建筑垃圾再生骨料的宏微觀表征及物化特性研究

孫 飛 杜嘉寶 高 強 魏 鵬 黃語新 黃鈺程＊

（1.江蘇建院營造股份有限公司， 江蘇 蘇州 215000；2.蘇州大學， 江蘇 蘇州 215131；3.University of Wisconsin-Madison, Madison City, U.S.A.）

0 引言

近年來隨著我國城鎮化、現代化建設的不斷推進，大幅度加快建筑業的發展的同時，不僅造成了建筑垃圾的日益增加，資源的嚴重消耗和建筑垃圾的大量排放也隨之而來。

根據統計結果顯示，廢棄舊建筑總體積的大約七成會隨著拆除成為建筑垃圾。除此之外，一般混凝土結構建筑物的使用年限約為 50～100年，如今大量建于上世紀的建筑物開始損壞廢棄，一個混凝土結構建筑物的破壞高峰期正在到來。老舊、廢棄建筑物的損壞拆除產生的建筑垃圾不僅會占用大量耕地、污染土壤和地下水源，粉塵污染也會對人們正常生活造成極大影響。建筑垃圾主要由混凝土塊、砂漿塊等各種混合物構成，如果能夠經過合理的工業處理，完全可以實現廢料的循環再利用，甚至有可能緩解建筑行業天然骨料日益匱乏的局面。建筑垃圾的處理與再利用逐漸成為一個熱點話題，國內外學者也廣泛開展了對于建筑垃圾再生骨料的研究。

1 再生骨料的研究背景及研究內容

1.1 研究背景

前蘇聯于 1946年便注意到廢棄混凝土能否二次利用的問題，二戰后以美國、日本為代表的一些國家的學者也相繼展開對已廢棄混凝土二次利用的研究，并將取得的研究成果推廣應用于實體工程中，我國對于廢棄混凝土的有效處理與循環利用的研究開展較晚。總體來看，再生骨料的物理性能與天然骨料相比雖然較差，但是通過一些有效的處理手段也能一定程度上提高再生骨料的使用性能，且其來源廣、數量大、造價低，是一種比較理想的低配制、中等強度的再生材料，可廣泛用于道路、市政和房屋建筑等工程。

1.2 再生骨料宏微觀表征及物化特性研究

對于再生骨料來說，級配問題在很大程度上影響甚至決定了再生混凝土的強度、耐用性、和易性等特性。骨料的級配問題即顆粒尺寸以及粒級配比的問題，級配應該追求更小的空隙率，以保證密實度。

由于再生骨料相較于天然骨料不僅組成成分含有砂漿、建筑材料等成分，而且由于再生骨料所屬的原混凝土建筑在經歷了多年的碳化、物理擠壓、化學腐蝕、溫差變化等作用，給混凝土微觀結構帶來較大變化。在再生骨料制作的破碎過程中，機械的擠壓、沖擊和研磨等物理作用也會對再生骨料內部結構帶來很大程度的影響，形成許多微觀裂縫。因此目前對于再生骨料的研究已不再局限于再生骨料原有的物化特性。在現有的因再生骨料材料來源、破碎方式、再生骨料替代率、水灰比等因素對再生骨料混凝土抗壓強度、抗裂能力、抗滲能力等方面影響所做研究的基礎上，學者們利用一些現代儀器例如掃描電子顯微鏡（SEM）進行對再生骨料微觀層面的細致觀察，進行對再生骨料存在微小裂縫與孔隙問題的解決與研究，如圖1。利用XRD技術對再生骨料及其各種改性條件下的化學成分分析，進而從微觀的角度得到不同改性條件對再生骨料性能的改進機理。

圖1 再生骨料表面孔隙與裂縫的微觀圖像

2 基本試驗及測試標準

建筑垃圾的性能測試主要從骨料顆粒級配、針片狀顆粒含量、含泥量、表觀密度、堆積密度、密實密度、空隙率、吸水率和壓碎指標等方面進行試驗測試。再生骨料中硬化水泥石的含量和裂縫的數量主要通過表觀密度和吸水率反映，再生骨料的級配情況以及粒形的好壞主要通過堆積密度和密實密度反映。再生骨料的基本物理特性如表1所示[1,2]。

