再生骨料混凝土应用领域研究论文

谈废旧混凝土的资源化水中和 万惠文武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室 （武汉 430070）前言水泥混凝土的产生对人类文明和进步发挥了积极的推动作用。但随着混凝土需求的急剧增长和废旧混凝土的大量产生，由此引发的资源、能源和环境问题也日益严重。以我国当前混凝土产量20亿立方米计，需要使用水泥8亿吨，需消耗天然砂石36亿吨以上。统计表明，生产每吨水泥需消耗石灰石0.95~0.98吨，生产1吨熟料约排放CO2大约1吨，还会产生大量的硫化物、氮化物和其他有害气体和粉尘。在混凝土中比例最高的骨料是分布较为广泛的自然资源，但由于长年开采，已经开始出现石料资源难以为继的问题[1]。其中，有工业价值的石灰石仅可维持30~40年的开采。同时，天然材料的大量开采和使用，也造成水土流失和自然景观恶化，严重影响社会的可持续发展，甚至危及子孙后代的生存。据不完全统计，中国目前每年产生的建筑垃圾达到1亿吨左右，而长期积累的建筑废弃物将高达数亿吨。如果这些建筑废弃物能够加以资源化，其意义将是难以估量的。将建筑废弃物回收利用，代替部分自然资源生产建筑材料，是保护自然资源，改善环境，推进可持续发展的一条重要途径。将废旧混凝土收集加工后，进行再生利用，不但可以节省天然资源，还可以减轻环境污染，促进社会的可持续发展。由于对废旧混凝土进行再生利用的意义重大，世界各国纷纷开展了对这一问题的研究[2]。1 废旧混凝土与再生骨料废旧混凝土可能由不同类型（等级）的混凝土所组成。要想改善废旧混凝土的质量，就需要对不同类型的混凝土加以分选。CS Poon和水中和等[3]对香港地区几种废旧混凝土的性能作了检测，部分结果列于表1。三种骨料的表观密度和吸水率等指标差别较大，天然骨料密实度最高，由较高强混凝土制得的骨料HPC密实度其次，而普通混凝土NC骨料的密实度最低。采用压汞法分析了三种骨料的孔分布，结果与上述性质相一致，三种骨料的孔隙率分别为：天然骨料1.6％，普通混凝土NC再生骨料16.8％，高强混凝土HPC再生骨料7.86%。从两种再生骨料的孔分布情况看，NC骨料的孔隙主要集中在0.01至1微米范围；而HPC骨料的大部分孔隙处于0.1微米以下。再生混凝土骨料（RCA）就是废弃的旧混凝土块经过分选、破碎和筛分等过程，所获得的具有一定力学性能和颗粒级配的人工石料。分选和破碎过程中，必须将夹杂在原始混凝土中的钢筋木材等杂物除去[4]。废弃混凝土经过破碎处理，生产出的再生骨料含有一定量的硬化水泥砂浆，这些水泥砂浆大多数独立成块，少量附着在天然骨料的表面，导致再生骨料棱角较多，表面粗糙密度小，吸水率高，粘结能力弱。废弃混凝土块再生破坏过程中由于损伤积累会使再生骨料内部存在大量微裂纹。表1 天然和再生骨料的物理性质[3]骨料类型 10%压碎指标* (kN) 表观密度 (kg/m3) 吸水率 (%) 含水率 (%) 10mm 20mm 10mm 20mm天然花岗石 159.7 2.620 1.25 1.24 0.52 0.56再生NC骨料 101.9 2.409 8.82 7.89 3.64 3.25再生HPC骨料 123.8 2.390 6.77 6.53 5.36 2.89*根据英国BS标准为了更好地发挥再生骨料的使用价值，需对破碎的混凝土粒料进行必要的加工。在荷兰，提高粒状垃圾质量的主要目的是降低有害物质的渗析并改善其作为骨料的性能。为了改善再生混凝土骨料的性能，关键是要选择有效的分离净化技术。用于粒状建筑垃圾分离净化的常见技术有：尺寸分选技术，密度（重力）分离技术，磁选技术，涡流分离技术和浮选技术等[5]。经过破碎后的再生混凝土骨料，其颗粒级配经适当调整是可以满足有关标准要求的。由于不同粒级的再生骨料中水泥砂浆的含量不同，其物理力学性能也有所不同。