建筑廢棄物超細粉在混凝土中的應用研究現狀

孫躍東，趙相虎，王申寧，陳昭赫，劉　鋒，武連明，李傳水

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2.棗莊市金星爆破有限公司，山東 棗莊 277116)

建筑廢棄物超細粉在混凝土中的應用研究現狀

孫躍東1，趙相虎1，王申寧1，陳昭赫1，劉鋒1，武連明2，李傳水2

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2.棗莊市金星爆破有限公司，山東 棗莊 277116)

摘要：將建筑廢棄物加工為超細粉摻加到混凝土中，是建筑廢棄物再生利用的有效途徑，能夠促進建筑業的節能、環保、綠色和可持續發展，具有良好的社會效益、環境效益和經濟效益。總結建筑廢棄物超細粉的生產工藝和作用機理，比較國內外不同研究者將建筑廢棄物超細粉摻入混凝土中對混凝土拌合物工作性能、力學性能、耐久性能影響的研究，指出建筑廢棄物超細粉在研究和應用中存在的問題，為今后的研究工作提供參考。

關鍵詞：建筑廢棄物超細粉；混凝土；性能；生產工藝；作用機理；研究現狀

隨著我國城市改擴建規模的不斷加大以及社會主義新農村建設的快速推進，大量舊建筑物和構筑物的拆除產生了大量的混凝土、磚、石、砂漿和瓦塊等建筑廢棄物。據住建部預計，到2020年中國還將新建住宅300億m2，由此產生的建筑廢棄物至少達到50億t[1]。目前，建筑廢棄物大部分采用傳統方式處置，不僅占用大量土地，而且還會對環境和人身安全造成很大危害[2]。另外，混凝土的大量生產需要大量開采優質天然砂石資源，造成自然環境的嚴重惡化。

建筑廢棄物加工成再生骨料來代替天然砂石生產混凝土方面的研究已較多，但將建筑廢棄物加工成比表面積大于400 m2/kg的超細粉末來代替水泥或作為摻合料制備混凝土方面的研究還不夠成熟。本文對建筑廢棄物超細粉(只含有磚粉的稱為超細磚粉，只含有混凝土粉的稱為廢棄混凝土粉，含有多種成分的稱為建筑垃圾粉)在混凝土中應用的研究現狀進行總結，分析其研究和應用中存在的問題，為今后的研究工作提供參考。

1建筑廢棄物超細粉的生產工藝

目前建筑廢棄物超細粉的應用仍處于研究階段，還沒有專門的生產加工工藝。以往試驗采用的建筑廢棄物超細粉的來源主要有：在顆粒整形強化技術中由除塵器收集起來的，產量約為原料質量的15%[3]；廢棄混凝土→鐵錘一次粗破碎→二次破碎至最大粒徑不超過20 mm的顆粒→球磨機碾磨細度合格→試驗用[4]；再生骨料破碎、篩分等過程中產生的，約占再生骨料質量的10%左右[5]。以往試驗用的建筑廢棄物超細粉數量較少，生產工藝各異，沒有形成批量生產。山東科技大學和棗莊市金星爆破有限公司合作，對現有的破碎、篩分和磨細設備進行改造，生產了部分建筑廢棄物超細粉用于試驗研究。該生產工藝流程(圖1)主要包括：①預分揀階段。將建筑廢棄物人工或用篩分機分離出廢料，再用履帶式移動破碎機進行初級破碎，用磁選機分離出鐵片、鋼筋，風選分離臺分離出輕質雜物；②破碎階段。用顎式破碎機二次破碎成30～40 mm的碎塊；③碾磨階段。傳送到磨粉機的轉筒內，使其相互碰撞、摩擦、碾磨成粉末；④集粉階段。用風機、選粉機和集粉器進行選粉、集粉，得到符合要求的建筑廢棄物超細粉顆粒。建筑廢棄物及加工后的建筑廢棄物超細粉見圖2。

圖1　建筑廢棄物超細粉生產工藝流程圖

圖2　建筑廢棄物超細粉

2建筑廢棄物超細粉對混凝土的作用機理

對于建筑廢棄物超細粉在混凝土中的作用機理，一些研究者進行了試驗研究和理論分析，現將得出的成果歸納如下。

1)微集料填充效應。混凝土可以視為連續的顆粒堆積體系，水泥顆粒之間的間隙由更細的石灰石粉顆粒來填充，一部分可以起到填充骨架的作用，使得混凝土的級配更加合理，進而改善了混凝土的各項使用性能[6-7]。

