废弃混凝土再生细骨料的研究与发展现状①

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(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

引言

进入21世纪以来，我国进入了城镇化的快速发展时期。对原有建筑物的拆除、改造与日俱增，随之而来的则是建筑垃圾的大量堆积，生态环境越发脆弱。据工信部统计，我国建筑垃圾的数量已经占到城市垃圾总量的30%～40%。2012年，我国产生建筑垃圾15亿t，其中占建筑垃圾总量80%左右的废砖、废混凝土、废砂浆可进行循环利用。相比欧美等发达国家95%以上的利用率，我国的建筑垃圾利用率仅为5%左右，只有几千万吨的建筑垃圾被利用。这些垃圾往往被运送到城郊填埋，由于处理不当，造成目前的“垃圾围城”现象。

将建筑垃圾粉碎后得到的再生细骨料，可作为原材料制作再生砂浆，这是解决“垃圾围城”困境的主要措施之一。目前大规模采用的填埋法，不仅占用了大量土地，对当地的生态环境也造成了破坏，这与可持续发展理念相悖。将建筑垃圾进行资源化循环利用，化害为利、变废为宝，是解决生态资源枯竭和垃圾围城困局的必由之路。

1 国内外再生细骨料研究发展状况

建筑垃圾的再生利用已成为全世界共同关心的课题，也是工程界研究的热点问题之一。发达国家寻求环境保护和可持续发展的重要途径是建筑垃圾的资源化，不少国家通过立法来保证建筑垃圾的回收再利用。日本、美国以及欧洲各国在政策、技术和应用等方面起步较早，且比较成熟。目前我国在此方面与发达国家相比滞后，其中对再生混凝土有了一定的研究[1-4]，但对于再生细骨料的应用研究很少，大多还处于探索研究阶段，且利用率很低。

1.1 国外情况

近现代对建筑垃圾的再生利用较早开始于二战中建筑设施受到严重破坏和资源比较匮乏的国家，如德国、前苏联和日本等[5]。日本的国土面积较小且资源匮乏，在建筑垃圾再生利用研究方面起步较早，技术也比较成熟。在政策方面，2005年，日本制定了《建筑工程材料再生资源法》和《建设循环法》；在规范和标准方面，日本混凝土工程学会成立了再生骨料标准化委员会，该委员会制定了JIS A 5021—2005《用于混凝土的再生骨料H》等一系列标准[注]郑捷.日本再生骨料混凝土研究近况，2009.；在应用方面，日本的建筑垃圾利用率达到了90%以上，这归功于日本建立了许多再生加工厂，这些工厂主要负责处理混凝土废弃物和生产再生骨料。韩国虽然在建筑垃圾循环利用方面没有日本起步早，但韩国的《建筑废物再生促进法》详细规定了从国家、政府到企业、个人等建筑垃圾排放者的义务，对处理建筑垃圾企业的许可标准、再生骨料质量标准、设计施工指南以及违反该法在不同事项下的处罚，使韩国的建筑垃圾利用率在2007年就达到90.7%[6]。美国于1996年修订完成的《固体废弃物处理法》，详细规定了建筑垃圾废弃物循环利用的各项法律制度。美国的再生骨料研究与应用取得了很多成就，特别是在公路建设方面。美国是世界上拥有最长公路里程的国家，在再生骨料应用于公路的研究中，美国在这方面的技术相对成熟且有诸多成功经验。德国是世界上最早开展循环经济立法和最早推行环境标志制度的国家，制定了《废物处理法》等一系列法律提供政策支持和发展平台。德国的再生骨料制备技术处于世界领先水平，现已形成完备的生产工艺体系，且已用于德国的2 000多座再生骨料生产厂。

