量氫氧化鈣（CH）和少量的硅酸鈣水合物（C-S-H）（成分與本體相類似）組成，部分由鈣礬石（Aft）和硫鋁酸鹽（Afm）相組成，并具有相對較高的毛細管孔隙率。[由于粘附的砂漿是多孔的，再生混凝土骨料的吸水率相當高，可以從3%到10%不等，而原始骨料的吸水率為1%～5%。人們普遍認為，在再生混凝土骨料中，多孔砂漿、弱界面過渡區、棱角形狀和相對于原始骨料的粗糙紋理的存在會對其質量產生不利影響，不適合用于結構混凝土。與原骨料相比，再生混凝土骨料具有較高的吸水率，這導致新拌混凝土的和易性較低，其收縮率、徐變率、強度和耐久性較高，這些限制了其在結構混凝土中的廣泛應用。由于上述問題，有必要提高再生混凝土骨料的質量，使其性能與原骨料相比，并符合體積密度、吸水率、抗壓強度的試驗要求。據觀察，砂漿含量低于44%的再生混凝土骨料可用于生產結構混凝土。可持續環境保護主義者和政府組織對提高再生混凝土骨料的質量并將其用作原混凝土的替代品非常感興趣，因此，已經開展了大量研究，以促進在預拌混凝土和預制混凝土中使用經過處理和質量改進的再生混凝土骨料。研究人員采用了兩條主要途徑來生產高質量的再生混凝土骨料：①去除骨料顆粒中粘附的舊水泥砂漿；②加固附著的水泥砂漿，使其更堅固、減小孔隙率。基于這兩種主要途徑，各種研究探索了單獨或組合處理方法，以完全消除或部分補償再生混凝土骨料在再生混凝土中使用的不利影響。文章主要通過研究幾種處理方法來去除再生骨料表面的砂漿來達到提高性能的目的。

2 處理方法

對再生骨料的改性研究，便是生產再生混凝土的首要研究問題，常見的再生骨料改性方法主要有機械處理、熱處理、化學處理、碳化加強、生物處理等。文章主要探究物理處理和化學處理對再生骨料的改性機理研究。

2.1 物理法

2.1.1 物理研磨

利用顎式破碎機,對建筑廢棄混凝土進行破碎，并根據粒徑大小，篩分出再生粗骨料、再生細骨料和再生微粉。利用沖擊式破碎機采取不同的研磨方式，控制好研磨時間對再生粗骨料進行二次研磨。這種研磨方式能有效去除再生粗骨料表面附著的水泥砂漿體，使得再生粗骨料顆粒形貌得以改善,其外形介于天然卵石和碎石粗骨料,故性能也顯著提高。

將再生粗骨料置于沖擊式研磨機內選取合適的研磨體進行二次研磨，根據圖1的實驗數據可知，隨著研磨時間的加長，再生骨料表面砂漿被不斷除掉，表觀密度在逐漸增加，吸水率在不斷減小。當研磨時間達到3h時，再生骨料表面變得圓滑，繼續研磨已經對再生粗骨料的性能提升不大了。

圖1 研磨時間對再生粗骨料的性能影響

2.1.2 熱處理

該處理基于在不同溫度下加熱再生混凝土骨料約2h。熱應力產生砂漿和骨料的差異膨脹，從而削弱粘結，而砂漿脫水使其易于分離。由于孔隙和界面過渡區內的蒸汽壓力較高，在將再生混凝土骨料熱處理之前將其浸泡在水中可提高砂漿去除效率。這種處理方法背后的概念類似于火災或高溫對混凝土表面的影響。

從圖2觀察到，當再生粗骨料加熱到300℃時，附著的砂漿脫水并變脆，而砂漿和骨料之間的粘結因誘導的熱應力而斷裂。然而，在溫度＞500℃時，處理骨料的性能可能會退化，這是由于熱膨脹產生內應力，隨后骨料中的礦物發生熱微開裂和相變。同時發現，當再生粗骨料暴露在600℃～800℃的溫度時，骨料會發生降解、分解和質量損失。

