摘要：目前利用廢棄混凝土制備的再生混凝土集料在實(shí)際應(yīng)用過程中由于其表面粗糙、吸水率高和自身強(qiáng)度低等特點(diǎn)，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域和利用率。通過熱－機(jī)械力技術(shù)方法成功分離建筑混凝土廢棄物中的原狀天然骨料和膠凝砂混合組分相，并使得兩種分離產(chǎn)物分別在配制新拌混凝土和建筑干混砂漿中得到有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)建筑混凝土廢棄物的高效再生循環(huán)利用。
關(guān)鍵詞：建筑混凝土廢棄物 再生利用 干混砂漿
隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加強(qiáng)，每年拆除的建筑廢棄結(jié)構(gòu)混凝土、改造的路面舊混凝土板、混凝土預(yù)制構(gòu)件廠排放的廢料等產(chǎn)生了巨量的建筑固體垃圾，不僅占用土地，污染環(huán)境，而且還浪費(fèi)資源，其妥善處理成為當(dāng)前的一個(gè)緊要問題[1]。
世界許多國(guó)家已經(jīng)將建筑混凝土廢棄物作為資源對(duì)待，而不再將它們作為無用的垃圾。廢棄混凝土經(jīng)破碎加工后用于路基土的處理，與天然砂石配合作為路面基層材料，并可部分代替天然骨料生產(chǎn)新的混凝土。我國(guó)政府近年來對(duì)建筑垃圾的循環(huán)再利用也高度重視，根據(jù)國(guó)家“十五”計(jì)劃綱要要求，目前再生混凝土集料已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程中。
然而，由于再生混凝土集料表面粗糙、吸水率高和自身強(qiáng)度低等特點(diǎn)，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域和利用率。而且在再生混凝土集料逐級(jí)破碎過程中，由于破碎工藝、基體混凝土強(qiáng)度的不同產(chǎn)生了重量約基體混凝土總重量15％～20%左右的廢棄混凝土細(xì)骨料粉[2]。這部分細(xì)骨料粉由于密度小、顆粒形狀規(guī)則度差、孔隙率高、吸水率大和易性差及強(qiáng)度低等特點(diǎn)，影響了再生混凝土骨料制品的性能，常常被認(rèn)為是無利用價(jià)值的廢料而拋棄，導(dǎo)致了環(huán)境的二次污染。
為實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土垃圾的高效利用，本文通過熱－機(jī)械力分離方法得到廢棄混凝土的原狀天然骨料和熱活化膠凝砂混合組分相，再將兩種分離產(chǎn)物完全回收應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。
1 廢棄混凝土熱－機(jī)械力分離機(jī)理
1.1 混凝土材材料體系的熱不相容性
水泥混凝土是一種多相非均質(zhì)材料，硬化的水泥石、水泥砂漿和粗骨料（石子）具有不同的熱膨脹性能，這種熱相容性的差異會(huì)對(duì)混凝土的高溫性能產(chǎn)生一系列的影響。實(shí)驗(yàn)室用Workhorse-1型熱膨脹儀（美國(guó)Anter公司生產(chǎn)）測(cè)試了常溫至高溫下(600 ℃)廢棄混凝土組成相的線熱膨脹性能，表1列出了C40混凝土組成相（粗骨料、砂漿和水泥石三相）在常溫到不同溫度點(diǎn)的平均熱膨脹系數(shù)。由組成相的熱膨脹性能可知，當(dāng)混凝土遭受高溫后，一方面水泥石由于自身成份的熱化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生體積的收縮；另一方面砂漿組成相與粗骨料的熱不相容性差異產(chǎn)生熱應(yīng)力作用于界面處[3]。因此，兩者相互聯(lián)系的蠕變形式在高溫差作用下將會(huì)產(chǎn)生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一系列性能變化。
1.2 骨料界面過渡區(qū)的細(xì)觀熱致?lián)p傷
混凝土中骨料界面過渡區(qū)是最薄弱的區(qū)域。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)熱性能不同的組成相(骨料和硬化水泥漿)在界面處有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)或錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)，使得界面產(chǎn)生微裂紋損傷且界面粘結(jié)力降低[4]。實(shí)驗(yàn)室通過偏光顯微鏡（Zeiss Axioskop 40， 德國(guó)）的反光原理，可以明顯地觀察到廢棄混凝土在熱處理過程中骨料過渡區(qū)的變化情況，表明在熱作用下其界面結(jié)構(gòu)在弱化。圖1為不同處理溫度后混凝土界面的熱致結(jié)構(gòu)損傷。
1.3 機(jī)械力分離
