混凝土再生粗骨料制備及強化處理綜述研究

栗虎 楊永富 陳哲 韋金城

（1.山東路橋集團有限公司 山東濟南 250000；2.山東省交通科學研究院 山東濟南 250000）

我國是全球生產與消耗混凝土量最大的國家。長時間以來，天然砂石資源開采過度，導致山體塌方、資源匱乏、河床改道等問題，從而嚴重影響了自然環境。與此同時，加快城市化進程的發展需求與改化舊城區的過程中均產生了大量的建筑垃圾。據統計，截至2020年，我國由建筑行業產生的垃圾堆存總量達數百億t，同時，以每年約30億t的速度增加，占用大量的土地資源，從而導致諸多的環境問題與安全問題頻發。許多研究證明，經過一系列處理工序，如破碎、分級加工等，將建筑垃圾的廢棄混凝土制備得到再生混凝土骨料，簡稱再生骨料。減小建筑行業對天然骨料的依賴需求是再生骨料的作用，同時，其也具有重要的社會經濟和生態環保意義［1-2］。

因為廢棄混凝土品質差異較大，利用簡單工藝制備的再生骨料性能差異也較大，不便于再生骨料的推廣應用［3-5］。經過上述的加工處理，僅能得到低品質、低質量的再生骨料，并不能滿足工程質量要求，需提高再生混凝土性能，進行強化處理后的再生骨料在性能上得到顯著提高。廢棄混凝土的強度等級上的差異并不會顯著影響再生骨料的性能差異，即可以進行再生骨料的質量控制，因而有利于對再生混凝土進行進一步的推廣應用［6］。

構成再生粗骨料的成分較為復雜，廢棄類成分包括：廢棄混凝土塊、廢棄砂漿塊與廢棄磚塊，此外，還有木材、鋼筋等構成成分。目前，對于再生粗骨料的制備與強化處理依情況會有以下幾種方法：核心有機械外力破碎、機械外力作用和加熱法相結合，以及化學法等。影響再生骨料質量的生產工藝通常為如下3種階段［7-8］：預處理破碎階段、強化處理階段、篩分階段。本文對目前常見的一些先進制備和強化處理方法進行了梳理和討論。

1 再生粗骨料的制備方式

1.1 加熱振磨法

李根［9］等人研究出加熱—振磨法來分離得到粗骨料。首先利用熱分析，對界面過渡區的物質進行了詳細分析。混凝土中物質成分除了水泥漿體與骨料之外，還有界面過渡區。界面過渡區的形成依靠鈣離子、鋁離子、硫酸根離子及水分子等物質在水泥水化反應過程中向骨料的周圍遷移，發生反應。由于應力集中現象，在熱處理對照下，在界面過渡區進行試驗研究。隨著熱處理溫度的增加，界面過渡區的微觀形貌有著裂紋擴展等現象。最終制得的再生粗骨料除吸水率偏高外，其他指標符合相關規定，具有良好的物理性能。

1.2 加熱研磨法

加熱研磨法由隋玉武［10］等人提出，加熱研磨法的核心是將廢棄混凝土顆粒進行加熱處理，使附著在原生骨料上的水泥石變脆，即使顆粒本身強度遠低于原生骨料，再通過研磨，使廢棄混凝土碎塊中的原生骨料、砂與水泥石分離，原生粗骨料和砂從水泥石中脫離出來。實驗結果表明：首先，加熱處理可以影響其產出率，通過檢測評價因子可知升溫的影響顯著，其表現在顆粒粒徑為8～16mm的廢棄混凝土中尤為明顯，當加熱溫度從20℃增加至600℃時，相應的破碎度從1.18提高到了1.76。在一定范圍內，隨著溫度的增加，粗再生骨料產出率的降低也反映了附著在其他表面的水泥石雜質被研磨的結果。

1.3 熱與機械力分離

水中和等人研究了熱與機械力對廢棄水泥混凝土的結構與性能的影響。研究表明，在500～550℃左右時，熱膨脹系數在粗骨料與砂漿之間的差異體現最大，兩者接觸界面會有弱化作用，利用球磨器械進行碰撞與磨制，將其中的硬化水泥砂漿去除，通過此分離處理，再生骨料符合類似的天然骨料物理性能要求標準。水泥混凝土是一種多相非均質材料，硬化的水泥石、砂漿和粗骨料具有不同的膨脹系數，這種熱相容性的差異會對混凝土的高溫性能產生一系列的影響。因此，由于混凝土自身材料結構體系的熱不相容性和材料結構的機械力變形行為，廢棄混凝土中的原狀天然集料能夠得到分離［11］。

2 再生骨料性能優化方法

2.1 機械強化法

機械強化法本質上是借助外部設備提供的荷載作用，物料之間形成摩擦或者再生骨料與外界之間發生接觸撞擊，以便去除附著于其表面的水泥砂漿。早些年間，日本主要采用立式偏心研磨裝置、磨內研磨法等。何德湛［12］在以上的裝置與制備方式的基礎上進行試驗研究，利用處理裝置立式偏心研磨得到的骨料顆粒達標率更高。此類方法的缺點也比較顯著：設備機規模龐大、性價比值得衡量、動力能量消耗高等。李秋義等［13］利用顆粒整形方法，顆粒整形過程中可以借助其撞擊與摩擦消除表面的水泥砂漿，并且過程中只有物料之間的相互摩擦作用，并無其他雜質摻入，在獲得品質質量高的再生混凝土骨料的同時，并沒有因設備磨損而導致試驗進行低效。隨著顆粒整形次數的增多，再生混凝土的抗碳化性能在不斷加強［14］。

