建筑垃圾再生骨料强化改性研究进展

王春福，王瑜玲，张飞燕

(浙江广厦建设职业技术大学，东阳 322100)

0 引 言

资源化水平的高低反映了一个国家的经济发展是否健康。近年来，随着城市化进程的加快，建筑垃圾日益增多，多地陷于建筑垃圾的围城困境，建筑垃圾的资源化利用成为研究热点。目前我国建筑垃圾的处理方式较为单一，多用于路基回填或非承重构件，绝大多数被填埋或堆放郊外，资源利用率不足10%。相较于欧美90%以上、日韩95%以上的利用率，我国在建筑垃圾资源化利用上还有很长的路要走。

研究表明，将建筑垃圾制成再生骨料重新用于混凝土的生产是其主要的利用途径之一[1],首先可以减少建筑垃圾对土壤、大气、水体等的影响，其次可以缓解砂石料供不应求的现状。与天然骨料相比，再生骨料的孔隙率大、吸水率高、压碎指标高、堆积及表观密度小、颗粒形状不规整，存在微裂纹等缺陷[2]。采用同体积的天然骨料与再生骨料拌制混凝土，对比发现，再生骨料拌制的混凝土初始性能差，后期强度低且耐久性差。究其原因：一是建筑垃圾在破碎过程中原有天然骨料遭到机械损伤，产生许多微裂纹；二是再生骨料表面附着了大量的砂浆，这些砂浆的存在大大降低了再生骨料的纯度。再生骨料的性能缺陷成为建筑垃圾再生资源化利用的一大障碍。因此，提高再生骨料的性能，是提高建筑垃圾再生利用率的主要手段。

本研究对再生骨料强化改性方法、改性骨料的性能评价进行了评述，并提出了自己的思考与展望。

1 再生骨料强化改性方法

1.1 提高再生骨料纯度

再生骨料表面裹附的砂浆是其最大的性能缺陷之一。为了去除这层砂浆，提高再生骨料纯度，一般使用物理和化学手段对其进行强化改性。

1.1.1 物理提纯改性

(1)机械强化

在外加荷载的作用下，利用再生骨料颗粒之间或与外界器械设备相互摩擦，去除再生骨料表面裹附的水泥砂浆[3]。如使用日本的立式偏心研磨设备和卧式研磨设备[4]或采用李秋义等[5]的“再生骨料自击法”进行机械强化。经机械强化整形后的再生骨料颗粒光滑、吸水率低、粒形好，可以减少对环境的物化影响[6]，具有明显的环境效益。

(2)加热研磨

利用硬化水泥砂浆与骨料的热膨胀系数不同[7]，将再生骨料加热使其表面裹附的硬化水泥砂浆脱水、脆化，接着对其冲击和研磨，获得高品质的再生骨料。加热研磨法能够高效地去除再生骨料表面裹附的砂浆，但要控制好加热温度、加热工艺以及总能耗。研究表明[8]，温度过低(<300 ℃)则达不到脱离效果，而温度过高(>500 ℃)则会劣化再生骨料，同时显著提高总能耗。为了使再生骨料受热均匀，避免局部高温，肖建庄[2]提出空气加热研磨法，即在炉子底部通入300 ℃左右的空气对再生骨料进行加热，使骨料和砂浆交界面变脆，而后使用管式研磨机去除附着砂浆。为了避免再生骨料未附着砂浆区域受到损伤，肖建庄等[9]同时提出选择性加热研磨法，即首先在再生骨料和附着砂浆的交界面选择性地进行微波辐射，然后置于立式研磨机去除骨料附着的砂浆，从而获得较高品质的再生骨料。采用加热研磨法处理再生骨料，需要消耗较多的热能，苏燕等[10]先以较低温度加热再生骨料而后通过振动台振动去除其表面砂浆，降低了处理能耗。

(3)湿法处理改性

传统的再生骨料物理处理方法多采用干处理法，但当废弃混凝土中杂质含量多时，干处理法制得的再生骨料性能会变差。近年来，欧美国家开始采用湿处理法生产再生骨料，即用水清洗再生骨料，分离其中的杂质，以此提高品质。湿处理法可以快速除去再生骨料中的杂质，但是要耗费较多的水资源，而且处理后的废水如何净化处理，再次循环使用还需要进一步研究考虑。

