廢棄混凝土再生砂加熱研磨活化技術及性能研究

隋玉武，劉 述，孟光明，歐楚萍

(1.山東建筑大學材料科學與工程學院，濟南 250101；2.山東省綠色建筑協同創新中心，濟南 250101)

0 引 言

含砂建筑材料在建筑工程中用量非常大[1]。砂作為一種重要的無機材料，主要用于制備各類砂漿和混凝土，其在砂漿中用量可達50%，而在常見混凝土中含量約占30%～40%。隨著資源日漸枯竭,天然砂開采受到限制[2]，優質砂已經成為緊俏資源，砂價逐年攀升。

隨著城市化發展，全球建筑廢棄物產量增加[3]。我國現在每年產生超過30 億噸建筑廢棄物，其中四分之一是混凝土廢棄物。常用混凝土是由水泥水化后的水泥石膠結砂、石制備的“人造石”。水泥石和砂、石(細、粗骨料)以物理形式存在，如果能把這些廢棄混凝土中的砂釋放出來，可以獲得較大數量的再生砂。由于再生砂表面殘留水泥石，與天然砂相比，性能不穩定[4-6]，吸水率高，密度低，內部裂隙多，耐磨性和堅固性較低[5,7-10]，用其制備的再生混凝土工作性、力學性和耐久性都較差[5,7]。因此未經改造的再生砂的使用受到了限制[7]，多數用于道路鋪墊層等[8]。近幾年隨著環保意識增強和資源再生利用熱潮到來，混凝土再生骨料研究增多，但多數著眼于再生粗骨料，再生砂的研究相對較少[8]，一些方法制備的再生砂質量也并不理想[9]。

本研究利用加熱研磨活化技術提高廢棄混凝土再生砂質量，并通過試驗驗證加熱研磨法對廢棄混凝土再生砂粒形的改善和表觀密度、吸水率等性能的提高是否可行。

1 試驗機理

水泥混凝土是由水泥通過水化反應生成水泥石，固定粗、細骨料，物理結合形成的堅硬的人造石材。硬化后的混凝土可以簡單地看作由水泥石和骨料兩大部分組成。水泥石、骨料和二者之間的界面過渡區決定著混凝土的性能。混凝土廢棄物經過破碎后形成的再生顆粒，因含有水泥石而使其性能降低，如果去除再生顆粒中的水泥石，再生顆粒的性能就會提高，再生混凝土顆粒的表觀密度和水泥石表觀密度、骨料的表觀密度及水泥石含量有下列關系(式(1))。

(1)

其中：ρ為再生混凝土顆粒的表觀密度，g/cm3;ρ1為再生混凝土顆粒中骨料的表觀密度，g/cm3；ρ2為再生混凝土顆粒中水泥石的表觀密度，g/cm3；α為再生混凝土顆粒中水泥石的含量，%。

從式(1)中明顯得出，水泥石含量越高，再生混凝土顆粒的表觀密度越低。水泥石含量影響混凝土再生粗細骨料的性能。去除混凝土再生砂中的水泥石，是提高其性能的最好辦法。

2 實 驗

采用的廢棄混凝土為實驗室制備的普通混凝土，齡期超過8年。28 d強度最低28.2 MPa，最高51.4 MPa，骨料為礫石或卵石，砂為普通河砂或機制砂。

利用實驗室破碎機對樣品進行破碎，經過篩分制成不同粒級的混凝土顆粒，粒級2～4 mm顆粒利用實驗室加熱爐在200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃下加熱30 min，然后在桶式球磨機中研磨；小于2 mm顆粒直接在球磨機中研磨。經過這樣處理后制成小于4 mm的混凝土再生砂，并對再生砂的真密度、表觀密度、吸水率、粒形和水泥石含量進行檢測。

粒形檢測設備為HAVER CPA4檢測儀，其利用攝像技術對顆粒進行拍照，具體原理如圖1所示[11]。

圖1 HAVER CPA4顆粒形狀和尺寸檢測儀原理圖[11]Fig.1 Diagram of the measure machine HAVER CPA4 for grain size and shape[11]

水泥石含量檢測根據德國標準DIN 52170規定完成，利用鹽酸和水泥石反應的原理滴定檢測，并利用下列公式計算。

(2)

β=1.02×B

(3)

α=1-β

(4)

其中:B為鹽酸作用后未溶解部分含量，%；m1為鹽酸溶解后剩余樣品質量，g；m為樣品總質量，g；α為水泥石含量，%；β為骨料含量，%。

按照德國和歐洲標準DIN EN196要求，用再生砂替代標準砂制備砂漿，并對砂漿流動性和力學性能進行檢測，從而檢測再生砂的性能，表1為歐洲標準砂粒級分布及含量值。

表1 CEN標準砂粒級分布及含量Table 1 Distribution of grain size and content of CEN standard sand

3 結果與討論

3.1 加熱研磨法活化再生砂試驗及影響因素

加熱研磨法中加熱溫度和研磨時間對再生砂表觀密度的影響如圖2所示。由圖可知，加熱和研磨處理共同影響再生砂的活化效果，沒有經過加熱處理的顆粒需要較長時間的研磨，表觀密度才能提高，研磨14 min后表觀密度仍然沒有超過2.50 g/cm3，但經過加熱處理后，再生砂的表觀密度提高較快。在達到相同的表觀密度下，加熱溫度高，需要研磨的時間較短。試驗結果還顯示，2～4 mm再生砂不需要進行高溫處理，在300 ℃加熱后經過11 min研磨就能制備出表觀密度為2.533 g/cm3的再生砂。

