浅谈废弃混凝土机械力化学活化技术

陈佳龙 王 彦 乔月来 姜志炜

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

混凝土的使用年限大概在50～60年，到了规定的使用寿命之后无法再继续服役，而此时对各种混凝土材料构成的建筑物在被拆除之后就会产生大量的废弃混凝土。优质的废弃混凝土块破碎后形成的粗细集料可以投入混凝土的再生产，有着可观的经济效益。并且废弃混凝土的再利用体现了了绿色环保的主题以及物质循环再生这一理念，所以针对废旧混凝土的改造利用也成为了混凝土研究的焦点。早在上世纪20年代机械力化学这一概念就曾被提出，而化学活化的概念则是指通过加入化学激发剂与改性剂等材料去改善粉煤灰的活性。因经过机械力化学作用后可使原料或混合材料的活性增强，所以此工艺在水泥生产以及混凝土活化中也得到了逐渐多的应用。对此法进一步分析与更深入研究可推动废旧混凝土研究与再生混凝土制造等领域的更蓬勃的发展。

1 废弃混凝土

1.1 废弃混凝土研究现状

1）国外研究现状，二战之后，大量的废弃混凝土产生，刺激了日本和德国兴起再生混凝土技术，在1977年，日本建筑业协会颁布了《再生骨料和混凝土使用规范》，随后美国、德国等国家也纷纷颁布草案、规范等，大量学者对废弃混凝土进行着系统性的研究。日本东京大学的YuyaSakai助理教授带领的团队将废弃混凝土与废弃木材结合，提高了混凝土的抗弯折强度的同时，还可以减少废弃混凝土与废弃木材的储存量。并且这种添加了木质素的混凝土或许能在废弃后实现生物降解［1］。韩国的金夏石及其团队在挤压制造混凝土面板的过程中，使用废弃混凝土微粉取代二氧化硅粉，并且对产出的混凝土面板进行了吸收比、长度变化、导热性和耐火性等方面的实验，为废弃混凝土的使用提供了一条可行的道路［2］。加拿大SterlingVanderzee等人使用了一种间接的含水工艺对在混凝土中的碳酸钙进行提取，在省去传统工艺一些步骤的同时同样可以做到百分百回收废弃混凝土中的钙离子，达到目标的同时也提高了生产效率［3］。伊朗Shahrekord大学的一个研究团队将不同的建筑废弃材料按比例进行混合，产出一种再生砂，并且对该再生砂进行了化学性质、吸水率、密度、耐磨性等方面进行了研究。此外，还对使用该砂的不同砂灰比混凝土进行力学性能的研究，拓展了废弃混凝土的用途［4］。可以看出废弃混凝土的使用途径并不狭窄，而真正重要的是寻找最适合最高效的使用方法和途径。

2）国内研究现状，大连理工大学的茅宁通过低温煅烧-水热合成技术进行硅钙制品的制备，有效的回收了废弃混凝土中的钙与硅。该团队通过改变煅烧制度，添加剂的掺量和种类，以及通过热重分析、化学测试、XRD分析等办法，确定了制备CaO最节能、最高效的方法。进一步，通过XRD分析、SEM分析、孔溶液碱度测试，耐水性试验等方法对水热合成制品进行研究，得出了合适的配料比例和环境条件［5］。何健恒等人探寻了不同煅烧温度、不同激发剂配方对废砂浆粉活性的影响，并且确定了最佳温度和最佳配方。进一步，实验研究了废砂浆粉代替部分水泥后，废砂浆粉对混合水泥的影响［6］。郑州大学的张海伟对两种不同粉碎机粉碎的再生骨料进行了研究，并对比现行的骨料指标要求对废弃混泥土路面再生骨料工艺进行了优化。另外，他对再生骨料进行了一系列的力学性能试验，得到再生骨料与天然骨料之间的区别，不同水泥掺量与再生骨料之间的互相影响［7］。

1.2 废弃混凝土再利用的意义

在我国，混凝土作为广泛应用的建筑材料，由其产生的建筑垃圾都多达2亿吨/年。一方面，如果不加以回收利用，其浪费的矿石等材料是巨大，极大程度的损耗了我国的矿石资源。矿石资源作为重要的建筑材料来源，其若发生短缺，势必会影响整个建筑行业，使建筑行业的发展停滞。另一方面，回收的废弃混凝土，不仅可以作为再生骨料，再次投入建筑施工中，而且大量废弃混凝土也可以作为众多工业用品的材料来源，经过提取与加工，其产出的资源可以再次投入生产，发挥其第二次作用，实现资源的再利用。