在熱處理過程中骨料與水泥漿體界面發(fā)生了脫粘，再利用砼塊體之間的磨擦和碰撞作用，可以使得兩者達(dá)到分離，這個(gè)過程可在球磨機(jī)筒體或類似設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。通過控制適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速及安裝適宜的襯板類型使廢棄物混凝土塊處于拋落狀態(tài)。此時(shí)，在筒體轉(zhuǎn)動(dòng)離心力的作用下被提升至一定高度后自由降落，具有一定的動(dòng)能。在廢棄混凝土之間接觸時(shí)，它們之間發(fā)生瞬間的能量和動(dòng)量傳遞。在此過程中，廢棄混凝土整個(gè)體積內(nèi)受到粉碎力的作用，且在內(nèi)部缺陷局部薄弱處產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，由于其骨料界面過渡區(qū)的弱化，實(shí)際上經(jīng)過一定機(jī)械力作用很容易分離出原狀天然粗骨料和熱活化廢棄混凝土膠凝砂混合相。
2 熱－機(jī)械力分離產(chǎn)物的再生利用
廢舊混凝土塊在經(jīng)過高溫煅燒（工業(yè)熱尾氣）、球磨破碎、磨擦等處理后，粗骨料與砂漿脫粘分離，砂漿內(nèi)部的膠凝組成相與砂子也產(chǎn)生分離，最終能夠得到回收骨料（原狀天然骨料）和活性的砂膠凝混合組分（活化廢棄混凝土粉）。溫度控制在450～550 ℃，首先避開了石英組分在573 ℃附近的化學(xué)轉(zhuǎn)變，不影響回收石灰?guī)r骨料和砂子品質(zhì)；另一方面實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最大熱應(yīng)力破壞。
2.1 原狀天然骨料混凝土
經(jīng)過500 ℃處理過的廢棄混凝土塊，通過廢棄混凝土熱－機(jī)械力分離作用分離出的原狀天然粗骨料見圖2，圖3為天然石灰?guī)r骨料的表面形態(tài)?？梢杂^察到熱回收骨料比天然石灰?guī)r骨料顏色稍淺，主要原因是回收骨料表面仍存在細(xì)小的硬化水泥漿?；厥展橇吓c天然骨料的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)見表1，測(cè)得的結(jié)果顯示回收骨料與天然骨料物理性能相近。用再生回收骨料替代全部天然骨料配制混凝土C30混凝土，其工作性能良好，力學(xué)性能與天然骨料混凝土完全一致，見表3。
2.2 再生干混砂漿
熱活化廢棄混凝土膠凝砂混合相可以看作是水泥水化產(chǎn)物脫水相與砂子的混合物，水泥水化產(chǎn)物脫水相XRD定性分析結(jié)果表明[5]，水泥石高溫后的脫水相含有的主要晶態(tài)成分為Ca2SiO4和CaO，還有多種無定型物質(zhì)及非晶態(tài)物質(zhì)，這些具有水化能力的活性物質(zhì)能夠構(gòu)成其再水化的來源。
由于脫水相具有極大的比表面積，顆粒粒徑小，可在短時(shí)間里吸收水分，達(dá)到凝結(jié)狀態(tài)，因此不足以制成干混砂漿，需要加入其他膠凝材料進(jìn)行改性。為了盡可能多地利用工業(yè)廢棄物和降低材料成本，試驗(yàn)選用了粉煤灰(Ⅱ級(jí))、磷石膏和水泥(普硅42.5#)來改善干混砂漿的力學(xué)性能，并采用正交試驗(yàn)分析材料組成。表4是三水平三因素正交試驗(yàn)方案及結(jié)果，其中材料的比例以熱處理舊水泥砂漿為基準(zhǔn)進(jìn)行配制。
由試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥用量是對(duì)強(qiáng)度影響最大的因素。摻入水泥量越多，試塊強(qiáng)度越高。對(duì)水泥摻量?jī)H占活舊混凝土粉質(zhì)量5%的第五組，試塊28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了18.4 MPa，完全不摻水泥的第二組試件抗壓強(qiáng)度平均值也超過10 MPa。目前我國(guó)不同強(qiáng)度等級(jí)建筑砂漿的水泥用量為10％～20%，而且由于多層砌體的修筑原因，建筑砂漿的水泥用量很大。從降低材料成本和追求最高性價(jià)比的角度來調(diào)整配合比時(shí)，可以將水泥摻量確定為分離砂漿質(zhì)量的5%甚至更少。因此利用建筑混凝土廢棄物研究新型環(huán)保型建筑砂漿，對(duì)于開拓建筑砂漿領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
3 結(jié) 論
建筑混凝土廢棄物的高效利用對(duì)于解決環(huán)境污染、節(jié)約天然資源和實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義。本文的研究技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)資源的高效可持續(xù)利用，預(yù)防環(huán)境二次污染，對(duì)中國(guó)建筑垃圾再生利用和固體廢棄物治理具有一定意義。
參考文獻(xiàn)
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