表1 再生骨料物理指標

種類 壓碎值% 針片狀顆粒含量% 含水量% 含泥量% 24h吸水率%天然骨料 5.6 2.8 0.2 0.6 0.6再生骨料 13.6 2.22 2.5 2.5 5.3

3 建筑垃圾再生骨料的宏觀表征

3.1 再生骨料的粒徑分類

我國根據粒徑大小為標準將再生骨料分為再生粗骨料與再生細骨料,見表2。

表2 再生骨料分類表

3.2 再生骨料的級配

不同粒徑的再生骨料顆粒按照一定的配比方式組成的配比組成稱為再生骨料的級配。再生骨料的級配能夠在很大程度上影響到再生混凝土的拌合物流動性以及再生混凝土的坍落度、抗壓強度、抗折強度等物理化學特性。良好的級配也能夠在一定程度上彌補再生骨料相對于自然骨料的性能劣勢。

圖3 再生粗骨料級配曲線

圖4 再生細骨料級配曲線

4 建筑垃圾再生骨料的微觀機理

由于再生骨料所屬的原混凝土建筑在經歷了多年的碳化、物理擠壓、化學腐蝕、溫差變化等作用對混凝土微觀結構帶來的較大變化以及在再生骨料破碎過程中，機械的擠壓、沖擊和研磨等物理作用會對再生骨料內部結構帶來很大程度的影響，導致再生骨料形成許多微觀裂縫。因此，對利用不同種類改性材料進行改性的再生混凝土進行及時、全方面的微觀觀察能夠幫組我們更好地了解、分析并改善再生骨料的使用性能提供了極大幫助。天然骨料混凝土、再生骨料混凝土及經3mol/L硫酸處理的再生骨料混凝土中的新砂漿中氣孔較少，質地比較密實，而再生骨料混凝土斷面上的再生骨料舊附著砂漿存在較多直徑在200微米左右的孔隙[3]。劉陵慶等人通過SEM觀察發現再生集料的高吸水率主要由于其表面的裂縫與孔隙造成，由于這些裂縫和空隙的存在也使其強度變得更低。有機硅樹脂的改性為再生骨料的表面覆蓋了一層有機硅樹脂膜，彌補了大量原本存在于再生骨料上的裂縫與孔隙，大大改良了再生骨料的使用性能[4]。郭其杰等人不僅研究了利用有機硅樹脂改性，還將水玻璃與硅烷偶聯劑加入到對比試驗中去，對比圖像見圖 5。研究結果表明：水玻璃對再生骨料的改性結果不明顯，其表面仍然存在許多裂縫與孔隙；硅烷偶聯劑對再生骨料的改性效果相似于有機硅樹脂，但其在再生骨料表面形成的膜更薄，所以其改性效果低于有機硅樹脂[5]。

圖5 利用不同方法改性后的圖像對比

龍初等人對三種不同材料進行改性后的RAC(RAC,NS-RAC-3,NL-RAC-1)形貌特征進行 SEM觀測(NS-納米硅溶膠、NL-納米CaCO3)發現在RAC中存在一些疏松的區域；而對于NL-RAC，老砂漿上存在一些納米粒子，界面結構變得更加密實，但仍可見一些輕微裂縫；而NS-RAC的結構更加致密，未發現裂縫與孔隙。表明納米尺寸的硅溶膠能在一定程度上進入再生骨料混凝土界面過渡區參與化學反應，有效改進界面過渡區孔隙結構并強化其界面性能。其中水化產物和納米粒子填充了孔隙。對于納米材料 CaCO3（NL），由于其容易產生閉聚，僅能通過物理填充彌補孔隙，所以改性效果不理想[6]。

