淺談廢棄混凝土機械力化學活化技術

陳佳龍 王 彥 喬月來 姜志煒

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

混凝土的使用年限大概在50～60年，到了規定的使用壽命之后無法再繼續服役，而此時對各種混凝土材料構成的建筑物在被拆除之后就會產生大量的廢棄混凝土。優質的廢棄混凝土塊破碎后形成的粗細集料可以投入混凝土的再生產，有著可觀的經濟效益。并且廢棄混凝土的再利用體現了了綠色環保的主題以及物質循環再生這一理念，所以針對廢舊混凝土的改造利用也成為了混凝土研究的焦點。早在上世紀20年代機械力化學這一概念就曾被提出，而化學活化的概念則是指通過加入化學激發劑與改性劑等材料去改善粉煤灰的活性。因經過機械力化學作用后可使原料或混合材料的活性增強，所以此工藝在水泥生產以及混凝土活化中也得到了逐漸多的應用。對此法進一步分析與更深入研究可推動廢舊混凝土研究與再生混凝土制造等領域的更蓬勃的發展。

1 廢棄混凝土

1.1 廢棄混凝土研究現狀

1）國外研究現狀，二戰之后，大量的廢棄混凝土產生，刺激了日本和德國興起再生混凝土技術，在1977年，日本建筑業協會頒布了《再生骨料和混凝土使用規范》，隨后美國、德國等國家也紛紛頒布草案、規范等，大量學者對廢棄混凝土進行著系統性的研究。日本東京大學的YuyaSakai助理教授帶領的團隊將廢棄混凝土與廢棄木材結合，提高了混凝土的抗彎折強度的同時，還可以減少廢棄混凝土與廢棄木材的儲存量。并且這種添加了木質素的混凝土或許能在廢棄后實現生物降解［1］。韓國的金夏石及其團隊在擠壓制造混凝土面板的過程中，使用廢棄混凝土微粉取代二氧化硅粉，并且對產出的混凝土面板進行了吸收比、長度變化、導熱性和耐火性等方面的實驗，為廢棄混凝土的使用提供了一條可行的道路［2］。加拿大SterlingVanderzee等人使用了一種間接的含水工藝對在混凝土中的碳酸鈣進行提取，在省去傳統工藝一些步驟的同時同樣可以做到百分百回收廢棄混凝土中的鈣離子，達到目標的同時也提高了生產效率［3］。伊朗Shahrekord大學的一個研究團隊將不同的建筑廢棄材料按比例進行混合，產出一種再生砂，并且對該再生砂進行了化學性質、吸水率、密度、耐磨性等方面進行了研究。此外，還對使用該砂的不同砂灰比混凝土進行力學性能的研究，拓展了廢棄混凝土的用途［4］。可以看出廢棄混凝土的使用途徑并不狹窄，而真正重要的是尋找最適合最高效的使用方法和途徑。

2）國內研究現狀，大連理工大學的茅寧通過低溫煅燒-水熱合成技術進行硅鈣制品的制備，有效的回收了廢棄混凝土中的鈣與硅。該團隊通過改變煅燒制度，添加劑的摻量和種類，以及通過熱重分析、化學測試、XRD分析等辦法，確定了制備CaO最節能、最高效的方法。進一步，通過XRD分析、SEM分析、孔溶液堿度測試，耐水性試驗等方法對水熱合成制品進行研究，得出了合適的配料比例和環境條件［5］。何健恒等人探尋了不同煅燒溫度、不同激發劑配方對廢砂漿粉活性的影響，并且確定了最佳溫度和最佳配方。進一步，實驗研究了廢砂漿粉代替部分水泥后，廢砂漿粉對混合水泥的影響［6］。鄭州大學的張海偉對兩種不同粉碎機粉碎的再生骨料進行了研究，并對比現行的骨料指標要求對廢棄混泥土路面再生骨料工藝進行了優化。另外，他對再生骨料進行了一系列的力學性能試驗，得到再生骨料與天然骨料之間的區別，不同水泥摻量與再生骨料之間的互相影響［7］。

1.2 廢棄混凝土再利用的意義

在我國，混凝土作為廣泛應用的建筑材料，由其產生的建筑垃圾都多達2億噸/年。一方面，如果不加以回收利用，其浪費的礦石等材料是巨大，極大程度的損耗了我國的礦石資源。礦石資源作為重要的建筑材料來源，其若發生短缺，勢必會影響整個建筑行業，使建筑行業的發展停滯。另一方面，回收的廢棄混凝土，不僅可以作為再生骨料，再次投入建筑施工中，而且大量廢棄混凝土也可以作為眾多工業用品的材料來源，經過提取與加工，其產出的資源可以再次投入生產，發揮其第二次作用，實現資源的再利用。

