建筑垃圾再生骨料的宏微观表征及物化特性研究

2021-02-03杜嘉宝黄语新黄钰程

四川水泥 2021年2期

孙飞杜嘉宝高强魏鹏黄语新黄钰程＊

（1.江苏建院营造股份有限公司，江苏苏州 215000；2.苏州大学，江苏苏州 215131；3.University of Wisconsin-Madison, Madison City, U.S.A.）

0 引言

近年来随着我国城镇化、现代化建设的不断推进，大幅度加快建筑业的发展的同时，不仅造成了建筑垃圾的日益增加，资源的严重消耗和建筑垃圾的大量排放也随之而来。

根据统计结果显示，废弃旧建筑总体积的大约七成会随着拆除成为建筑垃圾。除此之外，一般混凝土结构建筑物的使用年限约为 50～100年，如今大量建于上世纪的建筑物开始损坏废弃，一个混凝土结构建筑物的破坏高峰期正在到来。老旧、废弃建筑物的损坏拆除产生的建筑垃圾不仅会占用大量耕地、污染土壤和地下水源，粉尘污染也会对人们正常生活造成极大影响。建筑垃圾主要由混凝土块、砂浆块等各种混合物构成，如果能够经过合理的工业处理，完全可以实现废料的循环再利用，甚至有可能缓解建筑行业天然骨料日益匮乏的局面。建筑垃圾的处理与再利用逐渐成为一个热点话题，国内外学者也广泛开展了对于建筑垃圾再生骨料的研究。

1 再生骨料的研究背景及研究内容

1.1 研究背景

前苏联于 1946年便注意到废弃混凝土能否二次利用的问题，二战后以美国、日本为代表的一些国家的学者也相继展开对已废弃混凝土二次利用的研究，并将取得的研究成果推广应用于实体工程中，我国对于废弃混凝土的有效处理与循环利用的研究开展较晚。总体来看，再生骨料的物理性能与天然骨料相比虽然较差，但是通过一些有效的处理手段也能一定程度上提高再生骨料的使用性能，且其来源广、数量大、造价低，是一种比较理想的低配制、中等强度的再生材料，可广泛用于道路、市政和房屋建筑等工程。

1.2 再生骨料宏微观表征及物化特性研究

对于再生骨料来说，级配问题在很大程度上影响甚至决定了再生混凝土的强度、耐用性、和易性等特性。骨料的级配问题即颗粒尺寸以及粒级配比的问题，级配应该追求更小的空隙率，以保证密实度。

由于再生骨料相较于天然骨料不仅组成成分含有砂浆、建筑材料等成分，而且由于再生骨料所属的原混凝土建筑在经历了多年的碳化、物理挤压、化学腐蚀、温差变化等作用，给混凝土微观结构带来较大变化。在再生骨料制作的破碎过程中，机械的挤压、冲击和研磨等物理作用也会对再生骨料内部结构带来很大程度的影响，形成许多微观裂缝。因此目前对于再生骨料的研究已不再局限于再生骨料原有的物化特性。在现有的因再生骨料材料来源、破碎方式、再生骨料替代率、水灰比等因素对再生骨料混凝土抗压强度、抗裂能力、抗渗能力等方面影响所做研究的基础上，学者们利用一些现代仪器例如扫描电子显微镜（SEM）进行对再生骨料微观层面的细致观察，进行对再生骨料存在微小裂缝与孔隙问题的解决与研究，如图1。利用XRD技术对再生骨料及其各种改性条件下的化学成分分析，进而从微观的角度得到不同改性条件对再生骨料性能的改进机理。

图1 再生骨料表面孔隙与裂缝的微观图像

2 基本试验及测试标准

建筑垃圾的性能测试主要从骨料颗粒级配、针片状颗粒含量、含泥量、表观密度、堆积密度、密实密度、空隙率、吸水率和压碎指标等方面进行试验测试。再生骨料中硬化水泥石的含量和裂缝的数量主要通过表观密度和吸水率反映，再生骨料的级配情况以及粒形的好坏主要通过堆积密度和密实密度反映。再生骨料的基本物理特性如表1所示[1,2]。

表1 再生骨料物理指标

种类压碎值% 针片状颗粒含量% 含水量% 含泥量% 24h吸水率%天然骨料 5.6 2.8 0.2 0.6 0.6再生骨料 13.6 2.22 2.5 2.5 5.3

3 建筑垃圾再生骨料的宏观表征

3.1 再生骨料的粒径分类

我国根据粒径大小为标准将再生骨料分为再生粗骨料与再生细骨料,见表2。

表2 再生骨料分类表

3.2 再生骨料的级配

不同粒径的再生骨料颗粒按照一定的配比方式组成的配比组成称为再生骨料的级配。再生骨料的级配能够在很大程度上影响到再生混凝土的拌合物流动性以及再生混凝土的坍落度、抗压强度、抗折强度等物理化学特性。良好的级配也能够在一定程度上弥补再生骨料相对于自然骨料的性能劣势。

