混凝土再生粗骨料制备及强化处理综述研究

栗虎 杨永富 陈哲 韦金城

（1.山东路桥集团有限公司 山东济南 250000；2.山东省交通科学研究院 山东济南 250000）

我国是全球生产与消耗混凝土量最大的国家。长时间以来，天然砂石资源开采过度，导致山体塌方、资源匮乏、河床改道等问题，从而严重影响了自然环境。与此同时，加快城市化进程的发展需求与改化旧城区的过程中均产生了大量的建筑垃圾。据统计，截至2020年，我国由建筑行业产生的垃圾堆存总量达数百亿t，同时，以每年约30亿t的速度增加，占用大量的土地资源，从而导致诸多的环境问题与安全问题频发。许多研究证明，经过一系列处理工序，如破碎、分级加工等，将建筑垃圾的废弃混凝土制备得到再生混凝土骨料，简称再生骨料。减小建筑行业对天然骨料的依赖需求是再生骨料的作用，同时，其也具有重要的社会经济和生态环保意义［1-2］。

因为废弃混凝土品质差异较大，利用简单工艺制备的再生骨料性能差异也较大，不便于再生骨料的推广应用［3-5］。经过上述的加工处理，仅能得到低品质、低质量的再生骨料，并不能满足工程质量要求，需提高再生混凝土性能，进行强化处理后的再生骨料在性能上得到显著提高。废弃混凝土的强度等级上的差异并不会显著影响再生骨料的性能差异，即可以进行再生骨料的质量控制，因而有利于对再生混凝土进行进一步的推广应用［6］。

构成再生粗骨料的成分较为复杂，废弃类成分包括：废弃混凝土块、废弃砂浆块与废弃砖块，此外，还有木材、钢筋等构成成分。目前，对于再生粗骨料的制备与强化处理依情况会有以下几种方法：核心有机械外力破碎、机械外力作用和加热法相结合，以及化学法等。影响再生骨料质量的生产工艺通常为如下3种阶段［7-8］：预处理破碎阶段、强化处理阶段、筛分阶段。本文对目前常见的一些先进制备和强化处理方法进行了梳理和讨论。

1 再生粗骨料的制备方式

1.1 加热振磨法

李根［9］等人研究出加热—振磨法来分离得到粗骨料。首先利用热分析，对界面过渡区的物质进行了详细分析。混凝土中物质成分除了水泥浆体与骨料之外，还有界面过渡区。界面过渡区的形成依靠钙离子、铝离子、硫酸根离子及水分子等物质在水泥水化反应过程中向骨料的周围迁移，发生反应。由于应力集中现象，在热处理对照下，在界面过渡区进行试验研究。随着热处理温度的增加，界面过渡区的微观形貌有着裂纹扩展等现象。最终制得的再生粗骨料除吸水率偏高外，其他指标符合相关规定，具有良好的物理性能。

1.2 加热研磨法

加热研磨法由隋玉武［10］等人提出，加热研磨法的核心是将废弃混凝土颗粒进行加热处理，使附着在原生骨料上的水泥石变脆，即使颗粒本身强度远低于原生骨料，再通过研磨，使废弃混凝土碎块中的原生骨料、砂与水泥石分离，原生粗骨料和砂从水泥石中脱离出来。实验结果表明：首先，加热处理可以影响其产出率，通过检测评价因子可知升温的影响显著，其表现在颗粒粒径为8～16mm的废弃混凝土中尤为明显，当加热温度从20℃增加至600℃时，相应的破碎度从1.18提高到了1.76。在一定范围内，随着温度的增加，粗再生骨料产出率的降低也反映了附着在其他表面的水泥石杂质被研磨的结果。

1.3 热与机械力分离

水中和等人研究了热与机械力对废弃水泥混凝土的结构与性能的影响。研究表明，在500～550℃左右时，热膨胀系数在粗骨料与砂浆之间的差异体现最大，两者接触界面会有弱化作用，利用球磨器械进行碰撞与磨制，将其中的硬化水泥砂浆去除，通过此分离处理，再生骨料符合类似的天然骨料物理性能要求标准。水泥混凝土是一种多相非均质材料，硬化的水泥石、砂浆和粗骨料具有不同的膨胀系数，这种热相容性的差异会对混凝土的高温性能产生一系列的影响。因此，由于混凝土自身材料结构体系的热不相容性和材料结构的机械力变形行为，废弃混凝土中的原状天然集料能够得到分离［11］。

2 再生骨料性能优化方法

2.1 机械强化法

机械强化法本质上是借助外部设备提供的荷载作用，物料之间形成摩擦或者再生骨料与外界之间发生接触撞击，以便去除附着于其表面的水泥砂浆。早些年间，日本主要采用立式偏心研磨装置、磨内研磨法等。何德湛［12］在以上的装置与制备方式的基础上进行试验研究，利用处理装置立式偏心研磨得到的骨料颗粒达标率更高。此类方法的缺点也比较显著：设备机规模庞大、性价比值得衡量、动力能量消耗高等。李秋义等［13］利用颗粒整形方法，颗粒整形过程中可以借助其撞击与摩擦消除表面的水泥砂浆，并且过程中只有物料之间的相互摩擦作用，并无其他杂质掺入，在获得品质质量高的再生混凝土骨料的同时，并没有因设备磨损而导致试验进行低效。随着颗粒整形次数的增多，再生混凝土的抗碳化性能在不断加强［14］。