另外，廢棄混凝土對環境的污染也是巨大的，很多地區對廢棄混凝土的處理是送往垃圾場進行填埋，浪費了大量的土地資源。同時廢棄混凝土不具備生物降解性，上述的處理方式將嚴重破壞環境。因此，建筑垃圾的合理化處理迫在眉睫。

2 混凝土活化工藝

2.1 混凝土活化的研究現狀

青海大學的康曉明研究了在不同的化學激發劑和不同熱處理的情況下再生粉末的活性激發效果。在800℃下，球磨30min的狀態下，康曉明發現再生粉末利用率可以提高到20%，并且該方式對再生粉末的激發效果也是最好。同時，作者還研究了由再生微粉、粉煤灰、水泥組成的再生砂漿在粉體體系不同的顆粒級配下抗壓強度和微觀結構［8］。昆明理工大學的李根也對水泥石粉末的機械活化進行了一系列的研究。實驗使用超微空氣粉磨機對水泥石進行了機械活化，通過改變粉磨的時間，改變粉體活性，同時發現水泥石粉體中的部分物質出現了水化反應活性［9］。廣西大學的張小利在其論文中提到，當對廢棄混凝土進行化學激發時，傳統的激發劑，例如Na2SO4、CaCl2、Ca（OH）2等將不具有激發效果，但F激發劑可促進水泥中物質水化，進而提高廢棄混凝土粉的活性［10］。

2.2 混凝土活化的意義

廢棄混凝土在回收之后，要經過一系列的處理才能在此投入使用，活化能夠改善廢棄混凝土內部結構，提升其作再生骨料的質量，同時，一些活化方式能夠改變再生粉末中部分物質的性質，使得廢棄混凝土的性能發生很大改變。與天然骨料相比，再生粉末不改變水泥需水量，但可以減少水泥的凝結時間。研究表明，當再生微粉以一定比例的摻量代替水泥或粉煤灰時，產生的再生砂漿強度基本大于基準再生砂漿。性能良好的再生砂漿，能夠與水泥、粉煤灰及再生骨料形成良好的級配，從而提高再生砂漿的抗壓強度［11］。

2.3 常見混凝土活化技術

1）機械力化學活化，機械力化學活化是通過振動磨、氣流粉碎機等機器對再生微粉進行粉末活化，使得再生微粉產生結構上的變化，相當于機械能與化學能之間發生轉換。此方法也是活化再生微粉最好的辦法，在機械力的作用下，微粉逐漸細化，發生結構上的改變，同時其物理化學性質也得到了改變［12］。目前常用的振動破碎式再生機是通過振動力使得舊砂之間相互摩擦，消除其表面的惰性膜，能過讓舊砂的物理化學性質與新砂相類似，從而完成廢棄混凝土的再利用［13］。超微氣流粉碎機是通過向被粉碎物料噴射氣體，同樣使得物質之間相互摩擦，產生性質上的改變。余小小等人通過實驗對比了氣流粉碎和振動球磨對再生微粉粒徑分布、物相、形貌三個方面的不同影響，發現用氣流粉碎制造再生微粉有更高的利用率和更大的利用范圍［14］。

2）物理激發，物理激發主要是通過對廢棄混凝土進行分揀、過篩、研磨等步驟，通常研磨時會提供較高的溫度，提高再生微粉的活性。對于用物理激發的方式激活廢棄燒結磚粉，徐如林等人通過實驗發現在研磨前期，延長研磨時間對活性激發有明顯效果，研磨40分鐘后，激發效果增長緩慢［15］。

3）化學激發，化學激發主要是通過加入堿性激發劑，加速再生微粉的水化，傳統的激發劑有Na2SO4、CaCl2、Ca（OH）2等，一般機械球磨和化學激發劑一同使用，可以更好的活化再生微粉［16］。

3 機械力化學活化原理

3.1 機械力化學理論與效應

1）機械力化學理論，機械力化學指的是關于固體材料在機械力作用下，由于內部晶體結構發生不規則變化并且出現多相晶形變化，最終導致結晶學性質、物理化學性質、熱力學性質等作有規律變化的一門科學。上世紀20年代，德國人Ostwald［17］提出機械力化學這一概念，他從催發化學反應的能量來源方面考慮，以已有的熱化學、電化學等為基礎，創造性地把由機械能誘發的化學反應稱之為機械力化學。