通常，细骨料部分所含高吸水性砂浆较多，将会影响混凝土的工作性，可通过加入适量的天然砂而加以调节。表2给出了比较典型的试验结果[4]。表2 天然和再生骨料的性质对比骨料类型 尺寸(mm) 密度(kg/m3) 吸水率(%) 洛杉矶磨耗(%) 附着砂浆的含量(%)天然卵石 4-88-1616-32 250026202610 3.71.80.8 25.922.718.8 000再生骨料H(W/C=0.40) 4-88-1616-32 234024502490 8.55.03.8 30.126.722.4 583835再生骨料M(W/C=0.70) 4-88-1616-32 235024402480 8.75.44.0 32.629.225.4 643928再生骨料L(W/C=1.20) 4-88-1616-32 234024202490 8.75.73.7 41.437.031.5 613925再生骨料M(W/C=0.70) <5 2280 9.8 - -2 再生骨料混凝土性能2.1 新拌混凝土性能试验表明，在相同的W/C条件下，随着再生骨料取代率增加，混凝土的坍落度逐渐变小。显然，因再生骨料表面粗糙、孔隙率高、吸水率大而明显影响了新拌混凝土的和易性。在以上研究的基础上，选取样品50%天然碎石和50%再生骨料（重量），用10~30%的原状粉煤灰等量取代水泥，可以看到，再生混凝土的坍落度随粉煤灰的取代率增加而缓慢增加。由此可知，在混凝土配料组成中，用粉煤灰等量取代水泥可明显改善新拌混凝土的和易性。但较高的粉煤灰取代量会使再生混凝土的早期强度下降。高效减水剂可以显著地改善再生混凝土的流动性，而矿物外加剂能较好地改善再生混凝土粘聚性和保水性[6,7]。随再生骨料取代量的增加，混凝土的坍落度损失的幅度逐渐增大，这与再生骨料表面吸水需要一定时间达到平衡有密切的关系。再生骨料混凝土的初始流动度和坍落度损失与再生骨料的含水状态有关[8]。2.2 硬化混凝土的物理力学性能表3给出了由三种不同的RCA配制的混凝土的抗压强度[7]。结果表明，在龄期为7天和28天时，天然骨料混凝土的强度高于再生骨料混凝土。但是，强度差别在28天有所减小。到了90天龄期，HPC骨料混凝土的强度达到了与天然骨料混凝土相当的水平，但NC骨料混凝土的强度仍然有一定的差距。由此可见，骨料的类型对混凝土的强度有一定的影响。当骨料表面孔隙率高，骨料本身强度较低，那么，用它配制的混凝土的强度也较低。表3 用三种骨料配制的混凝土的抗压强度骨料类型 表观密度(kg/m3) 抗压强度 (MPa) 7 day 28 day 90 day花岗石 2382 32.8 41.5 54.7再生NC骨料 2233 26.2 32.6 46.5再生HPC骨料 2266 29.9 38.7 55.0再生混凝土的强度与基体混凝土的强度、再生骨料破碎工艺、再生骨料的替代率以及再生混凝土的配合比等密切相关。由于基体混凝土的强度等级、使用环境与碳化程度各不相同，解体、破碎的工艺及质量控制措施的差异，导致再生混凝土强度变化的规律性较差，不同的研究者所得的结论也有所不同。Hansen[4]的试验结果表明，随着基体混凝土的强度降低，再生混凝土的强度呈下降趋势。但对于不同强度等级的再生混凝土，再生骨料对其强度的影响不同：配制高强再生混凝土时，再生骨料的性能对再生混凝土的强度影响最大；配制中等强度再生混凝土时，影响程度次之；配制低强度的再生混凝土时，再生骨料对其强度的影响最小。实际上，通过采用适当的技术手段，含再生骨料的混凝土的强度完全可以达到或超过天然骨料混凝土。原因在于：再生骨料表面粗糙，界面啮合能力强；再生骨料吸水率高，加水搅拌后，再生骨料大量吸收新拌水泥浆中多余的水分，既降低了粗骨料表面水灰比，又降低了混凝土拌和物的有效水灰比。另外，再生骨料表面包裹着水泥砂浆，使再生骨料与新的水泥砂浆之间弹性模量相差较小，界面结合可能得到加强。界面结合的加强，因再生骨料强度较低而导致的再生混凝土性能的劣化得到了一定程度的补偿[9]。