2.2 濕處理強化法

近年來，歐美國家對再生混凝土骨料的強化研究側重于濕處理強化。廣義上的濕處理過程比較簡單，該方法的主要過程是對研究對象首先預處理，初加工，分離、篩除其中的雜質來獲得質量較高的骨料。這種處理方法亦相對方便實施，且不容易造成機械研磨過程中產生的大量微粉，同時，對增強界面粘結力有一定的成效［15］。

王玲玲等［16］在拌制再生混凝土之前，對再生混凝土骨料進行簡單的預濕處理，此研究認為再生骨料的劃分類型為3種：砂漿型、骨料型及混合型。當再生骨料的摻量相對較低時，說明在再生骨料中砂漿型的比例相對較高，使用濕處理的工藝，可以有效地取出其中的雜質；若再生骨料的摻量相對居中時，混合型使得再生骨料的復雜性增大，使用濕處理工藝對于其軟化系數提高程度不大；當再生骨料的摻量相對較高時，骨料型成為再生骨料主要類型的概率增加，通過濕處理工藝沖掉再生骨料表面雜質后，同樣也可以增強界面連接，使其飽和吸水后強度有所提高。

2.3 微波處理強化

肖建莊、吳磊［17］等人研制出一項較為創新的改性技術運用于再生粗骨材當中，運用微波熱循環技術來將再生粗骨材表面無法消除的附著老砂漿消除，用來改善其質量。微波處理強化有著瞬時加熱的優勢，骨料內外的巨大溫差（可達300℃以上）導致外部砂漿脫落，再加上加熱后的迅速冷卻，使得再生粗骨料內部和外部產生二次溫度應力，加速外部舊砂漿的破壞，從而達到對骨料改性的目的。

陳新年和曹東［18-19］等人研究了微波照射對混凝土破壞及其強度的影響，微波輔助機械的再生混凝土骨料剔選利用混凝土骨料與其包裹砂漿體電磁性能參數的差異，實現混凝土體的快速選擇性加熱，在不同成分形成不同的加熱升溫和溫度應力，進一步造成混凝土內部包裹砂漿體的損傷，并削弱骨料與砂漿體之間的粘結強度，從而有利于降低機械破碎的能耗，提高機械破碎的效率，并獲得高品質的再生混凝土骨料［20］。

2.4 化學試劑處理強化

陳建良［21］等人首先通過機械攪拌研磨制備再生粗骨料，并結合化學浸泡處理進行其性能改善處理的研究。試驗證明，強化處理明顯改善了再生粗骨料的性能，浸泡聚乙烯醇處理過的再生粗骨料各項性能指標有所提高。但對于再生混凝土的抗壓強度而言，若采用有機硅防水劑對其進行處理，會有所降低。

楊寧［22］等人使用類別不同的化學試改性方法處理了再生粗骨料，再生粗骨料是通過人工破碎及篩分得到的。最終實驗結果表明，當水泥漿分別與礦粉、硅藻土、硅粉結合使用，或純水泥漿單獨使用，均能使再生粗骨料的壓碎指標減小，表觀密度增加，對于聚乙烯醇外裹水泥法處理過的試樣，除了上述效果之外，還可降低再生粗骨料的吸水率。

劉國濤［23］等人取材建筑工地拆除廢棄混凝土塊，經過一級鄂破及二級球磨破工藝進行加工處理得到再生骨料，測定再生骨料的吸水率，并采用稀鹽酸浸泡、化學漿液和水玻璃溶液測定進行3種不同再生骨料表面改性實驗。比較試驗結果，3 種改性處理方法均能夠改善其吸水性能，最終權衡兩個方面，即再生骨料吸水率與其表面處理的效率，當10%硅粉在與硅酸鹽水泥漿配合處理下，達到最優試驗效果。

3 結語

本文簡述了目前在我國日益惡化的環境下，建筑垃圾與砂石骨料的處理狀況，再生粗骨料的多種多樣的制備方式就成為了協同時代的產物。并對再生粗骨料的制備方式，如加熱振磨法、加熱研磨法等進行簡要分析概括，說明其優勢與使用情況；對強化處理，如機械強化、濕處理強化等措施進行了梳理和總結分析，對于再生粗骨料的制備工藝及強化處理技術的發展具有借鑒意義。因此，可將天然粗骨料與再生粗骨料相結合，選擇合適的替代率，應用至實際工程中，在保證了安全合規的同時，又做到了環保、廢棄混凝土再利用。

目前，制備再生骨料的方法種類多，最終效果也不盡相同。大多數情況下，在得到的再生骨料制備產品的表面上，不難看到附著于其上的舊骨料雜質砂漿，這也是當將再生骨料放在天然骨料的衡量要求下時，不能完美達標的重要因素之一，其主要表現為密度較低、吸水率高和耐久性差。正是以上差異的存在，無論是制備再生粗骨料，還是后續的強化處理中，均應多方面考慮各種因素，進而選擇適宜材料本身性質的技術方案來保證再生骨料的性能等。