2)形貌效應。石灰石粉顆粒表面光滑，形貌效應較好，球形顆粒在水泥顆粒間可以起到“滾珠”的作用，增加了混凝土拌合物的流動性，因此在滿足同樣的混凝土工作性能前提下可減少用水量，從而提高強度[8-9]。

3)加速效應。適當摻量的石灰石粉能充當水化硅酸鈣(calcium silicate hydrate,CSH)的成核基體，降低成核位壘，加速水泥水化。加速效應有利于混凝土早期強度[10-12]。

4)活性效應。石灰石粉和水泥中的鋁相反應生成具有一定膠凝能力的碳鋁酸鹽復合物，該效應對混凝土的后期強度有貢獻[11-12]。

目前對于建筑廢棄物超細粉對混凝土的作用機理研究還沒有形成權威性結論，不少學者還提出了其他作用機理，如分散效應[8]、微晶核效應[9]和比重效應[13]等。

3超細磚粉在混凝土中的應用研究

將廢磚加工成超細磚粉部分取代混凝土中水泥或作為摻合料的研究在國內外都很少。Heikal[14]、葛智[15-16]、潘磊[17]、石正國[18]、王功勛[19]等通過試驗研究了超細磚粉對混凝土各項性能的影響，研究表明超細磚粉在混凝土中的應用是可行的，既可節約天然砂石、降低混凝土生產成本，同時也為廢磚的再生利用提供了有效途徑。

3.1超細磚粉對混凝土拌合物工作性能的影響

超細磚粉摻入混凝土中部分取代水泥或作為摻合料，充分發揮其“比重效應”、“微集料填充效應”和“分散效應”，對改善混凝土拌合物的工作性能有一定影響。

鄭麗等[15]研究了廢黏土磚粉部分取代水泥對混凝土拌合物坍落度的影響，磚粉細度相同時，混凝土拌合物的坍落度隨著磚粉取代率的增加而降低；磚粉取代率相同時，混凝土的坍落度隨著磚粉細度的減小而降低。毋雪梅等[20]得出了類似的結論。

潘磊[17]研究了單摻陶瓷拋光磚粉對混凝土拌合物工作性能的影響：當陶瓷拋光磚粉摻量低于10%時，可有效改善混凝土的工作性能，而當摻量高于10%時，混凝土的坍落度隨著摻量的提高而不斷降低。石正國等[18]得出了類似的結論，但認為摻量應控制在20%以內。

王功勛等[19]對比測試了拋光磚粉與粉煤灰作混凝土摻合料對其拌合物工作性能的影響：拋光磚粉與粉煤灰復摻，在不影響混凝土黏聚性和保水性的同時，具有較好的流動性。

目前對于混凝土中摻入超細磚粉的研究工作主要集中在超細磚粉取代的成分、摻量和不同細度對混凝土拌合物工作性能(坍落度、流動性、黏聚性和保水性)的影響。一般認為摻入超細磚粉可以提高混凝土的坍落度和流動性，混凝土拌合物的坍落度隨著磚粉取代率的增加而降低，最佳摻量為10%～20%。

3.2超細磚粉對混凝土力學性能的影響

超細磚粉摻入混凝土中部分取代水泥后，充分發揮了其“微集料填充效應”，對提高混凝土的力學性能有一定影響。

葛智等[16]研究了廢黏土磚粉部分取代水泥對混凝土力學性能的影響，摻加廢黏土磚粉的再生混凝土強度與普通混凝土相差不大，甚至高于純水泥混凝土；廢黏土磚粉對混凝土抗折強度影響較小。

潘磊[17]研究了單摻陶瓷拋光磚粉對混凝土抗壓強度的影響，混凝土抗壓強度隨著磚粉摻量的增加先提高后降低，最佳摻量為10%。毋雪梅等[20]得出了類似的結論，摻20%廢棄磚粉可提高抗壓強度，超過30%時抗壓強度有所降低，而石正國[18]認為摻量應控制在20%以內。