弹性模量由于再生骨料中有大量的旧砂浆附着于原骨料颗粒上，导致再生混凝土的弹性模量通常较低，一般约为普通混凝土的70%～80%。由于弹性模量低，变形大，可以预计再生混凝土具有较好的抗震性能和抵抗动荷载的能力。掺入塑化剂后，再生混凝土的弹性模量有所提高。当掺入最佳数量(10%)的膨胀剂后，弹性模量可提高8%～10%。水灰比对再生混凝土的弹性模量影响较大，当水灰比由0.8降低到0 4时，再生混凝土的抗压弹性模量增加33 .7%。再生混凝土泊松比在0.18～0.23范围内[4]。干缩与徐变与普通混凝土相比，再生混凝土的干缩量和徐变量增加。干缩率的增大数值取决于基体混凝土的性能、再生骨料的品质以及再生混凝土的配合比。粘附在再生骨料颗粒上的水泥浆含量越高再生混凝土的干缩率越大[10]。研究表明，再生骨料与天然骨料共同使用时，再生混凝土的干缩率增加；水灰比增加，再生混凝土的干缩率增大。还有观点认为由于再生混凝土中的砂浆量大大提高，其干缩率必然会提高。当采用较低水灰比或较高强度的再生骨料时，可使徐变值降低。干缩和徐变较高是影响再生骨料混凝土推广应用的重要因素，如何降低再生混凝土的收缩和徐变，有待于进一步研究。2.3显微结构再生骨料具有多孔性，因此，它与水泥浆体之间的界面结合的状态将直接关系到新混凝土的微观结构和耐久性能。从当前的试验结果看，天然花岗岩骨料的吸水率为0.5~2％，而再生骨料可达到5～20％。再生骨料的多孔性和高吸水率，将在混凝土拌合的早期引起骨料－水泥浆体界面剧烈的水分迁移，并导致微观结构的复杂变化[10,11]。CS Poon和水中和[11]利用扫描电子显微镜观察了三种不同的骨料和水泥浆体之间界面的形貌特征。结果显示，天然花岗岩骨料－水泥浆体之间界面上可看到大量的孔洞，较大的孔隙尺寸约为10～20m。某些孔隙呈条状，其长度达50m左右。从SEM照片中可以很容易看到发育良好的Ca(OH)2晶体和须状钙矾石晶体。大量的研究已经证实在界面处存在丰富的Ca(OH)2晶体[12,13]，笔者采用EDX作了进一步的验证。而在NC骨料的界面的形态呈现不同的特点。在界面区的水化产物为疏松多孔的颗粒。水化物颗粒的形状不规则，颗粒的尺寸为10－50m，颗粒之间有接触，但似乎没有牢固的连接，有少量的片状和须状晶体夹杂在颗粒状水化物中。经EDX分析表明，颗粒状水化物主要为CSH凝胶。由于NC骨料孔隙多，在拌合过程中容易吸收大量的水分。当水泥水化一段时间之后，NC骨料又向外释放水分。这样，可能导致界面区比较宽厚。因此，水化产物有较大的生长发育的空间。这是普通混凝土骨料－水泥浆体界面存在大量孔隙和发育良好的水化产物的主要原因。高强混凝土再生骨料（HPC）与水泥浆体之间的界面呈现出与天然骨料相似的微观结构特征，尽管在界面处存在一些孔洞，但界面处水化产物比较密实，呈板块状。在这一界面上比较显著的特征是，在孔洞处很少看到片状、絮状或须状的水化产物，而这些水化产物在天然骨料－水泥界面上比较容易发现，而在NC骨料－水泥界面更容易找到。HPC骨料－水泥界面比较密实且在孔隙中难以形成发育良好的水化产物，可能的原因有两方面：其一是HPC骨料具有适中的吸水能力，它所吸收的水分既能保证界面周围水泥的水化，又不至于形成较大的充水空间，所以，水化产物在这一区域十分密实。其二，HPC骨料中含有硅灰，因此，该骨料中硬化水泥浆体的碱度比较低，高碱性的水化产物难以在这样的环境中生成。2.4 耐久性相关性能抗渗性由于再生骨料的孔隙率较大，基于自由水灰比设计方法之上的再生混凝土的抗渗性比普通混凝土低。在有些情形，曾观察到再生混凝土的抗渗性较普通骨料混凝土高出三倍[4]。降低水灰比是改善再生骨料混凝土抗渗性的一条途径。研究表明，掺加了粉煤灰之后，粉煤灰能细化再生骨料的毛细孔道使抗渗透性有很大改善。抗硫酸盐侵蚀性由于孔隙率及渗透性较高，再生混凝土的抗硫酸盐和酸侵蚀性比普通混凝土稍差。