再生骨料的不同強化處理方法綜述

李維東

（湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北武漢 430068）

0 引言

隨著建筑行業的高速發展和持續壯大，因新建和拆除建筑所產生的建筑垃圾日益增多。目前，中國每年有將近20 億噸的建筑垃圾排放。目前建筑垃圾最常見的處置方式仍采用較為粗獷的處理方式——掩埋，這不僅占用土地資源，經雨水浸淋后還污染水體和土壤，危害人類健康。因此建筑垃圾的資源化處置顯得尤為重要。將廢棄混凝土，廢黏土磚、廢加氣塊及廢玻璃等破碎成顆粒狀用做水泥基材料中的骨料是目前的熱點研究方向。在過去的幾十年里，將建筑垃圾回收作為再生骨料使用在環境保護、資源循環方面有一定的優勢。廢棄混凝土的有效再利用一方面能大大減少城市固體廢棄物的排放量，緩解環境壓力；另一方面也能為建材行業提供原材料，解決資源緊張的問題。但是由建筑垃圾破碎后制備的再生骨料的性能遠不如天然骨料，必須經過強化處置后才能大量取代天然骨料在混凝土中應用。

本文首先對再生骨料微觀缺陷進行詳細回顧，之后概括了各種強化再生骨料性能的處理方式，在此之后對各種方法的處置效果進行分析總結。

1 再生骨料的微觀缺陷

通常再生骨料包含原始骨料、附著砂漿以及附著砂漿和原始骨料之間界面過渡區。再生骨料的差異性主要取決于附著砂漿的品質和附著量。再生骨料中的原始骨料雖然本質上就是天然骨料，但是進過幾道破碎工序之后，其原始骨料表面或者內部也可能因受到外部荷載而出現裂紋或裂縫，造成微觀缺陷，影響其使用。再生骨料中砂漿附著量在25%～70%之間，其主要影響因素為混凝土來源、強度等級、破碎工藝、粒徑分布及測試方法。而附著砂漿的品質則主要受水泥強度等級、原始骨料特性、水膠比等因素影響。同樣地附著砂漿是再生骨料的薄弱區，首先是其包裹在外層，更容易在破碎過程中受到機械性損傷。至于界面過渡區，其脆弱性就不用累述。值得注意的是，微裂縫以及砂漿和原始骨料之間的薄弱連接處是很難調控的。與天然骨料相比，再生骨料的密度相對較低、而吸水率和較壓碎值和壓碎值較高，這些特性是不利于其應用的。

2 再生骨料性能的不同強化處理方法

2.1 酸泡法

酸泡法實質上是一種化學處置方法，但是因為其在再生骨料處置方法中占據重要的地位，因此單獨介紹。酸泡法是指利用鹽酸、硫酸等強酸性或醋酸等弱酸性溶液浸泡再生骨料，通過其與水化產物發生化學反應，進而溶蝕附著砂漿強化表面、縮短老舊界面過渡區，降低空隙率的工藝[1]。酸泡法能使表面光滑，增強再生骨料混凝土新生界面的密室程度，改善混凝土的再生骨料混凝土的品質。Bayati 報道0.1mol/L 的醋酸和鹽酸浸泡能將再生粗骨料的孔隙率由13.56%降低至13.06%和13.34%，空隙率降低的幅度分別為3.69%和1.62%[2]。Ramli 的研究結果表明，酸溶液的濃度是影響酸泡法成功與否的關鍵性因素，過高的濃度反而產生易碎和破裂的顆粒甚至溶蝕掉原始骨料表面[3]。姜越川[4]利用鹽酸溶液對再生骨料進行處理，實驗結果證實鹽酸溶液處置有利于吸水率的降低，這對改善混凝土的和易性是有益的。

2.2 物理強化

物理強化是指通過外界機械力的作用，使再生骨料彼此相關作用或者再生骨料與外界作用，以求將再生骨料表層的附著砂漿去除，從而對骨料進行二次顆粒整形，或者施加其他物理作用（如解熱、電磁波、超聲清洗）于再生骨料。值得注意的是再生骨料在機械力的作用下，部分再生骨料顆粒發生破碎，這可能對顆粒級配產生不良影響。反復破碎法、球磨機研磨法、立式偏心研磨法、加熱研磨法等方法是目前國內外的主流方法。反復破碎工藝可制備具更低孔隙率、吸水率和更高密度的再生骨料，這表明破碎過程對再生骨料的質量有著顯著影響。詹翔宇[5]發現通過高速旋轉的偏心輪對再生骨料進行整形，可將附著砂漿磨掉，從而使得骨料的表面更加光滑，從而強化再生骨料的特性。Choid[6]等人采用加熱方式處置再生骨料，使得水泥砂漿表面的溫度迅速升高，從而使得表面硬化的漿體發生分解，能夠顯著提高再生骨料的剝離率。物理整形方法的重點和難點在于設計并制造相適應的機械設備，目前國內的處置設備功能較為單一，破碎建筑垃圾尚能滿足要求，整形再生骨料則還有很長的研發道路要走。

