再生粗骨料的改性方法探析

2021-09-10李永起安徽省建科建设监理有限公司安徽合肥230031

安徽建筑 2021年9期

李永起（安徽省建科建设监理有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

近几十年来，我国基础设施建设飞速发展，新老建筑设施更迭加快，不仅增加了天然骨料的消耗，也同时产生了大量的建筑垃圾。建筑垃圾是指建设单位或施工单位对相应建筑拆除、道路改造等工程所残留下来的碎砖、混凝土、砂浆、桩头、包装材料等废弃物。建筑垃圾危害大，现阶段的主要处理方式还是以堆积和填埋为主，对生态环境和经济建设造成很大的影响。根据《中国建筑垃圾处理行业发展前景与投资战略规划分析报告》统计数据测算，每10000m建筑施工面积平均产生550吨建筑垃圾，截止至2018年，我国的建筑垃圾年产量高达17亿吨，预测到2030年，我国建筑垃圾年产量能上升到70亿吨。就现状而言，我国建筑垃圾资源化率依旧不足10%，而且建筑垃圾产生量逐年增长。若对建筑垃圾破碎、清洗、筛分，尽量使其在形貌上与天然骨料相似，既可以保护自然资源，又能解决建筑垃圾堆放带来的环境污染问题，还能同时替代天然骨料，节约施工成本。因此，加强建筑垃圾回收利用，提高建筑垃圾资源化，是当前科研人员特别关注的问题。肖建庄等总结发现制备再生混凝土可以很好解决建筑垃圾资源化问题，有力的响应了我国的可持续发展战略；施惠生等结合微观与宏观两个层面分析再生骨料的特性，认为再生骨料具有很大的经济效益，并且可以通过工业生产来提高此效益；Eduardo A等通过建立再生混凝土多尺度模型证明了再生混凝土可以降低碳排放，推进建筑行业碳中和，具有很大的环境效益。所以，合理使用再生骨料，符合国家可持续发展和绿色发展理念，建筑垃圾资源化价值发展空间巨大。

1 再生骨料的性能特点

建筑固废在加工处理过程中会产生大量的再生粗骨料，再生细骨料以及再生微粉，只有将这几种再生材料全面利用才能完全达到消除建筑垃圾的目的。宏观上再生骨料颗粒棱角多，表面粗糙，骨料表面附着大量硬化的且孔隙率很大的水泥砂浆，因此较天然骨料具有更大的吸水率。此外，再生粗骨料本身带有大量微裂纹，这些都会降低再生骨料的强度;陈莹等和许岳周等分析研究了再生骨料的基本性能，发现了其高吸水率、高压碎指标、低表观密度的特征，且随着再生骨料粒径的减小，堆积密度降低，吸水率增大。建筑和拆除废物产生的再生混凝土骨料由骨料组成，骨料部分被残余多孔水泥砂浆覆盖，不均匀，密度较低，砂浆和骨料之间的界面过渡区较弱。再生混凝土骨料周围的残余砂浆体积在25%到60%之间变化，具体取决于骨料尺寸。一些研究报告了20%的水泥砂浆附着在粒径为20 mm至30 mm的骨料周围，破碎方法会影响其形状和纹理，以及破碎过程中产生的微小裂纹。砂浆和原始骨料之间约40～50 mm厚的较弱界面过渡区在降低再生混凝土骨料和新拌混凝土之间的粘结强度方面起着重要作用。界面过渡区由大量氢氧化钙（CH）和少量的硅酸钙水合物（C-S-H）（成分与本体相类似）组成，部分由钙矾石（Aft）和硫铝酸盐（Afm）相组成，并具有相对较高的毛细管孔隙率。[由于粘附的砂浆是多孔的，再生混凝土骨料的吸水率相当高，可以从3%到10%不等，而原始骨料的吸水率为1%～5%。人们普遍认为，在再生混凝土骨料中，多孔砂浆、弱界面过渡区、棱角形状和相对于原始骨料的粗糙纹理的存在会对其质量产生不利影响，不适合用于结构混凝土。与原骨料相比，再生混凝土骨料具有较高的吸水率，这导致新拌混凝土的和易性较低，其收缩率、徐变率、强度和耐久性较高，这些限制了其在结构混凝土中的广泛应用。由于上述问题，有必要提高再生混凝土骨料的质量，使其性能与原骨料相比，并符合体积密度、吸水率、抗压强度的试验要求。据观察，砂浆含量低于44%的再生混凝土骨料可用于生产结构混凝土。可持续环境保护主义者和政府组织对提高再生混凝土骨料的质量并将其用作原混凝土的替代品非常感兴趣，因此，已经开展了大量研究，以促进在预拌混凝土和预制混凝土中使用经过处理和质量改进的再生混凝土骨料。研究人员采用了两条主要途径来生产高质量的再生混凝土骨料：①去除骨料颗粒中粘附的旧水泥砂浆；②加固附着的水泥砂浆，使其更坚固、减小孔隙率。基于这两种主要途径，各种研究探索了单独或组合处理方法，以完全消除或部分补偿再生混凝土骨料在再生混凝土中使用的不利影响。文章主要通过研究几种处理方法来去除再生骨料表面的砂浆来达到提高性能的目的。

