談廢舊混凝土的資源化

前言

　　水泥混凝土的產(chǎn)生對人類文明和進步發(fā)揮了積極的推動作用。但隨著混凝土需求的急劇增長和廢舊混凝土的大量產(chǎn)生，由此引發(fā)的資源、能源和環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。以我國當(dāng)前混凝土產(chǎn)量20億立方米計，需要使用水泥8億噸，需消耗天然砂石36億噸以上。統(tǒng)計表明，生產(chǎn)每噸水泥需消耗石灰石0.95~0.98噸，生產(chǎn)1噸熟料約排放CO2大約1噸，還會產(chǎn)生大量的硫化物、氮化物和其他有害氣體和粉塵。在混凝土中比例最高的骨料是分布較為廣泛的自然資源，但由于長年開采，已經(jīng)開始出現(xiàn)石料資源難以為繼的問題[1]。其中，有工業(yè)價值的石灰石僅可維持30~40年的開采。同時，天然材料的大量開采和使用，也造成水土流失和自然景觀惡化，嚴(yán)重影響社會的可持續(xù)發(fā)展，甚至危及子孫后代的生存。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國目前每年產(chǎn)生的建筑垃圾達到1億噸左右，而長期積累的建筑廢棄物將高達數(shù)億噸。如果這些建筑廢棄物能夠加以資源化，其意義將是難以估量的。

　　將建筑廢棄物回收利用，代替部分自然資源生產(chǎn)建筑材料，是保護自然資源，改善環(huán)境，推進可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑。將廢舊混凝土收集加工后，進行再生利用，不但可以節(jié)省天然資源，還可以減輕環(huán)境污染，促進社會的可持續(xù)發(fā)展。由于對廢舊混凝土進行再生利用的意義重大，世界各國紛紛開展了對這一問題的研究[2]。

1　廢舊混凝土與再生骨料

　　廢舊混凝土可能由不同類型（等級）的混凝土所組成。要想改善廢舊混凝土的質(zhì)量，就需要對不同類型的混凝土加以分選。CS Poon和水中和等[3]對香港地區(qū)幾種廢舊混凝土的性能作了檢測，部分結(jié)果列于表1。三種骨料的表觀密度和吸水率等指標(biāo)差別較大，天然骨料密實度最高，由較高強混凝土制得的骨料HPC密實度其次，而普通混凝土NC骨料的密實度最低。采用壓汞法分析了三種骨料的孔分布，結(jié)果與上述性質(zhì)相一致，三種骨料的孔隙率分別為：天然骨料1.6％，普通混凝土NC再生骨料16.8％，高強混凝土HPC再生骨料7.86%。從兩種再生骨料的孔分布情況看，NC骨料的孔隙主要集中在0.01至1微米范圍；而HPC骨料的大部分孔隙處于0.1微米以下。

　　再生混凝土骨料（RCA）就是廢棄的舊混凝土塊經(jīng)過分選、破碎和篩分等過程，所獲得的具有一定力學(xué)性能和顆粒級配的人工石料。分選和破碎過程中，必須將夾雜在原始混凝土中的鋼筋木材等雜物除去[4]。廢棄混凝土經(jīng)過破碎處理，生產(chǎn)出的再生骨料含有一定量的硬化水泥砂漿，這些水泥砂漿大多數(shù)獨立成塊，少量附著在天然骨料的表面，導(dǎo)致再生骨料棱角較多，表面粗糙密度小，吸水率高，粘結(jié)能力弱。廢棄混凝土塊再生破壞過程中由于損傷積累會使再生骨料內(nèi)部存在大量微裂紋。

表1  天然和再生骨料的物理性質(zhì)

*根據(jù)英國BS標(biāo)準(zhǔn)

　　為了更好地發(fā)揮再生骨料的使用價值，需對破碎的混凝土粒料進行必要的加工。在荷蘭，提高粒狀垃圾質(zhì)量的主要目的是降低有害物質(zhì)的滲析并改善其作為骨料的性能。為了改善再生混凝土骨料的性能，關(guān)鍵是要選擇有效的分離凈化技術(shù)。用于粒狀建筑垃圾分離凈化的常見技術(shù)有：尺寸分選技術(shù)，密度（重力）分離技術(shù)，磁選技術(shù)，渦流分離技術(shù)和浮選技術(shù)等[5]。