1.1.2 化学提纯改性

1.2 强化裹附砂浆及原生骨料

试验表明再生骨料裹附的砂浆不能百分百去除，学者们考虑改善其缺陷，增强其性能。目前常用的强化裹附砂浆及原生骨料的方法主要有化学法及微生物法。

1.2.1 化学强化改性

化学强化改性主要包括化学浆液或溶液浸泡、碳化处理、渗透结晶改性和纳米技术改性。

(1)化学浆液或溶液浸泡

通过使用事先配制的各种化学浆液或溶液，对再生骨料进行浸泡、干燥、渗透等强化处理[14]，填充、修复再生骨料表面及内部微裂纹、孔结构，改善界面过渡区(ITZ)性能，提高密实性，以此提高再生骨料的各项性能。其改性方式主要有三种：

无机化学溶液的强化改性方式。无机化学溶液的物质与再生骨料发生一系列的化学反应，生成具有胶黏性或高强度物质。例如水玻璃[15]可以与裹附砂浆中的Ca(OH)2(CH)反应生成水硬性硅酸钙胶体，硅酸钠溶液自身可水解生成硅酸凝胶并与裹附砂浆的水化产物生成硅酸钙凝胶，聚合硫酸铝可以反应生成CaSO4·2H2O和AFt填充再生骨料表面及内部裂纹的缺陷[16]。

有机化学溶液的强化改性方式。利用有机化学溶液物质较好的黏合力及反应基团活性，填充或抑制孔结构、微裂纹，利用其憎水性，使再生骨料表面形成一层憎水保护膜[17]，降低其吸水率。比较常用的有聚乙烯醇和硅烷偶联剂溶液[18]，但改性过程中由于聚乙烯醇分子较大，需要采用抽真空的方法将其抽入再生骨料内部[19]，否则改性效果不佳。

水泥基材料浆液的强化改性方式。水泥基材料浆液的物质渗透到再生骨料的孔隙、裂缝等缺陷中，通过吸附、水化反应改善再生骨料的结构。如纯水泥浆经由裂缝渗透吸附于再生骨料的孔隙结构并发生水化反应，从而改善再生骨料的内部及表面结构，水泥+硅粉浆、水泥+粉煤灰浆中硅粉与粉煤灰的粒径比水泥小，尤其是硅粉，比水泥粒径小了两个数量级，根据颗粒堆积模型，可以填充于水泥颗粒之间，提高改性再生骨料的致密性，提高其表观密度。此外，硅粉、粉煤灰、新加水泥均有水化活性可以生成新的水化产物，修复、填充再生骨料。其他常见的水泥基浆液还有水泥+Kim粉浆(一种高效抗渗防水剂)、超细颗粒致密体系(DSP)浆[20]以及活性粉末混凝土(RPC)浆[21]、水泥+稻壳灰+高岭土浆[22]等，均能不同程度地改善再生骨料的性能。

(2)碳化处理

利用砂浆中氢氧化钙和硅酸钙可以与CO2反应的机理，Kou等[23]采用浓度高达99%的CO2来强化再生骨料表面附着的砂浆。通过对再生骨料处理前后的物理性能以及再生混凝土的工作性和使用性的对比分析，得出CO2强化处理能改善再生骨料的密度、吸水率和压碎指标，提高再生混凝土的抗压强度，减少干燥收缩，改善抗氯离子渗透性。应敬伟等[24]同样利用CO2碳化机理对再生骨料进行强化处理，改善了再生粗骨料的各项物理性能，使其趋近于天然骨料的性能。

(3)渗透结晶改性

渗透结晶材料(Ca(O-R-OH)2)分子量小，以水为载体，能够快速渗透到再生骨料表面附着的砂浆层以及骨料微裂纹处，可以发生如下反应[25]：

nCa(O-R-OH)2+nCa(O-R-OH)2→2(-O-R-)2n+2nCa(OH)2

(1)

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

(2)

NaSiO3·nH2O+Ca(OH)2+nH2O→CaSiO3·nH2O+2NaOH

(3)

从式(1)～(3)可以看出，渗透结晶材料自身可发生缩聚反应。附着于骨料表层的渗透结晶材料缩聚生成的Ca(OH)2大部分与空气中的CO2反应生成CaCO3填充骨料孔隙，其余的和深入骨料内部空隙的渗透结晶材料缩聚生成物与骨料反应，生成网状体型的无机聚合物填充骨料孔隙。

王海超等[26]将再生骨料经渗透结晶材料处理后发现，其吸水率下降76%，压碎指标下降19%，与天然骨料接近。由改性再生骨料制作的再生混凝土较原再生混凝土的抗压强度明显增高，且随龄期增长，增幅越明显。通过扫描电镜发现，再生骨料经渗透结晶材料处理后，原本粗糙、布满微裂纹的表面变得平滑密实，而且通过骨料的纵深断面图发现，渗透结晶改性不仅发生在骨料表面，而且能深入骨料内部，使骨料内部结构致密化。