2 处理方法

对再生骨料的改性研究，便是生产再生混凝土的首要研究问题，常见的再生骨料改性方法主要有机械处理、热处理、化学处理、碳化加强、生物处理等。文章主要探究物理处理和化学处理对再生骨料的改性机理研究。

2.1 物理法

2.1.1 物理研磨

利用颚式破碎机,对建筑废弃混凝土进行破碎，并根据粒径大小，筛分出再生粗骨料、再生细骨料和再生微粉。利用冲击式破碎机采取不同的研磨方式，控制好研磨时间对再生粗骨料进行二次研磨。这种研磨方式能有效去除再生粗骨料表面附着的水泥砂浆体，使得再生粗骨料颗粒形貌得以改善,其外形介于天然卵石和碎石粗骨料,故性能也显著提高。

将再生粗骨料置于冲击式研磨机内选取合适的研磨体进行二次研磨，根据图1的实验数据可知，随着研磨时间的加长，再生骨料表面砂浆被不断除掉，表观密度在逐渐增加，吸水率在不断减小。当研磨时间达到3h时，再生骨料表面变得圆滑，继续研磨已经对再生粗骨料的性能提升不大了。

图1 研磨时间对再生粗骨料的性能影响

2.1.2 热处理

该处理基于在不同温度下加热再生混凝土骨料约2h。热应力产生砂浆和骨料的差异膨胀，从而削弱粘结，而砂浆脱水使其易于分离。由于孔隙和界面过渡区内的蒸汽压力较高，在将再生混凝土骨料热处理之前将其浸泡在水中可提高砂浆去除效率。这种处理方法背后的概念类似于火灾或高温对混凝土表面的影响。

从图2观察到，当再生粗骨料加热到300℃时，附着的砂浆脱水并变脆，而砂浆和骨料之间的粘结因诱导的热应力而断裂。然而，在温度＞500℃时，处理骨料的性能可能会退化，这是由于热膨胀产生内应力，随后骨料中的矿物发生热微开裂和相变。同时发现，当再生粗骨料暴露在600℃～800℃的温度时，骨料会发生降解、分解和质量损失。

图2 烘干温度对再生粗骨料的性能影响

再生粗骨料经过二次研磨和破碎后,将粗骨料中的细粉和易压碎、吸水率较高的骨料都已筛分掉了。再生粗骨料表面附着的水泥砂浆颗粒大大减少,再生粗骨料的吸水率显著降低,而且压碎指标明显降低。随着研磨和破碎的时间延长,粗骨料的棱角减少,表面变得圆滑,再生粗骨料的外形介于天然卵石和碎石粗骨料之间的外形。通过表1发现，在300℃高温烘干2h后进行研磨3h，是更有效的处理方式。

不同处理方式处理后再生粗骨料与原再生粗骨料以及天然骨料对比表1

2.2 化学法

水泥砂浆的水化产物（C-S-H凝胶、Ca（OH）、AFt和AFm相）可溶解在酸溶液中，再生骨料中砂浆的去除效率取决于砂浆孔隙度、骨料性质、酸溶液的选择、酸溶液的摩尔浓度以及处理条件，如处理时间和待处理材料的体积。各种研究表明，盐酸（HCl）、硫酸（HSO）和醋酸（CHO）是溶解和去除水泥砂浆最有效的三种酸。使用HCl和HSO的主要障碍是，在使用更高浓度的这些酸处理后，骨料的氯化物和硫酸盐含量可能会增加，这可能会影响再生混凝土的耐久性。然而，据研究表明，醋酸在去除再生混凝土骨料的残余砂浆方面具有优越性，且不存在这些障碍。醋酸与残余砂浆中的水化产物（即Ca（OH）、C-S-H凝胶和CaCO）反应，并削弱界面过渡区中的键，使砂浆易于移除。与其他酸处理相比，再生混凝土骨料的醋酸处理被认为更安全、更清洁、更便宜。此外，醋酸处理后获得的废泥浆可使用CO平衡转化为“球霰石”，一种CaCO的多晶型物，可添加到混凝土混合物中，以提高其强度和耐久性。

将骨料浸泡在相同浓度不同种类的酸溶液中，在环境温度下浸泡24小时。结果表明，盐酸处理比醋酸处理对于剥离砂浆更有效，考虑到实际工程应用，盐酸剥离方法更有指导意义。L.Wang等人用1%、3%和5%的醋酸溶液处理RCA，持续1、3和5天，以验证最佳处理条件。醋酸与残余砂浆反应生成醋酸钙，也能改善再生粗骨料的性能。并且，不同来源的再生粗骨料本身性能是不同的，H.S.Kim等尝试使用HCl和HSO酸溶液改善花岗岩细再生骨料的质量，因为这些酸对花岗岩骨料的溶解度影响非常小，但是对于石灰岩骨料的损伤却比较大。因此，快速准确的分辨清再生粗骨料的来源，合理的选择处理方式，也是研究人员后续需要解决的问题。