　　經(jīng)過破碎后的再生混凝土骨料，其顆粒級配經(jīng)適當(dāng)調(diào)整是可以滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的。由于不同粒級的再生骨料中水泥砂漿的含量不同，其物理力學(xué)性能也有所不同。通常，細(xì)骨料部分所含高吸水性砂漿較多，將會影響混凝土的工作性，可通過加入適量的天然砂而加以調(diào)節(jié)。表2給出了比較典型的試驗結(jié)果[4]。

表2 天然和再生骨料的性質(zhì)對比

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2　再生骨料混凝土性能

　　2.1 新拌混凝土性能

　　試驗表明，在相同的W/C條件下，隨著再生骨料取代率增加，混凝土的坍落度逐漸變小。顯然，因再生骨料表面粗糙、孔隙率高、吸水率大而明顯影響了新拌混凝土的和易性。在以上研究的基礎(chǔ)上，選取樣品50%天然碎石和50%再生骨料（重量），用10~30%的原狀粉煤灰等量取代水泥，可以看到，再生混凝土的坍落度隨粉煤灰的取代率增加而緩慢增加。由此可知，在混凝土配料組成中，用粉煤灰等量取代水泥可明顯改善新拌混凝土的和易性。但較高的粉煤灰取代量會使再生混凝土的早期強度下降。高效減水劑可以顯著地改善再生混凝土的流動性，而礦物外加劑能較好地改善再生混凝土粘聚性和保水性[6,7]。

　　隨再生骨料取代量的增加，混凝土的坍落度損失的幅度逐漸增大，這與再生骨料表面吸水需要一定時間達到平衡有密切的關(guān)系。再生骨料混凝土的初始流動度和坍落度損失與再生骨料的含水狀態(tài)有關(guān)[8]。

　　2.2 硬化混凝土的物理力學(xué)性能

　　表3給出了由三種不同的RCA配制的混凝土的抗壓強度[7]。結(jié)果表明，在齡期為7天和28天時，天然骨料混凝土的強度高于再生骨料混凝土。但是，強度差別在28天有所減小。到了90天齡期，HPC骨料混凝土的強度達到了與天然骨料混凝土相當(dāng)?shù)乃?，但NC骨料混凝土的強度仍然有一定的差距。由此可見，骨料的類型對混凝土的強度有一定的影響。當(dāng)骨料表面孔隙率高，骨料本身強度較低，那么，用它配制的混凝土的強度也較低。

表3 用三種骨料配制的混凝土的抗壓強度

　　再生混凝土的強度與基體混凝土的強度、再生骨料破碎工藝、再生骨料的替代率以及再生混凝土的配合比等密切相關(guān)。由于基體混凝土的強度等級、使用環(huán)境與碳化程度各不相同，解體、破碎的工藝及質(zhì)量控制措施的差異，導(dǎo)致再生混凝土強度變化的規(guī)律性較差，不同的研究者所得的結(jié)論也有所不同。Hansen[4]的試驗結(jié)果表明，隨著基體混凝土的強度降低，再生混凝土的強度呈下降趨勢。但對于不同強度等級的再生混凝土，再生骨料對其強度的影響不同：配制高強再生混凝土?xí)r，再生骨料的性能對再生混凝土的強度影響最大；配制中等強度再生混凝土?xí)r，影響程度次之；配制低強度的再生混凝土?xí)r，再生骨料對其強度的影響最小。

　　實際上，通過采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，含再生骨料的混凝土的強度完全可以達到或超過天然骨料混凝土。原因在于：再生骨料表面粗糙，界面嚙合能力強；再生骨料吸水率高，加水?dāng)嚢韬?，再生骨料大量吸收新拌水泥漿中多余的水分，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，再生骨料表面包裹著水泥砂漿，使再生骨料與新的水泥砂漿之間彈性模量相差較小，界面結(jié)合可能得到加強。界面結(jié)合的加強，因再生骨料強度較低而導(dǎo)致的再生混凝土性能的劣化得到了一定程度的補償[9]。

　　彈性模量

　　由于再生骨料中有大量的舊砂漿附著于原骨料顆粒上，導(dǎo)致再生混凝土的彈性模量通常較低，一般約為普通混凝土的70%～80%。由于彈性模量低，變形大，可以預(yù)計再生混凝土具有較好的抗震性能和抵抗動荷載的能力。摻入塑化劑后，再生混凝土的彈性模量有所提高。當(dāng)摻入最佳數(shù)量(10%)的膨脹劑后，彈性模量可提高8%～10%。水灰比對再生混凝土的彈性模量影響較大，當(dāng)水灰比由0.8降低到0 4時，再生混凝土的抗壓彈性模量增加33 .7%。再生混凝土泊松比在0.18～0.23范圍內(nèi)[4]。