(4)纳米技术改性

纳米材料尺寸小、吸附力大、渗透性强、比表面积大、活性原子多。孙跃东等[27]利用硅藻土的纳米物理特性，对再生骨料进行水泥+硅藻土浆液处理强化，不仅改善了再生骨料的表观密度和压碎指标，而且提高了再生混凝土的抗压强度。

朱勇年等[28]将纳米二氧化硅渗入到再生骨料的孔隙及微裂纹内部，使其在孔隙及微裂纹处充分发挥填充和火山灰效应，以此降低孔隙率，已有研究表明此方法可以明显改善再生混凝土的ITZ特性及其力学性能[29]。

单玉川等[30]将纳米硅溶胶掺入再生骨料中，实现了再生骨料的原位强化，有效提高了由强化再生骨料成型的再生混凝土的强度。

1.2.2 基于微生物矿化沉积(MICP)的强化改性

1973年Boquet等[31]发现微生物可以矿化沉积生成方解石(碳酸钙)，这一现象引起了国内外学者的关注。研究发现，微生物矿化沉积过程中，微生物作为结晶核，同时促进方解石结晶，使晶体不断扩大生长，经过长时间的积累，可将其周围的有孔介质填充、黏结形成坚硬整体[32]。

Dick等[33]在劣化石灰石表面运用矿化沉积技术，改善了劣化石灰石表面的毛细吸水现象。自此人们开始将矿物沉积技术运用到再生骨料的改性强化上。Grabiec等[34]通过吸水率对比和SEM分析发现，MICP技术不仅改善了再生骨料的表面状态，而且大幅降低了再生骨料的吸水率。Qiu等[35]研究了再生骨料微生物矿化沉积改性时的影响因素，发现细菌种类、细菌浓度、pH值、温度、骨料特性等对微生物矿化沉积有影响，通过合理控制培养及沉淀条件可以提高再生骨料的微生物矿化沉积率。张晓彤[36]对比研究了好氧菌DSM8715与DSM6307的矿化效果，得出最优菌种为DSM8715。朱亚光等[37-38]使用DSM8715菌种分别对再生粗、细骨料进行改性处理，发现经处理的再生粗、细骨料表面沉积了大量的方型晶体，提高了再生粗、细骨料的表观密度，降低了表面孔隙率、吸水率以及压碎指标。

微生物矿化反应是微生物生命活动的一部分，其生成物为碳酸钙，不仅对环境无污染，耗能低，而且与水泥基材料有良好的相容性。但微生物矿化沉积强化改性是一个缓慢的生命过程，其改性处理时间较长，张晓彤[36]及朱亚光等[37-38]的研究中均将再生骨料浸泡了20 d，如果不缩短处理时长，势必会制约MICP的推广应用。目前，MICP技术在再生骨料强化改性上的研究尚属初级阶段，还有许多方面值得深入研究，例如钙盐的种类和浓度[39]、菌种类型及浓度、环境温度、湿度、培养基类型等。此外，MICP在再生骨料中的应用是跨学科的研究，需要将混凝土科学与微生物科学紧密结合才能克服研究中的障碍，使MICP强化改性再生骨料技术进一步的得以发展。

1.3 多次强化改性

有时候单一的处理方式并不能达到预期，就需要两者或两者以上的方法复合使用，产生“1+1>2”的效果。

陈建良等[40]采用机械研磨和聚乙烯醇、有机硅防水剂浸泡相结合的方法对再生粗骨料进行强化改性。研究发现，物理和化学相结合的处理方法得到的改性再生骨料的物理性能及由其成型的混凝土的耐久性均优于采用单一处理方法的改性再生骨料。

Ismail等[41]首先在低浓度酸液中浸泡再生粗骨料，去除其表面的松散颗粒，然后用硅酸钙溶液浸渍再生粗骨料。结果表明，该方法能显著改善再生粗骨料的物理性能。这是因为硅酸钙溶液在再生粗骨料上提供了一层涂层，而且可以重新填充其表面裂缝和孔隙。此外，在混凝土硬化过程中，再生粗骨料表面的硅酸钙颗粒会起到火山灰效应，加强再生粗骨料与混凝土之间的黏结，从而改善混凝土的微观结构。