目前對于混凝土中摻入超細磚粉的研究工作主要集中在超細磚粉取代的成分和摻量對混凝土力學性能(抗壓強度和抗折強度)的影響。一般認為摻入少量超細磚粉可以提高混凝土的抗壓強度，混凝土的抗壓強度隨著磚粉取代率的增加而降低，最佳摻量為10%～20%。

3.3超細磚粉對混凝土耐久性能的影響

超細磚粉摻入混凝土中部分取代水泥后，其“微集料填充效應”對改善混凝土的耐久性能有一定作用。

葛智等[16]研究了廢黏土磚粉部分取代水泥對混凝土收縮性能的影響，摻加廢黏土磚粉的混凝土收縮值明顯小于普通混凝土，磚粉的細度越細，混凝土的收縮值越小。

石正國等[18]研究了摻有陶瓷拋光磚粉混凝土的耐久性能，摻加5%、10%的陶瓷拋光磚粉的混凝土吸水率和氣體滲透系數都有所降低，當摻量超過15%時，隨著摻量的增加，混凝土的吸水率和氣體滲透系數都逐漸增加；摻加5%～15%的陶瓷拋光磚粉可有效降低混凝土的滲透深度和氯離子擴散系數，當摻量超過20%時，混凝土的滲透深度和氯離子擴散系數大大提高。

目前對于混凝土中摻入超細磚粉的研究工作主要集中在超細磚粉取代的成分、摻量和不同細度對混凝土耐久性能(收縮、吸水率、氣體滲透系數、滲透深度和氯離子擴散系數)的影響。一般認為摻入少量超細磚粉可以改善混凝土的耐久性能，混凝土的耐久性能隨著磚粉取代率的增加而變差，最佳摻量為10%～20%。

綜上所述，超細磚粉摻入混凝土中部分取代水泥的摻量在10%～20%時，可有效改善混凝土的工作性能(坍落度、流動性、黏聚性、保水性)、力學性能(抗壓強度、抗折強度)、耐久性能(收縮、吸水率、氣體滲透系數、滲透深度和氯離子擴散系數)。

4建筑垃圾粉在混凝土中的應用研究

建筑垃圾粉具有一定的活性，將其摻入混凝土中替代部分水泥或粉煤灰，可降低混凝土生產成本，消耗大量建筑垃圾，減少天然資源的耗用。目前的研究主要集中在建筑垃圾粉對混凝土的坍落度、抗壓強度、收縮和膨脹等方面，并取得了一定的成果。

4.1建筑垃圾粉對混凝土拌合物工作性能的影響

建筑垃圾粉摻入混凝土中取代部分水泥后，由于建筑垃圾粉具有顯著的“微集料填充效應”，且吸水性比水泥大，可改善混凝土拌合物的工作性能。

寧夏大學的馬純滔[5]等研究了建筑垃圾粉對混凝土拌合物工作性能的影響，當水膠比不變，建筑垃圾粉總摻量相同時，隨著廢磚粉含量的增加，混凝土的坍落度逐漸變大；當高效減水劑摻量不變時，建筑垃圾粉總摻量增加，會使混凝土的黏聚性變好。

李建勇等[21]研究了建筑垃圾粉的摻量對不同強度等級混凝土工作性能的影響，使用建筑垃圾粉會降低混凝土拌合物的流動性。

目前對于混凝土中摻入建筑垃圾粉的研究工作主要集中在建筑垃圾粉的各成分含量、取代成分、水膠比和高效減水劑摻量對混凝土拌合物工作性能(坍落度、黏聚性和流動性)的影響。一般認為建筑垃圾粉中廢磚粉含量的增加會提高混凝土的坍落度，且隨著建筑垃圾粉摻量的增加，混凝土拌合物的黏聚性變好，流動性降低。

4.2建筑垃圾粉對混凝土力學性能的影響

建筑垃圾粉摻入混凝土中取代部分水泥后，由于建筑垃圾粉吸水性比水泥大，使得混凝土的抗壓強度稍有降低。

馬純滔等[5]研究了建筑垃圾粉對混凝土抗壓強度的影響，混凝土的28 d抗壓強度最大的影響因素是建筑垃圾粉中廢磚粉的含量和水膠比，且隨著磚粉含量和水膠比的增大而減小。