　　干縮與徐變

　　與普通混凝土相比，再生混凝土的干縮量和徐變量增加。干縮率的增大數(shù)值取決于基體混凝土的性能、再生骨料的品質(zhì)以及再生混凝土的配合比。粘附在再生骨料顆粒上的水泥漿含量越高再生混凝土的干縮率越大[10]。研究表明，再生骨料與天然骨料共同使用時，再生混凝土的干縮率增加；水灰比增加，再生混凝土的干縮率增大。還有觀點認(rèn)為由于再生混凝土中的砂漿量大大提高，其干縮率必然會提高。當(dāng)采用較低水灰比或較高強度的再生骨料時，可使徐變值降低。干縮和徐變較高是影響再生骨料混凝土推廣應(yīng)用的重要因素，如何降低再生混凝土的收縮和徐變，有待于進一步研究。

　　2.3顯微結(jié)構(gòu)

　　再生骨料具有多孔性，因此，它與水泥漿體之間的界面結(jié)合的狀態(tài)將直接關(guān)系到新混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和耐久性能。從當(dāng)前的試驗結(jié)果看，天然花崗巖骨料的吸水率為0.5~2％，而再生骨料可達到5～20％。再生骨料的多孔性和高吸水率，將在混凝土拌合的早期引起骨料－水泥漿體界面劇烈的水分遷移，并導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化[10,11]。

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　　CS Poon和水中和[11]利用掃描電子顯微鏡觀察了三種不同的骨料和水泥漿體之間界面的形貌特征。結(jié)果顯示，天然花崗巖骨料－水泥漿體之間界面上可看到大量的孔洞，較大的孔隙尺寸約為10～20m。某些孔隙呈條狀，其長度達50m左右。從SEM照片中可以很容易看到發(fā)育良好的Ca(OH)2晶體和須狀鈣礬石晶體。大量的研究已經(jīng)證實在界面處存在豐富的Ca(OH)2晶體[12,13]，筆者采用EDX作了進一步的驗證。而在NC骨料的界面的形態(tài)呈現(xiàn)不同的特點。在界面區(qū)的水化產(chǎn)物為疏松多孔的顆粒。水化物顆粒的形狀不規(guī)則，顆粒的尺寸為10－50m，顆粒之間有接觸，但似乎沒有牢固的連接，有少量的片狀和須狀晶體夾雜在顆粒狀水化物中。經(jīng)EDX分析表明，顆粒狀水化物主要為CSH凝膠。由于NC骨料孔隙多，在拌合過程中容易吸收大量的水分。當(dāng)水泥水化一段時間之后，NC骨料又向外釋放水分。這樣，可能導(dǎo)致界面區(qū)比較寬厚。因此，水化產(chǎn)物有較大的生長發(fā)育的空間。這是普通混凝土骨料－水泥漿體界面存在大量孔隙和發(fā)育良好的水化產(chǎn)物的主要原因。

　　高強混凝土再生骨料（HPC）與水泥漿體之間的界面呈現(xiàn)出與天然骨料相似的微觀結(jié)構(gòu)特征，盡管在界面處存在一些孔洞，但界面處水化產(chǎn)物比較密實，呈板塊狀。在這一界面上比較顯著的特征是，在孔洞處很少看到片狀、絮狀或須狀的水化產(chǎn)物，而這些水化產(chǎn)物在天然骨料－水泥界面上比較容易發(fā)現(xiàn)，而在NC骨料－水泥界面更容易找到。HPC骨料－水泥界面比較密實且在孔隙中難以形成發(fā)育良好的水化產(chǎn)物，可能的原因有兩方面：其一是HPC骨料具有適中的吸水能力，它所吸收的水分既能保證界面周圍水泥的水化，又不至于形成較大的充水空間，所以，水化產(chǎn)物在這一區(qū)域十分密實。其二，HPC骨料中含有硅灰，因此，該骨料中硬化水泥漿體的堿度比較低，高堿性的水化產(chǎn)物難以在這樣的環(huán)境中生成。

　　2.4 耐久性相關(guān)性能

　　抗?jié)B性

　　由于再生骨料的孔隙率較大，基于自由水灰比設(shè)計方法之上的再生混凝土的抗?jié)B性比普通混凝土低。在有些情形，曾觀察到再生混凝土的抗?jié)B性較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?jié)B性的一條途徑。研究表明，摻加了粉煤灰之后，粉煤灰能細(xì)化再生骨料的毛細(xì)孔道使抗?jié)B透性有很大改善。