另外，废弃混凝土对环境的污染也是巨大的，很多地区对废弃混凝土的处理是送往垃圾场进行填埋，浪费了大量的土地资源。同时废弃混凝土不具备生物降解性，上述的处理方式将严重破坏环境。因此，建筑垃圾的合理化处理迫在眉睫。

2 混凝土活化工艺

2.1 混凝土活化的研究现状

青海大学的康晓明研究了在不同的化学激发剂和不同热处理的情况下再生粉末的活性激发效果。在800℃下，球磨30min的状态下，康晓明发现再生粉末利用率可以提高到20%，并且该方式对再生粉末的激发效果也是最好。同时，作者还研究了由再生微粉、粉煤灰、水泥组成的再生砂浆在粉体体系不同的颗粒级配下抗压强度和微观结构［8］。昆明理工大学的李根也对水泥石粉末的机械活化进行了一系列的研究。实验使用超微空气粉磨机对水泥石进行了机械活化，通过改变粉磨的时间，改变粉体活性，同时发现水泥石粉体中的部分物质出现了水化反应活性［9］。广西大学的张小利在其论文中提到，当对废弃混凝土进行化学激发时，传统的激发剂，例如Na2SO4、CaCl2、Ca（OH）2等将不具有激发效果，但F激发剂可促进水泥中物质水化，进而提高废弃混凝土粉的活性［10］。

2.2 混凝土活化的意义

废弃混凝土在回收之后，要经过一系列的处理才能在此投入使用，活化能够改善废弃混凝土内部结构，提升其作再生骨料的质量，同时，一些活化方式能够改变再生粉末中部分物质的性质，使得废弃混凝土的性能发生很大改变。与天然骨料相比，再生粉末不改变水泥需水量，但可以减少水泥的凝结时间。研究表明，当再生微粉以一定比例的掺量代替水泥或粉煤灰时，产生的再生砂浆强度基本大于基准再生砂浆。性能良好的再生砂浆，能够与水泥、粉煤灰及再生骨料形成良好的级配，从而提高再生砂浆的抗压强度［11］。

2.3 常见混凝土活化技术

1）机械力化学活化，机械力化学活化是通过振动磨、气流粉碎机等机器对再生微粉进行粉末活化，使得再生微粉产生结构上的变化，相当于机械能与化学能之间发生转换。此方法也是活化再生微粉最好的办法，在机械力的作用下，微粉逐渐细化，发生结构上的改变，同时其物理化学性质也得到了改变［12］。目前常用的振动破碎式再生机是通过振动力使得旧砂之间相互摩擦，消除其表面的惰性膜，能过让旧砂的物理化学性质与新砂相类似，从而完成废弃混凝土的再利用［13］。超微气流粉碎机是通过向被粉碎物料喷射气体，同样使得物质之间相互摩擦，产生性质上的改变。余小小等人通过实验对比了气流粉碎和振动球磨对再生微粉粒径分布、物相、形貌三个方面的不同影响，发现用气流粉碎制造再生微粉有更高的利用率和更大的利用范围［14］。

2）物理激发，物理激发主要是通过对废弃混凝土进行分拣、过筛、研磨等步骤，通常研磨时会提供较高的温度，提高再生微粉的活性。对于用物理激发的方式激活废弃烧结砖粉，徐如林等人通过实验发现在研磨前期，延长研磨时间对活性激发有明显效果，研磨40分钟后，激发效果增长缓慢［15］。

3）化学激发，化学激发主要是通过加入碱性激发剂，加速再生微粉的水化，传统的激发剂有Na2SO4、CaCl2、Ca（OH）2等，一般机械球磨和化学激发剂一同使用，可以更好的活化再生微粉［16］。

3 机械力化学活化原理

3.1 机械力化学理论与效应

1）机械力化学理论，机械力化学指的是关于固体材料在机械力作用下，由于内部晶体结构发生不规则变化并且出现多相晶形变化，最终导致结晶学性质、物理化学性质、热力学性质等作有规律变化的一门科学。上世纪20年代，德国人Ostwald［17］提出机械力化学这一概念，他从催发化学反应的能量来源方面考虑，以已有的热化学、电化学等为基础，创造性地把由机械能诱发的化学反应称之为机械力化学。