李建勇等[21]研究了建筑垃圾粉的摻量對混凝土抗壓強度的影響，在15%的摻量水平下，各齡期的抗壓強度均能維持在所對應的基礎混凝土的抗壓強度80%～90%的范圍內。

目前對于混凝土中摻入建筑垃圾粉的研究工作主要集中在建筑垃圾粉的各成分含量、取代的成分、摻量和水膠比對混凝土抗壓強度的影響。一般為了保證混凝土的抗壓強度降低量不超過20%，建筑垃圾粉摻量不應超過15%。

4.3建筑垃圾粉對混凝土耐久性能的影響

建筑垃圾粉摻入混凝土中完全替代粉煤灰后，充分發揮了其“微集料填充效應”和“活性效應”，對改善混凝土的耐久性能有一定作用。

李建勇[21]等研究了建筑垃圾粉完全替代粉煤灰對不同強度等級混凝土的耐久性能的影響，建筑垃圾粉完全替代粉煤灰后，混凝土的綜合耐久性能優異，建筑垃圾粉可以作為礦物摻合料用來制備C60以下各等級的大流動性能混凝土。

目前對于混凝土中摻入建筑垃圾粉的研究工作主要集中在建筑垃圾粉取代的成分對不同強度等級混凝土耐久性能(抗水滲透性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能、抗凍融性能、抗硫酸鹽侵蝕性能)的影響。一般認為建筑垃圾粉完全替代粉煤灰可以改善C60以下各等級的大流動性能混凝土的耐久性能。

綜上所述，建筑垃圾粉可以摻到混凝土中代替部分水泥或粉煤灰，但摻量應控制在15%內。

5廢棄混凝土粉在混凝土中的應用研究

目前一些研究人員對摻有廢棄混凝土粉的混凝土的工作性能、力學性能和耐久性能進行對比研究，發現混凝土的各項性能不僅沒有降低，反而得到了改善。可見，該研究成果的應用不僅可以減少對天然砂石的開采，而且可以使大量廢棄混凝土得到資源化利用。

5.1廢棄混凝土粉對混凝土拌合物工作性能的影響

廢棄混凝土粉摻入混凝土中取代部分水泥后，由于廢棄混凝土粉具有顯著的“微集料填充效應”和“形貌效應”，對改善混凝土拌合物的工作性能有一定作用。

馬純滔[5]等在多種因素不變的條件下與普通混凝土進行對比試驗，隨著廢棄混凝土粉替代率的增加，混凝土的坍落度逐漸提高，流動性逐漸增大。錢大行等[22]得出了類似的結論。

毋雪梅等[20]用廢棄混凝土粉作礦物摻和料取代部分水泥制備混凝土，廢棄混凝土粉的加入使混凝土的坍落度略有降低，但不會對混凝土的坍落度及工作性能帶來不利影響。

目前對于混凝土中摻入廢棄混凝土粉的研究工作主要集中在廢棄混凝土粉取代的成分和摻量對混凝土拌合物工作性能(坍落度、流動性)的影響。一般認為摻入廢棄混凝土粉可以提高混凝土拌合物的坍落度和流動性。

5.2廢棄混凝土粉對混凝土力學性能的影響

廢棄混凝土粉摻入混凝土中取代部分水泥后，由于廢棄混凝土粉具有顯著的“微集料填充效應”、“微晶核效應”和“活性效應”，對改善混凝土的力學性能有一定影響。

毋雪梅等[20]研究者的試驗表明，廢棄混凝土粉代替20%水泥和15%砂的混凝土28 d抗壓強度略有提高，長期強度仍有增加；廢棄混凝土粉取代30%水泥的混凝土28 d抗壓強度降低幅度并不大，180 d長期強度幾乎沒有降低。

馬純滔等[5]的試驗表明，隨著廢棄混凝土粉替代率的增加，混凝土7，28 d抗壓強度雖呈現下降的趨勢，但當摻量不超過20%時，抗壓強度仍高于對比組。錢大行等[22]得出了類似的結論。

目前對于混凝土中摻入廢棄混凝土粉的研究工作主要集中在廢棄混凝土粉取代的成分和摻量對混凝土力學性能(抗壓強度)的影響。一般認為摻入少量廢棄混凝土粉可以提高混凝土的力學性能，最佳摻量為20%左右。