李倩倩等[42]采用先煅烧经颗粒整形的再生骨料后球磨的方法，获得了表面干净、圆滑的骨料。王忠星等[43]采用颗粒整形与有机硅烷防水剂浸泡相结合的方法对再生粗骨料进行强化改性。研究发现，在胶材用量不变的情况下，经n(n≥1)次颗粒整形+有机硅烷防水剂改性的再生粗骨料，由其成型的再生混凝土的抗碳化性能均优于天然骨料混凝土，且抗碳化性能与颗粒整形次数正相关。

目前多次强化改性的方法主要有物理+物理、物理+化学、化学+化学，在以后的研究中可以突破现有的组合，针对不同来源的再生骨料可以将物理、化学、生物三者相结合，也可以在同一骨料中选用多种物理或化学方法。如颗粒整形后进行酸洗，再用微生物沉积法进一步强化处理。再生骨料强化改性方法的选择要考虑再生骨料的来源及成型后再生混凝土的各项性能要求，并结合经济性及可行性。

2 改性再生骨料性能评价

2.1 根据骨料来源细分评定标准

不同再生骨料来源，其原生混凝土配合比、强度等不一，而且原生环境的不同可能使其遭受了不同的服役破坏，如碳化、硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀或冻融破坏等，其可改性程度不一，改性效果也参差不齐。

除了在回收过程中分类分级外，改性时也应根据再生骨料情况选择适用的改性方法，以将要制备的再生混凝土性能要求为依据，抓住再生骨料的重点缺陷进行改性前后的评价。

2.2 骨料性能与再生混凝土性能的均衡评价

改性再生骨料作为天然骨料的替代品，其性能指标应参考天然骨料的指标，如含水率、吸水率、压碎指标等。但其最终目的是为了制备出符合设计要求的混凝土，因此，改性再生骨料制备的混凝土的相关性能指标，如工作性能、力学性能、耐久性能也应作为考察其性能的标准。

但事实证明，不同改性方法下，再生骨料的各项物理性能并非同时得到提升，也并非改性再生骨料性能越佳，由其制备的再生混凝土的性能就会越佳。如水泥浆液类改性方法可以明显地提高再生骨料的坚固性，但是吸水率和含水率会偏高；采用DSP浆体对骨料强化改性后提高了骨料的坚固性，但由其拌制的混凝土强度不升反降；相同RPC强化骨料掺量下，“RPC强化骨料+再生骨料”组合明显比“RPC强化骨料+天然骨料”组合的骨料吸水率高，但是由其制备的再生混凝土的抗压强度却相反；硅烷改性再生骨料的物理性能得到了提升，但是由其拌制的再生混凝土强度提高不明显，且发生破坏时骨料易剥离。

因此，建议以再生混凝土使用环境及性能要求为标准，综合经济性、合理性、适用性进行再生骨料的改性效果评价。并非不符合常规性能的改性再生骨料就不可使用，如既然硅烷改性的再生骨料在ITZ区域有易剥离性，可以考虑将其改性的再生骨料用于临时性混凝土建、构筑物的建造使用。

3 结 语

(1)再生骨料强化改性方法有很多，但每种都存在不足之处。对于物理方法，可以考虑减少工艺流程和降低能耗等；对于化学方法，可以考虑价廉、高效、来源方便、节能环保的试剂，一些工业废料等也可以作为选择项；对于微生物沉积方法则应考虑加速其反应进程，缩短强化改性时间。

(2)再生骨料来源广泛、品质参差不齐、离散性大，为了提高其利用率，应制定出有针对性的精细化分类标准并分质利用。针对不同品质来源的再生骨料选择合理的改性方法提高其性能。根据再生混凝土对再生骨料的要求，可以选择单一的改性方法，也可以将物理、化学和微生物改性方法两两或三者结合使用，更好地提高骨料性能。

(3)目前对于再生骨料改性的研究并未考虑其原始混凝土在服役期间是否受到过耐久性破坏，如碳化、硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀或冻融破坏等。但不同地区来源的再生骨料，其原始的地区环境对其产生不同的影响，应该在制定出符合各地区情况的骨料强化改性技术上进行大量的试验和实践。

(4)目前强化效果的评判主要集中于再生骨料的外观、吸水率、压碎指标和表观密度等，而由其成型的再生混凝土的工作性、使用性及耐久性也是应该关注的问题。建议制定强化再生骨料质量标准及检验方法，除了再生骨料的孔隙率、吸水率、压碎指标等，还应结合砂浆或混凝土的力学性能进行评价。

(5)目前国内的建筑垃圾破碎与再生骨料加工处理工艺较为落后，应积极推进建筑垃圾再生循环利用成套工艺及设备的研发与应用，将建筑垃圾的回收、运输、分拣、改性及再生形成一体化系统。