掺加粉煤灰后，能减少硫酸盐的渗透，使其抗硫酸盐侵蚀性有较大改善。耐磨性再生骨料的抗磨损性较差。从不同强度的基体混凝土中得到的再生骨料其抗磨性不相同。日本Roshikana从强度分别为15MPa、16MPa、21MPa、30MPa、38MPa和40MPa的基体混凝土中得到了再生骨料并进行了LA磨损性测试，结果损失率分别为28.7%、27.3%、28.0%、25.6%、22.9%和20.1%。可见，随着基体混凝土强度的增加，再生骨料的抗磨性提高。Hansen[4]的试验表明，随着再生骨料尺寸的减小，其抗磨性明显降低。原因是再生骨料尺寸越小，其含有硬化砂浆颗粒的概率越大，而砂浆的抗磨性较差。抗裂性一项研究表明，再生混凝土的极限延伸率为(2.5-3.0)×10-4。同普通混凝土相比，再生混凝土极限延伸率增加27.7%。由于再生混凝土弹性模量低，拉压比高，因此再生骨料混凝土抗裂性优于普通天然骨料混凝土。抗冻融性再生混凝土的抗冻融性比普通混凝土差。Yamato等人[4]的试验表明，再生骨料与天然骨料共同使用时或通过减小水灰比可提高再生混凝土的抗冻融性。3技术问题3.1 配合比设计与优化由于再生骨料各方面的性能不同于天然骨料，为合理有效地推广再生混凝土，必须根据再生骨料的特点，对再生混凝土的配合比设计进行专门研究。张亚梅[9]等研究了C20，C30和C40三个系列的再生混凝土，对再生混凝土配合比设计进行了初探。研究结果表明，当设计强度为C20时，以普通混凝土配合比设计方法配制的再生混凝土强度高于基准混凝土，但工作性能显著降低。在此基础上，她提出了再生骨料预吸水法，这种方法与史巍等针对再生骨料吸水率较大而建议的基于自由水灰比之上的配合比设计方法是一致的。即将再生混凝土拌和用水量分为两部分，一部分为骨料所吸附的水分，称为吸附水，它是骨料吸水至饱和面干状态时的用水量；另一部分为拌和水用量，除了一部分蒸发外，这部分水用来提高拌合物的流动性并参与水泥的水化反应。吸附水的用量根据试验确定，拌和水用量按普通混凝土配合比设计方法确定。在实际操作中，两部分水是一起加入的。在配合比设计中，可以采用再生骨料和天然骨料相混和以及掺加外掺料与外加剂等来改善再生混凝土的性能[14]。Saroj等人的试验中掺加了10%的粉煤灰，使再生混凝土的性能有了很大的改善，具体表现为不但使得再生混凝土的干缩应变、渗透性和吸水性接近普通混凝土，而且再生混凝土的抗酸性大大提高。张亚梅[9]等全部采用再生骨料作为粗骨料，并掺加了高效减水剂和粉煤灰，配制出强度为54.6MPa再生混凝土。邢振贤等[6]采用基体强度为C20-C25的废弃混凝土骨料，通过掺加高效减水剂使水灰比降低到0.35，配制出了强度为40.4MPa的再生混凝土。由此可见，再生混凝土配合比设计要比普通混凝土复杂，但只要措施得当，仍可以获得比较满意的力学性能。3.1 表面处理与复合改性不少研究者尝试用聚合物或水泥浆来封堵再生骨料的表面孔隙。再生骨料表面用聚合物水溶液处理，经干燥后，可在其表面形成很薄的薄膜，有些聚合物水溶液还会渗入表面的孔隙中，起到了封闭或堵塞再生骨料表面孔隙的作用，从而降低了吸水率，达到了提高再生混凝土流动性的目的。尽管再生骨料表面的聚合物薄膜具有水溶性，但在短时间内（2h）是不会被溶掉的；随着水化龄期的延长，薄膜会溶解、消失，这有利于骨料与水泥浆体的结合。机械活化和化学改性可以改善再生骨料的性能。机械活化的目的在于破坏弱的再生碎石颗粒或除去粘附于碎石上的低强度水泥石残渣，这是从再生骨料上消除残留砂浆的一种可行办法。但是没有必要通过高耗能途径来去掉附着的砂浆，原因是这样不但会消耗掉大量的能量，而且会产生大量的粉末，这些粉末进一步处理非常困难。化学方法是用聚合物和防水剂等外加剂来处理再生骨料。借鉴普通混凝土的高强途径，将水泥和外掺超细矿物质(如粉煤灰、纯水泥浆和硅粉等)与水按比例调成浆液，分别对再生骨料进行浸泡和干燥处理，可以降低再生骨料的吸水性。