5.3廢棄混凝土粉對混凝土耐久性能的影響

廢棄混凝土粉摻入混凝土中取代部分水泥后，廢棄混凝土粉的“微集料填充效應”對改善混凝土的耐久性能有一定影響。

劉小艷等[23]研究試驗表明，摻礦粉和廢棄混凝土粉的混凝土28 d干縮變形均低于基準混凝土，粒徑越細小的廢棄混凝土粉摻入混凝土后，混凝土的干縮變形越小。

目前對于混凝土中摻入廢棄混凝土粉的研究工作主要集中在廢棄混凝土粉取代的成分和不同細度對混凝土耐久性能(干縮)的影響。一般認為摻入廢棄混凝土粉可以降低混凝土的干縮變形，粒徑越小，降低作用越大。

綜上所述，廢棄混凝土粉摻入混凝土中部分取代水泥的摻量不超過20%時，可有效改善其工作性能(坍落度、流動性)、力學性能(抗壓強度)和耐久性能(干縮變形)。

6存在的問題

1)建筑廢棄物超細粉生產加工工藝復雜

目前對建筑廢棄物超細粉沒有形成批量的工業化生產，導致其生產加工工藝復雜，影響了相關試驗研究和應用，若形成批量的工業化生產，需要一套能夠專門批量生產建筑廢棄物超細粉的生產工藝。

2)試驗結果離散性大且研究不夠深入

不同研究者關于同一個問題得出的結論有較大差別，甚至相反，這是因為試驗標準不統一造成的，如：試驗材料不同；建筑廢棄物超細粉的細度或混凝土強度等級不同。另外，建筑廢棄物超細粉取代部分砂子，或同時取代部分石子和砂子，摻入混凝土后對混凝土的早期抗裂、抗凍、抗水滲透、抗氯離子滲透、受壓徐變、抗碳化和抗硫酸鹽侵蝕等各項性能影響的研究還不夠深入。

3)微觀結構和作用機理研究不夠透徹

微觀結構和作用機理研究不夠透徹，需要采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)等技術進一步研究摻有建筑廢棄物超細粉混凝土的微觀結構，從化學反應的角度進一步研究其作用機理，為建筑廢棄物超細粉的相關國家標準或行業標準的制訂以及在混凝土中的應用提供理論基礎。

7結束語

建筑廢棄物的再生利用已成為一項迫切需要解決的課題，將建筑廢棄物處理成超細粉摻加到混凝土中代替水泥或作為摻合料的研究尚不成熟。目前的研究還處于實驗室研究階段，要達到實際工程應用還有很多工作要做，如建筑廢棄物超細粉生產設備和工藝需要完善，試驗方法和標準需要統一，微觀結構和作用機理需要更深入的研究等。

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(責任編輯：呂海亮)

Current Research Status on Application of Ultra-fine Recycled Building Materials Powder in Concrete

SUN Yuedong1,ZHAO Xianghu1,WANG Shenning1,CHEN Zhaohe1,LIU Feng1,WU Lianming2,LI Chuanshui2

(1.College of Civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,Qingdao, Shandong 266590,China;2.Zaozhuang Jinxing Blasting Co.Ltd,Zaozhuang,Shandong 277116,China)

Abstract:As an effective way of construction waste recycling,processing the construction waste into ultra-fine powder and adding it to concrete can promote the energy saving,environmental protection and sustainable development of construction industry,bringing about good social,environmental and economic benefit.By summarizing the production process and mechanism of ultra-fine recycled building materials powder and comparing studies conducted by researchers at home and abroad on its influence on the working properties,mechanical properties,durability of the concrete admixture,this paper points out the existing problems of ultra-fine recycled building materials powder in both research and application so as to provide reference for future research work.

Key words:ultra-fine recycled building materials powder;concrete;properties;production process;mechanism;current research status

收稿日期：2015-05-21

基金項目：國家自然科學基金項目(51208289)；山東省科技惠民計劃項目(2014KJHM0212)

作者簡介：孫躍東(1962—)，男，山東梁山人，教授，博士，主要從事混凝土結構基本理論與應用、再生混凝土材料和結構性能、結構工程鑒定與加固、特種結構等方面的教學和研究工作.E-mail：sunyd1236@126.com

中圖分類號：TU528

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)01-0054-07