圖2 加熱研磨法中加熱溫度和研磨時間對再生砂(2～4 mm)表觀密度的影響Fig.2 Influence of thermal temperature and grinding time on the apparent density of recycled sand (2-4 mm)

圖3 混凝土28 d抗壓強度對再生砂(2～4 mm)表觀密度的影響Fig.3 Influence of 28 d compressive strength of originalconcrete on the apparent density of recycled sand (2-4 mm)

圖4 再生砂(0～0.125 mm)中水泥石含量對其密度的影響Fig.4 Influence of the content of cement paste in recycled sand (0-0.125 mm) on its density

混凝土28 d抗壓強度對再生砂表觀密度的影響如圖3所示。由圖可知，經過300 ℃30 min加熱和11 min研磨處理后，混凝土的28 d強度對再生砂表觀密度的影響并不明顯，原因是加熱研磨活化處理降低了混凝土強度對再生砂的影響。

水泥石含量對再生砂的質量有直接影響，如圖4所示。圖4結果表明，隨著水泥石含量的增加，再生砂的密度會降低，這一結果與式(1)相符。

3.2 再生砂性能研究

加熱研磨法對再生砂質量提高試驗表明，加熱和研磨對再生砂質量都能起到提高作用。利用這一結果，在再生砂制備砂漿試驗中，對廢棄混凝土進行破碎之后，利用大體積的工業烘干箱(最高溫度250 ℃)對2～4 mm顆粒在250 ℃下烘干2 h，然后在桶式球磨機里研磨25 min。0.125～2 mm顆粒沒有進行烘干處理，直接在桶式球磨機里研磨15 min。試驗得到的再生砂性能如表2所示。試驗結果表明,經過活化處理的再生砂，0～0.125 mm細顆粒的含量由未處理之前的3.4%增加到處理后的66.9%，水泥石被研磨細化進入到這個粒級中，再生砂中的粉砂和被研磨的骨料粉體也進入到這個粒級中，因此0～0.125 mm再生砂的水泥石含量由活化前53.8%降低到活化后的35.1%。2～4 mm和0.125～2 mm再生砂經過活化處理后密度得到提高，2～4 mm再生砂吸水率也從5.8%降低到1.5%，水泥石含量從28.2%降低到8.2%。

表2 再生砂基本性能Table 2 Basic properties of recycled sand

經過活化處理后，2～4 mm再生砂的粒形得到優化,如圖5所示，活化前顆粒粒形銳角較多，經過活化后，銳角被研磨，再生砂粒形銳角化降低，這有利于再生砂的流動。

圖5 再生砂(2～4 mm)活化前后粒形變化Fig.5 Change of grain shape of recycled sand (2-4 mm) before and after treatment

再生砂活化前后圖片如圖6所示，從圖中可以看出，活化后1～2 mm和2～4 mm再生砂含有的水泥石量大大降低，外觀已經接近天然砂。

3.3 活化后再生砂制備的砂漿性能研究

活化后再生砂替代標準砂制備砂漿，其流動性受到再生砂的替代量影響,如圖7所示，再生砂中含有水泥石成分，水泥石含量越多，再生砂的比表面積越大，需水量越多，砂漿的流動性降低，當再生砂100%替代標準砂后其流動性降低24.5%。加熱研磨活化處理后水泥石主要以粉體存在于再生砂中，本試驗用再生砂替代標準砂的30%、60%和100%，水泥石粉體含量約占砂漿水泥用量的10%～30%，再生砂替代標準砂的砂漿的流動度變化不是很大。

活化后再生砂制備的砂漿的強度受到水泥石含量的影響如圖8所示，由圖可知，早期抗折強度和抗壓強度隨著再生砂替代量的增加而降低，7 d抗壓強度在再生砂全部替代標準砂后降低18.1%，但是28 d強度隨著再生砂替代量的增加而增加，這是因為再生砂中的水泥石粉體會影響水泥的早期水化，隨著水化時間的增加，適量水泥石粉體能夠在砂漿中起到密實作用[3,12-13]。

圖6 再生砂活化前后外觀圖Fig.6 Pictures of recycled sand before and after treatment

圖7 再生砂替代量對砂漿流動性影響Fig.7 Influence of the replacement of recycled sand on the flowability of mortar

圖8 再生砂替代量對砂漿強度的影響Fig.8 Influence of the replacement of recycled sand on strength of mortar

4 結 論

通過對再生砂加熱研磨活化處理試驗，以及通過再生砂替代標準砂制備砂漿試驗，得出下列結論：

(1)經過加熱研磨法活化處理后，再生砂中的水泥石被研磨成粉體進入到0～0.125 mm粒級中，粗砂質量得到提高，提高加熱溫度和延長研磨時間都有助于水泥石的去除。

(2)水泥石含量對再生砂的性能有直接的影響，2～4 mm粗砂的水泥石含量從28.2%降到8.2%，吸水率從5.8%降低到1.5%；粒級0～0.125 mm密度隨著水泥石含量增加而降低；由于受到加熱研磨活化的影響，混凝土的強度對2～4 mm再生砂活化后質量沒有明顯影響。

(3)活化后再生砂替代標準砂制備砂漿試驗表明，由于再生砂中含有水泥石粉體，砂漿的流動性受到影響，隨著替代量增加，流動性降低，砂漿前期強度降低，但28 d強度明顯增加。

加熱研磨法把水泥石研磨成粉體進入再生砂的細顆粒中(0～0.125 mm)，從而提高再生砂中粗砂的性能，其質量接近天然砂。再生砂加熱研磨活化需要較低的加熱溫度和較短的研磨時間，是一種很有市場推廣前景的高質量混凝土再生砂制備技術。