图3 再生粗骨料级配曲线

图4 再生细骨料级配曲线

4 建筑垃圾再生骨料的微观机理

由于再生骨料所属的原混凝土建筑在经历了多年的碳化、物理挤压、化学腐蚀、温差变化等作用对混凝土微观结构带来的较大变化以及在再生骨料破碎过程中，机械的挤压、冲击和研磨等物理作用会对再生骨料内部结构带来很大程度的影响，导致再生骨料形成许多微观裂缝。因此，对利用不同种类改性材料进行改性的再生混凝土进行及时、全方面的微观观察能够帮组我们更好地了解、分析并改善再生骨料的使用性能提供了极大帮助。天然骨料混凝土、再生骨料混凝土及经3mol/L硫酸处理的再生骨料混凝土中的新砂浆中气孔较少，质地比较密实，而再生骨料混凝土断面上的再生骨料旧附着砂浆存在较多直径在200微米左右的孔隙[3]。刘陵庆等人通过SEM观察发现再生集料的高吸水率主要由于其表面的裂缝与孔隙造成，由于这些裂缝和空隙的存在也使其强度变得更低。有机硅树脂的改性为再生骨料的表面覆盖了一层有机硅树脂膜，弥补了大量原本存在于再生骨料上的裂缝与孔隙，大大改良了再生骨料的使用性能[4]。郭其杰等人不仅研究了利用有机硅树脂改性，还将水玻璃与硅烷偶联剂加入到对比试验中去，对比图像见图 5。研究结果表明：水玻璃对再生骨料的改性结果不明显，其表面仍然存在许多裂缝与孔隙；硅烷偶联剂对再生骨料的改性效果相似于有机硅树脂，但其在再生骨料表面形成的膜更薄，所以其改性效果低于有机硅树脂[5]。

图5 利用不同方法改性后的图像对比

龙初等人对三种不同材料进行改性后的RAC(RAC,NS-RAC-3,NL-RAC-1)形貌特征进行 SEM观测(NS-纳米硅溶胶、NL-纳米CaCO3)发现在RAC中存在一些疏松的区域；而对于NL-RAC，老砂浆上存在一些纳米粒子，界面结构变得更加密实，但仍可见一些轻微裂缝；而NS-RAC的结构更加致密，未发现裂缝与孔隙。表明纳米尺寸的硅溶胶能在一定程度上进入再生骨料混凝土界面过渡区参与化学反应，有效改进界面过渡区孔隙结构并强化其界面性能。其中水化产物和纳米粒子填充了孔隙。对于纳米材料 CaCO3（NL），由于其容易产生闭聚，仅能通过物理填充弥补孔隙，所以改性效果不理想[6]。

5 建筑垃圾再生骨料的物化特性

5.1 再生骨料的表观密度

相较于天然骨料，再生骨料的表观密度更低。因为再生骨料在制作过程中，其表面的硬化水泥砂浆无法彻底清除，而水泥砂浆的孔隙率大于天然岩石。但大多数经过处理的在建筑垃圾再生骨料的表观密度均大于规范要求的2500kg/m3。

5.2 再生骨料的堆积密度及空隙率

再生骨料的堆积密度相较于天然骨料较低，但空隙率较高。我国相关规范对于骨料的松散堆积密度其最低值为1350kg/m3，空隙率不应高于42%，对于大多数再生骨料均满足此要求。但由于各粒级堆积密度存在差异，往往表现出颗粒越大堆积密度越高，空隙率越低的特点。

5.3 圆柱体抗渗性能

抗渗性能反映了再生混凝土抗渗试验所能承受的最大水压力，孙晓瑜等人以0.1MPa为梯度每隔8小时递增，取0.2MPa为初始水压对7组试块进行试验，数据表明再生混凝土抗渗性能较好。从7组试件的渗水高度看出再生粗骨料混凝土可以达到普通混凝土工程中对抗渗性指标的要求，试验结果未出现透水现象[7]。

5.4 再生混凝土的抗裂性能

混凝土的抗裂性能是衡量混凝土性能的一项关键指标，大多数混凝土结构的破坏都是由最初的裂缝引起。除此之外由于再生骨料在长期的侵蚀作用以及破碎时挤压作用下其自身存在大量细微裂缝与孔隙，也更加决定了再生混凝土抗裂性能的重要性。

卢科周通过研究发现，再生骨料替代率为60%时，混凝土的开裂程度最低，且开裂程度随着替代率变化的趋势在该点处呈现出转折点趋势[8]。胡天安发现掺入再生粗骨料后，混凝土早期开裂单位面积上总开裂面积明显增大，早期抗裂能力明显降低；随着再生粗骨料替代率的提高，单位面积总开裂面积呈现出先增大后变小的趋势[9]。

5.5 建筑垃圾再生骨料的XRD分析

刘陵庆等人利用 XRD对再生集料进行矿物成分分析结果表明再生骨料的主要成分为碳酸钙和硅、铝、铁、钙等元素的氧化物[4]。李庚英等人利用XRD对天然玄武岩骨料（NCA）、水洗的再生骨料（WJ-RCA）、先后用稀硫酸和氢氧化钙饱和溶液清洗的再生骨料（SJ-RCA）以及先用水清洗再用水灰比为0.5的水泥浆液包裹的再生骨料（CJ-RCA）共4种试件进行再生骨料表面的XRD图谱分析，结果见图6。他们发现天然玄武岩主要由CaCO3和SiO2组成且SiO2远远比CaCO3要多。在不同处理工艺下，再生骨料的峰值高度仍存在差异，主要表现为利用清水处理的试件其最高峰值SiO2远高于第二峰值CaCO3。SJ处理的试件，其化学组成发生了明显变化，CaCO3的峰值超过了SiO2。采用CJ处理的试件类似于前者，CaCO3的峰值均有了大幅度的提高并且超过了SiO2[10]。