1.2 国内情况

改革开放以来，我国进入了经济快速发展时期，城市建设如火如荼。随着城市化进程的加快，天然骨料的短缺和建筑垃圾带来的环境污染问题日趋严峻，我国政府和各研究部门已经开始了建筑垃圾资源化的研究。目前，国内在这方面的研究大多数还处于实验室阶段，但也取得了一定的成果。例如同济大学肖建庄的《再生混凝土》一书中，详细介绍了再生混凝土配合比设计、再生混凝土的基本力学性能及其耐久性、再生混凝土构件的基本性能等。我国的建筑垃圾循环利用于2010年取得了实质性的进展，GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》和GB/T 25176—2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》这两个规范的颁布，为我国再生骨料在工程中的应用提供了技术支持。

2 再生细骨料的性能研究

2.1 再生细骨料的主要性能和特点

再生细骨料主要是建筑垃圾在破碎、筛分后得到的粒径<4.75 mm的颗粒[7]，主要由天然砂、废弃混凝土碎屑、石屑和细小粉料(如泥土)等组成。相对于天然细骨料，再生细骨料的表观密度小、吸水率高、吸水速率快，含有大量硬化水泥浆，颗粒棱角多，表面粗糙且具有较多微裂缝[8]。

2.2 再生细骨料的加工工艺和流程

建筑垃圾的破碎与筛分是再生骨料应用于实际工程的前提，目前国内有多种再生骨料破碎方式，利用颚式破碎机破碎是常用的方法。侯景鹏等[9]在加工再生细集料过程中添加了一套带有风力分级及吸尘的设备，能将0.15～5 mm的再生细骨料分离出来，为再生细集料的分离提供了新的方法。肖建庄等[10]根据我国劳动力相对低廉的现实，参考国外生产工艺，提出了一套适合我国的生产工艺(见图1)，该工艺首先通过建工方法对建筑垃圾进行分选，剔除大块的杂物，例如竹木材、钢材、建筑装饰废弃物等，然后利用磁铁分离器和分离台清除细小的铁屑和塑料等。刘巧玲等[11]利用高温煅烧、石灰熟化、球磨推开、水筛分离等工艺，得到可直接使用的石灰膏和细粉等。该工艺生产清洁，无二次污染，但高温煅烧阶段需将废弃混凝土在900～1 100 ℃下煅烧5～10 h，能耗较大。

图1 再生骨料生产工艺流程[10]

2.3 再生细骨料的分类

依据GB/T 25176—2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》，再生细骨料按性能要求可分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。该规范对再生细骨料的分类方法作了严格界定，对再生细骨料的微粉和泥块含量、有害物质含量、碱集料反应等有明确的限制，引入了秦原等[12]提倡的再生细骨料的需水量比指标，并对压碎指标、表观密度、堆积密度和孔隙率作了规定(见表1)。

表1 再生细骨料的压碎指标、表观密度、堆积密度和空隙率

2.4 再生细骨料的强化及整形

再生细骨料是使用破碎机械设备对建筑废弃物进行破碎的，由于外力的作用，会导致再生细骨料与天然细骨料在各项性能指标上均有较大程度的差异。通过对再生细骨料进行强化或颗粒整形，可以改善其粒形，减小再生细骨料的孔隙率、表面棱角等，以提高再生细骨料的性能。李秋义等[13]利用骨料整形机对经简单破碎的再生骨料进行整形处理，再生骨料经过在整形机内的反复撞击、剪切和磨擦，使附着在再生骨料表面的硬化水泥浆剥落，从而改善骨料粒形，提高骨料的性能。

在拌和再生砂浆的过程中，由于再生细骨料表面较为粗糙，其表面不容易粘附水泥浆，使用效果较差。杨宁等[14]利用聚乙烯醇溶液与再生骨料混合，使再生骨料表面形成能够与水泥浆良好粘合的粘结层，从而增加再生骨料与水泥浆之间的粘结力，使再生骨料的强度得到提高，提升了再生混凝土强度。