2）機械力化學效應，機械力化學效應根據發生程度的不同，可以分為以下三個層次［18］。①物理效應：物理效應是由于固體物料經機械力作用而出現的。從宏觀的角度來看比表面積增大；從微觀的角度來看，例如導電性能、催化特性、燒結性能、分散度、吸附性能等等會發生變化。但總而言之，本層次物料不發生化學組成方面的變化，所以依靠物料物理效應增強活性稱為機械激活［19］。②結晶狀態：粉磨中催發的不定狀物使體系的能量聚集，衍生而成的高活性不穩定相是致使粉體結晶狀態的主要因素。但是在機械作用產生的能量超過相變所需能量的條件下，就足以使得晶型發生轉化。③化學反應：在分子原子水平的相互擴散及其達到不可逆平衡，固體物料間的機械力化學反應將會發生［20］。在固體內部，運動速率和受位錯的數量決定了擴散速率。如上文所述，物料在機械力的作用下發生晶格變形增加了位錯的數量，從而導致了自發的導向擴散速率的增大。機械粉磨作用也可以促使化學反應的聚集，減少反應物料的間距，及時移走產物，從而催發了機械化學反應的產生。

3.2 晶質二氧化硅的機械力化學效應

固體物料在粉磨過程中發生變形導致其中晶體的晶格畸變，致使部分機械能以晶格畸變能的形式儲存于各缺陷處，繼而形成機械力化學效應的活化點。據研究表明［21］，晶體缺陷的類型與物料的機械力化學效應的反應速度關系緊密，其對化學反應速度的影響由大到小依次為晶格常數變化、面缺陷、線缺陷、點缺陷。在粉粒體內部儲存的能量增加到遠遠大于單純缺陷儲存的能量條件下，將會出現無定形化。根據上述原理，例如經過粉磨過程，晶質非活性的SIO2（即α一SIO2）會發生礦物相變，先轉變為β一SIO2，并隨著粉磨時間的延長其表面會受到強烈的破壞，最終轉化為非晶態無定形化。

4 廢棄混凝土機械力活化再利用

4.1 利用機械力化學活化技術獲得再生混凝土的可行性

作為混凝土中的膠凝材料，水泥往往包含較多的粗顆粒。在將粗顆粒粉磨后，其強度將有進一步的提高，從而達到應用的要求；其次經研究，廢棄混凝土中硬化漿體所含的水化物在一定溫度下會產生脫水現象，脫水后會接近原始材料的組成成分，為其作為原料再利用煅燒水泥熟料提供了基礎；另外經探究，粉磨過程中由于外力施加于物料顆粒的能量產生強烈的機械力化學作用，使得反應可在常溫下進行，繼而使得粉磨合成熟料礦物成為可能。因此將廢棄的混凝土材料經過分離、粉磨，經受機械力化學活化作用，達到下面所述應用效果：①作為生產水泥的原材料；②作為水泥的混合材料；③生產低標號砌筑水泥或抹灰水泥；④作為新拌混凝土的細骨料，

4.2 所制再生混凝土力學性能與工作性能

經過試驗表明無論是加入助磨劑還是延長粉磨時間，都能夠有效地提高對廢棄混凝土中晶質二氧化硅的活化程度，從而提高了了再生混凝土的力學性能，如抗壓、抗拉抗折強度等。通過機械力化學活化技術制得的再生混凝土無論是技術性能還是力學性能均可達到國家42.5水泥標準，滿足GB175-1999要求。

5 結語

廢棄混凝土作為建筑垃圾的一種每年都都會大量產出，并且在目前基建建設一直是我國的重點開發項目。所以在能夠提高其再利用率方面有著十分廣闊的前景，機械力活化工藝在增強材料活性方面有明顯的增益效果，特別是在廢棄混凝土向再生混凝土轉變的過程中所體現。如構成混凝土的材料如粉煤灰等水硬水化活性有待于進一步發掘而且此類材料在早期強度相對不高，但是通過機械力化學活化卻可以使其粉磨細度得以提高，并且擴大了其與激發組分之間的接觸從而改變結構以增強其水化活性。對此法進行深入的分析研究能對建筑、交通等基建行業的發展進行助力推動，從而在一定程度上推動國民經濟的增長。