5 建筑垃圾再生骨料的物化特性

5.1 再生骨料的表觀密度

相較于天然骨料，再生骨料的表觀密度更低。因為再生骨料在制作過程中，其表面的硬化水泥砂漿無法徹底清除，而水泥砂漿的孔隙率大于天然巖石。但大多數經過處理的在建筑垃圾再生骨料的表觀密度均大于規范要求的2500kg/m3。

5.2 再生骨料的堆積密度及空隙率

再生骨料的堆積密度相較于天然骨料較低，但空隙率較高。我國相關規范對于骨料的松散堆積密度其最低值為1350kg/m3，空隙率不應高于42%，對于大多數再生骨料均滿足此要求。但由于各粒級堆積密度存在差異，往往表現出顆粒越大堆積密度越高，空隙率越低的特點。

5.3 圓柱體抗滲性能

抗滲性能反映了再生混凝土抗滲試驗所能承受的最大水壓力，孫曉瑜等人以0.1MPa為梯度每隔8小時遞增，取0.2MPa為初始水壓對7組試塊進行試驗，數據表明再生混凝土抗滲性能較好。從7組試件的滲水高度看出再生粗骨料混凝土可以達到普通混凝土工程中對抗滲性指標的要求，試驗結果未出現透水現象[7]。

5.4 再生混凝土的抗裂性能

混凝土的抗裂性能是衡量混凝土性能的一項關鍵指標，大多數混凝土結構的破壞都是由最初的裂縫引起。除此之外由于再生骨料在長期的侵蝕作用以及破碎時擠壓作用下其自身存在大量細微裂縫與孔隙，也更加決定了再生混凝土抗裂性能的重要性。

盧科周通過研究發現，再生骨料替代率為60%時，混凝土的開裂程度最低，且開裂程度隨著替代率變化的趨勢在該點處呈現出轉折點趨勢[8]。胡天安發現摻入再生粗骨料后，混凝土早期開裂單位面積上總開裂面積明顯增大，早期抗裂能力明顯降低；隨著再生粗骨料替代率的提高，單位面積總開裂面積呈現出先增大后變小的趨勢[9]。

5.5 建筑垃圾再生骨料的XRD分析

劉陵慶等人利用 XRD對再生集料進行礦物成分分析結果表明再生骨料的主要成分為碳酸鈣和硅、鋁、鐵、鈣等元素的氧化物[4]。李庚英等人利用XRD對天然玄武巖骨料（NCA）、水洗的再生骨料（WJ-RCA）、先后用稀硫酸和氫氧化鈣飽和溶液清洗的再生骨料（SJ-RCA）以及先用水清洗再用水灰比為0.5的水泥漿液包裹的再生骨料（CJ-RCA）共4種試件進行再生骨料表面的XRD圖譜分析，結果見圖6。他們發現天然玄武巖主要由CaCO3和SiO2組成且SiO2遠遠比CaCO3要多。在不同處理工藝下，再生骨料的峰值高度仍存在差異，主要表現為利用清水處理的試件其最高峰值SiO2遠高于第二峰值CaCO3。SJ處理的試件，其化學組成發生了明顯變化，CaCO3的峰值超過了SiO2。采用CJ處理的試件類似于前者，CaCO3的峰值均有了大幅度的提高并且超過了SiO2[10]。

圖6 不同處理方式下再生骨料的XRD圖譜

6 結論

通過總結之前諸多專家學者對于再生骨料性能及其改性后性能的研究報告，主要得出以下結論：

（1）本文主要綜述了建筑垃圾再生骨料的宏微觀表征及其物化特性，再生骨料雖然較天然骨料各項性能均較差，但可經過一些適當的加工處理大大改善再生骨料的各項性能并應用于實際工程中。

（2）良好的級配也能夠在一定程度上彌補再生骨料相對于自然骨料的性能劣勢，通過化學反應引起原有界面的微觀結構變化往往能夠對再生混凝土的改性起到有效的作用。

（3）再生骨料表面的硬化水泥砂漿，會很大程度上影響再生骨料的表觀密度及壓碎指標，再生骨料在制作過程中造成內部的輕微裂縫與孔隙則會使吸水率變高。