　　抗硫酸鹽侵蝕性

　　由于孔隙率及滲透性較高，再生混凝土的抗硫酸鹽和酸侵蝕性比普通混凝土稍差。摻加粉煤灰后，能減少硫酸鹽的滲透，使其抗硫酸鹽侵蝕性有較大改善。

　　耐磨性

　　再生骨料的抗磨損性較差。從不同強度的基體混凝土中得到的再生骨料其抗磨性不相同。日本Roshikana從強度分別為15MPa、16MPa、21MPa、30MPa、38MPa和40MPa的基體混凝土中得到了再生骨料并進行了LA磨損性測試，結(jié)果損失率分別為28.7%、27.3%、28.0%、25.6%、22.9%和20.1%?？梢?，隨著基體混凝土強度的增加，再生骨料的抗磨性提高。Hansen[4]的試驗表明，隨著再生骨料尺寸的減小，其抗磨性明顯降低。原因是再生骨料尺寸越小，其含有硬化砂漿顆粒的概率越大，而砂漿的抗磨性較差。

　　抗裂性

　　一項研究表明，再生混凝土的極限延伸率為(2.5-3.0)×10-4。同普通混凝土相比，再生混凝土極限延伸率增加27.7%。由于再生混凝土彈性模量低，拉壓比高，因此再生骨料混凝土抗裂性優(yōu)于普通天然骨料混凝土。

　　抗凍融性

　　再生混凝土的抗凍融性比普通混凝土差。Yamato等人[4]的試驗表明，再生骨料與天然骨料共同使用時或通過減小水灰比可提高再生混凝土的抗凍融性。

3技術(shù)問題

　　3.1 配合比設(shè)計與優(yōu)化

　　由于再生骨料各方面的性能不同于天然骨料，為合理有效地推廣再生混凝土，必須根據(jù)再生骨料的特點，對再生混凝土的配合比設(shè)計進行專門研究。張亞梅[9]等研究了C20，C30和C40三個系列的再生混凝土，對再生混凝土配合比設(shè)計進行了初探。研究結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)計強度為C20時，以普通混凝土配合比設(shè)計方法配制的再生混凝土強度高于基準(zhǔn)混凝土，但工作性能顯著降低。在此基礎(chǔ)上，她提出了再生骨料預(yù)吸水法，這種方法與史巍等針對再生骨料吸水率較大而建議的基于自由水灰比之上的配合比設(shè)計方法是一致的。即將再生混凝土拌和用水量分為兩部分，一部分為骨料所吸附的水分，稱為吸附水，它是骨料吸水至飽和面干狀態(tài)時的用水量；另一部分為拌和水用量，除了一部分蒸發(fā)外，這部分水用來提高拌合物的流動性并參與水泥的水化反應(yīng)。吸附水的用量根據(jù)試驗確定，拌和水用量按普通混凝土配合比設(shè)計方法確定。在實際操作中，兩部分水是一起加入的。

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　　在配合比設(shè)計中，可以采用再生骨料和天然骨料相混和以及摻加外摻料與外加劑等來改善再生混凝土的性能[14]。Saroj等人的試驗中摻加了10%的粉煤灰，使再生混凝土的性能有了很大的改善，具體表現(xiàn)為不但使得再生混凝土的干縮應(yīng)變、滲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。張亞梅[9]等全部采用再生骨料作為粗骨料，并摻加了高效減水劑和粉煤灰，配制出強度為54.6ＭPa再生混凝土。邢振賢等[6]采用基體強度為C20-C25的廢棄混凝土骨料，通過摻加高效減水劑使水灰比降低到0.35，配制出了強度為40.4ＭPa的再生混凝土。由此可見，再生混凝土配合比設(shè)計要比普通混凝土復(fù)雜，但只要措施得當(dāng)，仍可以獲得比較滿意的力學(xué)性能。

　　3.2 表面處理與復(fù)合改性

　　不少研究者嘗試用聚合物或水泥漿來封堵再生骨料的表面孔隙。再生骨料表面用聚合物水溶液處理，經(jīng)干燥后，可在其表面形成很薄的薄膜，有些聚合物水溶液還會滲入表面的孔隙中，起到了封閉或堵塞再生骨料表面孔隙的作用，從而降低了吸水率，達到了提高再生混凝土流動性的目的。盡管再生骨料表面的聚合物薄膜具有水溶性，但在短時間內(nèi)（2h）是不會被溶掉的；隨著水化齡期的延長，薄膜會溶解、消失，這有利于骨料與水泥漿體的結(jié)合。