3 再生砂浆的性能研究

3.1 再生砂浆的主要性能和特点

在配制砂浆过程中掺用了再生细骨料，且再生细骨料占骨料总质量30%以上的建筑砂浆称为再生砂浆[15]。再生砂浆包括再生砌筑砂浆、再生抹面砂浆等。相对于普通砂浆而言，再生砂浆具有密度小、需水量大、内养护等特点[16]。

3.2 不同种类再生砂浆的研究

建筑垃圾的来源具有多样性，配制再生砂浆可以采用不同种类的再生细骨料。鄢朝勇等[17]以废渣生态水泥作为胶凝材料，分别采用粉碎后的废砖、废砂浆、废混凝土和混合建筑垃圾等再生砂取代天然砂作细骨料，配制了M 5.0、M 7.5、M 10等3种生态砂浆。试验结果表明，砂浆用水量随着取代率的增大而增大，分层度趋于减小；不同种类的天然砂配制中低强度砂浆时，对砂浆强度没有明显的不利影响，28 d强度均能达到设计强度的要求，取代率为50%时获得最佳级配；再生细骨料的种类对再生砂浆性能影响较小。黄天勇等[16]以再生细骨料中的粉料(粒径<0.075 mm)作为掺合料制成再生砂浆。试验表明，再生粉料在再生砂浆中发挥了很好的微集料效应，显著提高了再生砂浆的抗压强度。刘凤利等[18]将废弃陶瓷制成再生细骨料，部分取代天然砂制成陶瓷再生混合砂的砂浆。以天然中砂砂浆、黄河特细砂砂浆及陶瓷再生粗砂砂浆等3种砂浆为对照组，对比了和易性和力学性能的差异。试验表明，陶瓷再生混合砂砂浆具有良好的流动性和力学性能。

3.3 不同取代率对再生砂浆的性能研究

陈宗平等[19]采用再生细骨料11种取代率(0～100%，级差为10%)的水泥砂浆制成标准试块，并研究了其抗压强度。结果表明，再生细骨料砂浆具有流动性好、保水性差的特点，与天然细骨料水泥砂浆相比，抗压强度降低明显。而段邦政等[20]对湖北襄阳地区的建筑垃圾破碎筛分得到再生砂，并用粉煤灰作为掺合料配制再生砂浆的试验结果表明，再生砂浆用水量随着取代率的增大而增加，保水性趋于提高，获得良好骨料级配时的取代率为40%，强度提高。李如雪等[8]以不同再生骨料和不同取代率配制再生砂浆的试验结果表明，再生细骨料取代率在0～10%，再生砂浆强度是不断增加的；若取代率>10%，强度呈下降趋势。

4 结语

再生细骨料的研究与应用，对于建筑垃圾的充分资源化和环境保护意义重大，符合我国国情和可持续发展的理念，同时也是建筑材料技术的一种拓展和革新。但目前我国在再生砂浆的大规模应用上还有许多问题亟待解决。

(1)再生细骨料具有地域性差异。由于原混凝土的配制所采用的水泥、骨料、掺合料、外加剂和破碎方式的不同，会导致破碎之后的再生骨料存在差异，各地应因地制宜地制定地方性标准，完善再生细骨料研究与应用的规范体系。

(2)目前关于再生细骨料种类、取代率对再生砂浆抗压强度和和易性的研究较多。而对于力学性能中的抗折强度、弹性模量等指标，耐久性中的抗冻性、抗渗性、抗碳化性能等指标，再生砂浆的强度形成机理、水泥浆与再生细骨料的界面分析等的研究还比较缺乏，有待于不断补充和完善。

(3)再生细骨料制品的新产品开发以及配套设备的生产相对缺乏，目前推广应用较好的大多是再生砖和再生砌块，对再生细骨料更深层次的产品如再生保温砂浆、再生粘结砂浆、再生抗裂砂浆及再生预拌砂浆等的开发尚不充分。

(4)政府应在政策层面予以支持，制定相应的法规和标准，加大对绿色工程的补贴、扶持力度和环保宣传；相关生产设备的开发和工厂化生产作业流水线的建设，需要同步研究与设计。

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