2.2 湿处理强化法

近年来，欧美国家对再生混凝土骨料的强化研究侧重于湿处理强化。广义上的湿处理过程比较简单，该方法的主要过程是对研究对象首先预处理，初加工，分离、筛除其中的杂质来获得质量较高的骨料。这种处理方法亦相对方便实施，且不容易造成机械研磨过程中产生的大量微粉，同时，对增强界面粘结力有一定的成效［15］。

王玲玲等［16］在拌制再生混凝土之前，对再生混凝土骨料进行简单的预湿处理，此研究认为再生骨料的划分类型为3种：砂浆型、骨料型及混合型。当再生骨料的掺量相对较低时，说明在再生骨料中砂浆型的比例相对较高，使用湿处理的工艺，可以有效地取出其中的杂质；若再生骨料的掺量相对居中时，混合型使得再生骨料的复杂性增大，使用湿处理工艺对于其软化系数提高程度不大；当再生骨料的掺量相对较高时，骨料型成为再生骨料主要类型的概率增加，通过湿处理工艺冲掉再生骨料表面杂质后，同样也可以增强界面连接，使其饱和吸水后强度有所提高。

2.3 微波处理强化

肖建庄、吴磊［17］等人研制出一项较为创新的改性技术运用于再生粗骨材当中，运用微波热循环技术来将再生粗骨材表面无法消除的附着老砂浆消除，用来改善其质量。微波处理强化有着瞬时加热的优势，骨料内外的巨大温差（可达300℃以上）导致外部砂浆脱落，再加上加热后的迅速冷却，使得再生粗骨料内部和外部产生二次温度应力，加速外部旧砂浆的破坏，从而达到对骨料改性的目的。

陈新年和曹东［18-19］等人研究了微波照射对混凝土破坏及其强度的影响，微波辅助机械的再生混凝土骨料剔选利用混凝土骨料与其包裹砂浆体电磁性能参数的差异，实现混凝土体的快速选择性加热，在不同成分形成不同的加热升温和温度应力，进一步造成混凝土内部包裹砂浆体的损伤，并削弱骨料与砂浆体之间的粘结强度，从而有利于降低机械破碎的能耗，提高机械破碎的效率，并获得高品质的再生混凝土骨料［20］。

2.4 化学试剂处理强化

陈建良［21］等人首先通过机械搅拌研磨制备再生粗骨料，并结合化学浸泡处理进行其性能改善处理的研究。试验证明，强化处理明显改善了再生粗骨料的性能，浸泡聚乙烯醇处理过的再生粗骨料各项性能指标有所提高。但对于再生混凝土的抗压强度而言，若采用有机硅防水剂对其进行处理，会有所降低。

杨宁［22］等人使用类别不同的化学试改性方法处理了再生粗骨料，再生粗骨料是通过人工破碎及筛分得到的。最终实验结果表明，当水泥浆分别与矿粉、硅藻土、硅粉结合使用，或纯水泥浆单独使用，均能使再生粗骨料的压碎指标减小，表观密度增加，对于聚乙烯醇外裹水泥法处理过的试样，除了上述效果之外，还可降低再生粗骨料的吸水率。

刘国涛［23］等人取材建筑工地拆除废弃混凝土块，经过一级鄂破及二级球磨破工艺进行加工处理得到再生骨料，测定再生骨料的吸水率，并采用稀盐酸浸泡、化学浆液和水玻璃溶液测定进行3种不同再生骨料表面改性实验。比较试验结果，3 种改性处理方法均能够改善其吸水性能，最终权衡两个方面，即再生骨料吸水率与其表面处理的效率，当10%硅粉在与硅酸盐水泥浆配合处理下，达到最优试验效果。

3 结语

本文简述了目前在我国日益恶化的环境下，建筑垃圾与砂石骨料的处理状况，再生粗骨料的多种多样的制备方式就成为了协同时代的产物。并对再生粗骨料的制备方式，如加热振磨法、加热研磨法等进行简要分析概括，说明其优势与使用情况；对强化处理，如机械强化、湿处理强化等措施进行了梳理和总结分析，对于再生粗骨料的制备工艺及强化处理技术的发展具有借鉴意义。因此，可将天然粗骨料与再生粗骨料相结合，选择合适的替代率，应用至实际工程中，在保证了安全合规的同时，又做到了环保、废弃混凝土再利用。

目前，制备再生骨料的方法种类多，最终效果也不尽相同。大多数情况下，在得到的再生骨料制备产品的表面上，不难看到附着于其上的旧骨料杂质砂浆，这也是当将再生骨料放在天然骨料的衡量要求下时，不能完美达标的重要因素之一，其主要表现为密度较低、吸水率高和耐久性差。正是以上差异的存在，无论是制备再生粗骨料，还是后续的强化处理中，均应多方面考虑各种因素，进而选择适宜材料本身性质的技术方案来保证再生骨料的性能等。