2.3 化學強化

廣義上來講，凡是采用化學試劑對再生骨料進行處置，利用化學原理強化其特性的方法都可以稱之為化學強化法。化學強化法的優勢在于其基本上不影響再生骨料的級配，其缺點是對再生骨料的表觀密度和吸水率效果相對較差。目前化學強化的主要方法是摻聚合物溶液、有機硅防水劑、水泥漿液、外摻摻合料的水泥漿液以及水玻璃溶液等。Shi 等[7]采用PVA 乳液對再生骨料進行涂覆，因為PVA 乳液是一種水溶性聚合物，能降低新生界面過渡區的水灰比，因此可增強水泥漿體和再生骨料之間的連接強度。另有研究表明被再生骨料表層吸附的PVA 乳液可使Ca（OH）2晶體的活性位點失活阻礙Ca（OH）2晶體的進一步生長，取而代之的是C-S-H 凝膠的生長。硅基聚合物包括硅烷、硅氧烷。硅基聚合物不僅能填充再生骨料表面的孔隙，而且還能和Ca（OH）2反應生成一層疏水膜覆蓋在再生骨料表面[8]。而添加硅酸鈉則有利于這兩種硅基聚合物發生水解作用，進一步密實再生骨料。化學強化法的強化機理應采用的化學試劑而千差萬別，有些化學試劑是滲入到再生骨料表面孔隙和裂縫中，起到的是一個封堵作用，從而強化表面；有的試劑能在骨料表面形成完成的膜層，從而降低孔隙率；至于水泥漿裹在再生骨料表面則是利用其水化硬化形成堅硬的外殼，從而起到強化作用。

2.4 生物強化

生物強化又稱作生物沉積法，主要是利用特定微生物新陳代謝產生碳酸鈣封堵再生骨料表面孔隙和裂紋。研究表明，微生物可以通過三價鐵還原、反硝化作用、尿素水解和硫酸鹽還原等4種方式誘導碳酸鈣沉積。有研究表明微生物礦化反應生成的碳酸鈣，可以很好地與水泥基材料相容，能夠修復再生骨料的表面裂縫，提高再生骨料的性能。錢春香[9]等人利用尿素水解的方式誘導微生物方解石沉積，產脲酶菌通過新成代謝產生脲酶，在脲酶的作用下，尿素發生水解作用，可以使得生成的碳酸鈣發生沉積。Qiu[10]研究微生物沉積碳酸鈣對再生骨料的影響，研究表明，通過控制培養的溫度、細菌濃度和鈣源濃度，有利于碳酸鈣的增加，結果表明，提高再生骨料的吸水率，改善了再生骨料的力學性能。國內還有學者利用微生物礦化沉積對再生骨料進行生物強化，研究表明，生物沉積法能將再生骨料的孔隙平均直徑由0.8μm 降低至0.5μm，與未處置的再生骨料相比，其總的孔隙率降低12.5%。生物強化法的重點和難點在于微生物的培育，這是一項浩大而漫長的工程。

2.5 表面碳化

因為再生骨料表層上的附著砂漿中富含水化產物的特性，采用二氧化碳氣氛對再生骨料進行加速碳化養護的方法，其碳化產物可以表面填充孔隙。影響表面碳化的效率的主要因素有：再生骨料的粒徑、二氧化碳濃度及分壓、骨料表面預潤濕程度、潤濕溶液的種類等。

3 結論與展望

雖然目前處理再生骨料的方法種類繁多，但是仍沒有哪一種方法得到了廣泛的應用，這主要是各種處置方法有著固有缺陷性。以酸泡法為例，盡管該法能有效溶蝕掉再生骨料表面的附著砂漿，但是該方法需要消耗大量的酸性試劑，這些酸性試劑的生產可能本身就是一個高能耗、高資源消耗的過程，因此該法是不經濟的。另外酸泡法無法回避的問題是廢液的產生又會導致二次污染。物理強化方法適合于大規模推廣應用，但是目前缺少成熟的專用設備，值得關注的是關于物理強化處置的利和弊，目前尚有爭論。主要是物理方法容易導致再生骨料產生二次損失，誘導裂紋/裂縫形成。化學強化法涉及的化學試劑種類繁多，和酸泡法一樣，存在二次污染問題，且清洗不徹底殘留的化學成分對混凝土的品質容易產生干擾。生物強化的最大弊端是處置周期過長，生產效率嚴重滯后。

因此如何高效、低能耗、環保地處置再生骨料，使其性能得到強化仍是未來需要重點攻關的技術問題。當然，再生骨料的處置也不僅僅局限于技術層面，還涉及國家宏觀規劃的引導、政策法律的約束、行業的管理、經濟的發展等因素。