2）机械力化学效应，机械力化学效应根据发生程度的不同，可以分为以下三个层次［18］。①物理效应：物理效应是由于固体物料经机械力作用而出现的。从宏观的角度来看比表面积增大；从微观的角度来看，例如导电性能、催化特性、烧结性能、分散度、吸附性能等等会发生变化。但总而言之，本层次物料不发生化学组成方面的变化，所以依靠物料物理效应增强活性称为机械激活［19］。②结晶状态：粉磨中催发的不定状物使体系的能量聚集，衍生而成的高活性不稳定相是致使粉体结晶状态的主要因素。但是在机械作用产生的能量超过相变所需能量的条件下，就足以使得晶型发生转化。③化学反应：在分子原子水平的相互扩散及其达到不可逆平衡，固体物料间的机械力化学反应将会发生［20］。在固体内部，运动速率和受位错的数量决定了扩散速率。如上文所述，物料在机械力的作用下发生晶格变形增加了位错的数量，从而导致了自发的导向扩散速率的增大。机械粉磨作用也可以促使化学反应的聚集，减少反应物料的间距，及时移走产物，从而催发了机械化学反应的产生。

3.2 晶质二氧化硅的机械力化学效应

固体物料在粉磨过程中发生变形导致其中晶体的晶格畸变，致使部分机械能以晶格畸变能的形式储存于各缺陷处，继而形成机械力化学效应的活化点。据研究表明［21］，晶体缺陷的类型与物料的机械力化学效应的反应速度关系紧密，其对化学反应速度的影响由大到小依次为晶格常数变化、面缺陷、线缺陷、点缺陷。在粉粒体内部储存的能量增加到远远大于单纯缺陷储存的能量条件下，将会出现无定形化。根据上述原理，例如经过粉磨过程，晶质非活性的SIO2（即α一SIO2）会发生矿物相变，先转变为β一SIO2，并随着粉磨时间的延长其表面会受到强烈的破坏，最终转化为非晶态无定形化。

4 废弃混凝土机械力活化再利用

4.1 利用机械力化学活化技术获得再生混凝土的可行性

作为混凝土中的胶凝材料，水泥往往包含较多的粗颗粒。在将粗颗粒粉磨后，其强度将有进一步的提高，从而达到应用的要求；其次经研究，废弃混凝土中硬化浆体所含的水化物在一定温度下会产生脱水现象，脱水后会接近原始材料的组成成分，为其作为原料再利用煅烧水泥熟料提供了基础；另外经探究，粉磨过程中由于外力施加于物料颗粒的能量产生强烈的机械力化学作用，使得反应可在常温下进行，继而使得粉磨合成熟料矿物成为可能。因此将废弃的混凝土材料经过分离、粉磨，经受机械力化学活化作用，达到下面所述应用效果：①作为生产水泥的原材料；②作为水泥的混合材料；③生产低标号砌筑水泥或抹灰水泥；④作为新拌混凝土的细骨料，

4.2 所制再生混凝土力学性能与工作性能

经过试验表明无论是加入助磨剂还是延长粉磨时间，都能够有效地提高对废弃混凝土中晶质二氧化硅的活化程度，从而提高了了再生混凝土的力学性能，如抗压、抗拉抗折强度等。通过机械力化学活化技术制得的再生混凝土无论是技术性能还是力学性能均可达到国家42.5水泥标准，满足GB175-1999要求。

5 结语

废弃混凝土作为建筑垃圾的一种每年都都会大量产出，并且在目前基建建设一直是我国的重点开发项目。所以在能够提高其再利用率方面有着十分广阔的前景，机械力活化工艺在增强材料活性方面有明显的增益效果，特别是在废弃混凝土向再生混凝土转变的过程中所体现。如构成混凝土的材料如粉煤灰等水硬水化活性有待于进一步发掘而且此类材料在早期强度相对不高，但是通过机械力化学活化却可以使其粉磨细度得以提高，并且扩大了其与激发组分之间的接触从而改变结构以增强其水化活性。对此法进行深入的分析研究能对建筑、交通等基建行业的发展进行助力推动，从而在一定程度上推动国民经济的增长。