　　機械活化和化學(xué)改性可以改善再生骨料的性能。機械活化的目的在于破壞弱的再生碎石顆?；虺フ掣接谒槭系牡蛷姸人嗍瘹堅?，這是從再生骨料上消除殘留砂漿的一種可行辦法。但是沒有必要通過高耗能途徑來去掉附著的砂漿，原因是這樣不但會消耗掉大量的能量，而且會產(chǎn)生大量的粉末，這些粉末進一步處理非常困難?；瘜W(xué)方法是用聚合物和防水劑等外加劑來處理再生骨料。借鑒普通混凝土的高強途徑，將水泥和外摻超細(xì)礦物質(zhì)(如粉煤灰、純水泥漿和硅粉等)與水按比例調(diào)成漿液，分別對再生骨料進行浸泡和干燥處理，可以降低再生骨料的吸水性。試驗表明，漿液能夠在一定程度上填充再生骨料的孔隙并粘合破碎過程中其內(nèi)部產(chǎn)生的一些微裂縫，強化后再生骨料本身的強度得到一定程度的提高。萬惠文等[10]將再生骨料分別用1%PVA聚合物溶液和MS高效防水劑浸泡48h，并在50℃烘箱中烘干，冷卻至室溫后配制成再生混凝土，得到的混凝土拌合物的流動性明顯提高。

　　3.3 移動加工技術(shù)

　　從實踐經(jīng)驗看，固定的再生骨料生產(chǎn)場地由于運輸量大而導(dǎo)致生產(chǎn)成本的大幅度上升。而采用移動式破碎加工設(shè)備，在廢棄物產(chǎn)生的現(xiàn)場生產(chǎn)再生骨料，將大大降低運輸費用，可以使再生骨料的成本控制在天然骨料成本之下。當(dāng)前，歐美國家非常重視移動加工處理系統(tǒng)的開發(fā)和推廣，而中國在這一方面基本上處于空白。發(fā)展移動破碎加工設(shè)備和技術(shù)是廢棄混凝土和類似固體廢棄物資源化的關(guān)鍵問題之一

4　環(huán)境評價

　　在再生混凝土的環(huán)境評價方面，萬惠文等進行了資源消耗、能量消耗和二氧化碳排放量3方面研究[15]。

　　表4是配制1m3混凝土所消耗的資源。表中顯示:用廢棄混凝土作再生骨料，可節(jié)省62%的天然石子資源；若用廢棄混凝土作生產(chǎn)水泥的原料，還可以節(jié)約制造水泥的60%優(yōu)質(zhì)石灰石和近40%粘土與鐵粉資源。

表4　配制1m3混凝土所消耗的資源                  Kg/m3

　　表5是生產(chǎn)1m3混凝土所消耗的大致能量和CO2排放量?？偟膩碚f，能耗相差并不大，但當(dāng)用廢棄混凝土作水泥原料時，可節(jié)省少量的煤，因為煅燒石灰石需要大量的能量，而廢棄混凝土中已有部分水泥的水化產(chǎn)物，所需的分解能量較石灰石少。廢棄混凝土中含有一定量的水泥水化產(chǎn)物，如:氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁(鐵)酸鈣、鈣礬石等，在高溫下分解并不放出CO2，因此，用廢棄混凝土作制造水泥原料可減少CO2的排放量。

　　量化分析結(jié)果表明，當(dāng)利用廢棄混凝土作再生骨料時，石灰石資源可節(jié)省62%，而當(dāng)廢棄混凝土用作制造水泥的原料時，除可節(jié)省62%石灰石資源外，還可節(jié)約制造水泥的優(yōu)質(zhì)石灰石60%、粘土40%和鐵粉35%的資源，同時，可減少20%的CO2排放量，所以，再生混凝土有利于保護自然資源和環(huán)境。

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表5　配制1m3混凝土所消耗的能耗及所排放的CO2量

5　結(jié)語

　　我國每年需要消耗石子和砂子達數(shù)十億噸，這兩種材料的消耗量可能占整個建筑材料資源需要量的一半以上，由此對資源、能源和環(huán)境產(chǎn)生重大影響。所以，開展對再生骨料混凝土的研究和推廣應(yīng)用有著十分重要的社會和經(jīng)濟意義。當(dāng)然，廢舊混凝土的資源化是一項系統(tǒng)工程，需要解決一系列技術(shù)問題，更需要政府在政策上的大力支持。隨著人們對資源和環(huán)境問題的日益重視，廢舊混凝土和其他固體廢棄物都將得到合理和有效的再生利用。

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