试验表明，浆液能够在一定程度上填充再生骨料的孔隙并粘合破碎过程中其内部产生的一些微裂缝，强化后再生骨料本身的强度得到一定程度的提高。万惠文等[10]将再生骨料分别用1%PVA聚合物溶液和MS高效防水剂浸泡48h，并在50℃烘箱中烘干，冷却至室温后配制成再生混凝土，得到的混凝土拌合物的流动性明显提高。3.4 移动加工技术从实践经验看，固定的再生骨料生产场地由于运输量大而导致生产成本的大幅度上升。而采用移动式破碎加工设备，在废弃物产生的现场生产再生骨料，将大大降低运输费用，可以使再生骨料的成本控制在天然骨料成本之下。当前，欧美国家非常重视移动加工处理系统的开发和推广，而中国在这一方面基本上处于空白。发展移动破碎加工设备和技术是废弃混凝土和类似固体废弃物资源化的关键问题之一。4 环境评价在再生混凝土的环境评价方面，万惠文等进行了资源消耗、能量消耗和二氧化碳排放量3方面研究[15]。表4是配制1m3混凝土所消耗的资源。表中显示:用废弃混凝土作再生骨料，可节省62%的天然石子资源；若用废弃混凝土作生产水泥的原料，还可以节约制造水泥的60%优质石灰石和近40%粘土与铁粉资源。表4 配制1m3混凝土所消耗的资源 Kg/m3 石灰石 粘土 铁粉 石子作骨料用天然原料 372（100%） 62.0（100%） 18.5（100%） 1800(100%)用废弃砼作再生骨料 372（100%） 62.0（100%） 18.5（100%） 682(38%)用废弃砼作水泥原料 143.4(39%) 37.6(61%) 12.1(65%) 682(39%)表5是生产1m3混凝土所消耗的大致能量和CO2排放量。总的来说，能耗相差并不大，但当用废弃混凝土作水泥原料时，可节省少量的煤，因为煅烧石灰石需要大量的能量，而废弃混凝土中已有部分水泥的水化产物，所需的分解能量较石灰石少。废弃混凝土中含有一定量的水泥水化产物，如:氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝(铁)酸钙、钙矾石等，在高温下分解并不放出CO2，因此，用废弃混凝土作制造水泥原料可减少CO2的排放量。量化分析结果表明，当利用废弃混凝土作再生骨料时，石灰石资源可节省62%，而当废弃混凝土用作制造水泥的原料时，除可节省62%石灰石资源外，还可节约制造水泥的优质石灰石60%、粘土40%和铁粉35%的资源，同时，可减少20%的CO2排放量，所以，再生混凝土有利于保护自然资源和环境。表5 配制1m3混凝土所消耗的能耗及所排放的CO2量指标 能耗 CO2排放量(Kg/m3) 水泥制造 骨料生产 水泥制造 骨料生产 合计用天然原料 42.0kwh+1004MJ 25.2kwh 254.0 6.2 260.2(100%)用废弃砼作再生粗骨料 42.0kwh+1004MJ 24.6kwh 254.0 6.2 260.2(100%)用废弃砼作水泥原料 39kwh+967.6MJ 24.6kwh 200.7 6.9 297.6(100%)5 结语我国每年需要消耗石子和砂子达数十亿吨，这两种材料的消耗量可能占整个建筑材料资源需要量的一半以上，由此对资源、能源和环境产生重大影响。所以，开展对再生骨料混凝土的研究和推广应用有着十分重要的社会和经济意义。当然，废旧混凝土的资源化是一项系统工程，需要解决一系列技术问题，更需要政府在政策上的大力支持。随着人们对资源和环境问题的日益重视，废旧混凝土和其他固体废弃物都将得到合理和有效的再生利用。参考文献[1] 中国建筑材料科学研究院，绿色建材和建材绿色化，化学工业出版社，北京，2003.9。[2] Hendriks， Ch.H.， Nijkerk， A.A.， The Building Cycle， 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