圖2 烘干溫度對再生粗骨料的性能影響

再生粗骨料經過二次研磨和破碎后,將粗骨料中的細粉和易壓碎、吸水率較高的骨料都已篩分掉了。再生粗骨料表面附著的水泥砂漿顆粒大大減少,再生粗骨料的吸水率顯著降低,而且壓碎指標明顯降低。隨著研磨和破碎的時間延長,粗骨料的棱角減少,表面變得圓滑,再生粗骨料的外形介于天然卵石和碎石粗骨料之間的外形。通過表1發現，在300℃高溫烘干2h后進行研磨3h，是更有效的處理方式。

不同處理方式處理后再生粗骨料與原再生粗骨料以及天然骨料對比 表1

2.2 化學法

水泥砂漿的水化產物（C-S-H凝膠、Ca（OH）、AFt和AFm相）可溶解在酸溶液中，再生骨料中砂漿的去除效率取決于砂漿孔隙度、骨料性質、酸溶液的選擇、酸溶液的摩爾濃度以及處理條件，如處理時間和待處理材料的體積。各種研究表明，鹽酸（HCl）、硫酸（HSO）和醋酸（CHO）是溶解和去除水泥砂漿最有效的三種酸。使用HCl和HSO的主要障礙是，在使用更高濃度的這些酸處理后，骨料的氯化物和硫酸鹽含量可能會增加，這可能會影響再生混凝土的耐久性。然而，據研究表明，醋酸在去除再生混凝土骨料的殘余砂漿方面具有優越性，且不存在這些障礙。醋酸與殘余砂漿中的水化產物（即Ca（OH）、C-S-H凝膠和CaCO）反應，并削弱界面過渡區中的鍵，使砂漿易于移除。與其他酸處理相比，再生混凝土骨料的醋酸處理被認為更安全、更清潔、更便宜。此外，醋酸處理后獲得的廢泥漿可使用CO平衡轉化為“球霰石”，一種CaCO的多晶型物，可添加到混凝土混合物中，以提高其強度和耐久性。

將骨料浸泡在相同濃度不同種類的酸溶液中，在環境溫度下浸泡24小時。結果表明，鹽酸處理比醋酸處理對于剝離砂漿更有效，考慮到實際工程應用，鹽酸剝離方法更有指導意義。L.Wang等人用1%、3%和5%的醋酸溶液處理RCA，持續1、3和5天，以驗證最佳處理條件。醋酸與殘余砂漿反應生成醋酸鈣，也能改善再生粗骨料的性能。并且，不同來源的再生粗骨料本身性能是不同的，H.S.Kim等嘗試使用HCl和HSO酸溶液改善花崗巖細再生骨料的質量，因為這些酸對花崗巖骨料的溶解度影響非常小，但是對于石灰巖骨料的損傷卻比較大。因此，快速準確的分辨清再生粗骨料的來源，合理的選擇處理方式，也是研究人員后續需要解決的問題。

3 結論與展望

為了處理建筑和拆除廢物，采用顎式破碎機作為一級破碎機，沖擊式破碎機作為二級破碎機，生產中、低質量的再生混凝土骨料。本文討論了各種處理方法，提高去除再生粗骨料表面附著砂漿的效率，以生產成本效益高、質量好的再生混凝土骨料，從而使該工藝“100%回收，0%廢物再利用”。

①機械研磨能有效地去除再生粗骨料表面附著砂漿，但隨著研磨時間的加長，機械研磨效果就變得不明顯了。

②熱處理能顯著提高再生粗骨料的機械研磨效率。再生粗骨料加熱到300℃時，附著的砂漿脫水并變脆，而砂漿和骨料之間的粘結因誘導的熱應力而斷裂，砂漿的剝離效率更高。

③使用各種酸處理的化學處理能提高砂漿去除率、降低吸水率和提高再生混凝土骨料密度，但HCl和HSO處理存在主要障礙，這些障礙會在處理過的骨料上留下Cl和SO的痕跡，并可能對酸處理骨料生產的混凝土的耐久性有害。

圖3 不同處理方式對再生粗骨料吸水率的影響