再生骨料的不同强化处理方法综述

李维东

（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068）

0 引言

随着建筑行业的高速发展和持续壮大，因新建和拆除建筑所产生的建筑垃圾日益增多。目前，中国每年有将近20 亿吨的建筑垃圾排放。目前建筑垃圾最常见的处置方式仍采用较为粗犷的处理方式——掩埋，这不仅占用土地资源，经雨水浸淋后还污染水体和土壤，危害人类健康。因此建筑垃圾的资源化处置显得尤为重要。将废弃混凝土，废黏土砖、废加气块及废玻璃等破碎成颗粒状用做水泥基材料中的骨料是目前的热点研究方向。在过去的几十年里，将建筑垃圾回收作为再生骨料使用在环境保护、资源循环方面有一定的优势。废弃混凝土的有效再利用一方面能大大减少城市固体废弃物的排放量，缓解环境压力；另一方面也能为建材行业提供原材料，解决资源紧张的问题。但是由建筑垃圾破碎后制备的再生骨料的性能远不如天然骨料，必须经过强化处置后才能大量取代天然骨料在混凝土中应用。

本文首先对再生骨料微观缺陷进行详细回顾，之后概括了各种强化再生骨料性能的处理方式，在此之后对各种方法的处置效果进行分析总结。

1 再生骨料的微观缺陷

通常再生骨料包含原始骨料、附着砂浆以及附着砂浆和原始骨料之间界面过渡区。再生骨料的差异性主要取决于附着砂浆的品质和附着量。再生骨料中的原始骨料虽然本质上就是天然骨料，但是进过几道破碎工序之后，其原始骨料表面或者内部也可能因受到外部荷载而出现裂纹或裂缝，造成微观缺陷，影响其使用。再生骨料中砂浆附着量在25%～70%之间，其主要影响因素为混凝土来源、强度等级、破碎工艺、粒径分布及测试方法。而附着砂浆的品质则主要受水泥强度等级、原始骨料特性、水胶比等因素影响。同样地附着砂浆是再生骨料的薄弱区，首先是其包裹在外层，更容易在破碎过程中受到机械性损伤。至于界面过渡区，其脆弱性就不用累述。值得注意的是，微裂缝以及砂浆和原始骨料之间的薄弱连接处是很难调控的。与天然骨料相比，再生骨料的密度相对较低、而吸水率和较压碎值和压碎值较高，这些特性是不利于其应用的。

2 再生骨料性能的不同强化处理方法

2.1 酸泡法

酸泡法实质上是一种化学处置方法，但是因为其在再生骨料处置方法中占据重要的地位，因此单独介绍。酸泡法是指利用盐酸、硫酸等强酸性或醋酸等弱酸性溶液浸泡再生骨料，通过其与水化产物发生化学反应，进而溶蚀附着砂浆强化表面、缩短老旧界面过渡区，降低空隙率的工艺[1]。酸泡法能使表面光滑，增强再生骨料混凝土新生界面的密室程度，改善混凝土的再生骨料混凝土的品质。Bayati 报道0.1mol/L 的醋酸和盐酸浸泡能将再生粗骨料的孔隙率由13.56%降低至13.06%和13.34%，空隙率降低的幅度分别为3.69%和1.62%[2]。Ramli 的研究结果表明，酸溶液的浓度是影响酸泡法成功与否的关键性因素，过高的浓度反而产生易碎和破裂的颗粒甚至溶蚀掉原始骨料表面[3]。姜越川[4]利用盐酸溶液对再生骨料进行处理，实验结果证实盐酸溶液处置有利于吸水率的降低，这对改善混凝土的和易性是有益的。

2.2 物理强化

物理强化是指通过外界机械力的作用，使再生骨料彼此相关作用或者再生骨料与外界作用，以求将再生骨料表层的附着砂浆去除，从而对骨料进行二次颗粒整形，或者施加其他物理作用（如解热、电磁波、超声清洗）于再生骨料。值得注意的是再生骨料在机械力的作用下，部分再生骨料颗粒发生破碎，这可能对颗粒级配产生不良影响。反复破碎法、球磨机研磨法、立式偏心研磨法、加热研磨法等方法是目前国内外的主流方法。反复破碎工艺可制备具更低孔隙率、吸水率和更高密度的再生骨料，这表明破碎过程对再生骨料的质量有着显著影响。詹翔宇[5]发现通过高速旋转的偏心轮对再生骨料进行整形，可将附着砂浆磨掉，从而使得骨料的表面更加光滑，从而强化再生骨料的特性。Choid[6]等人采用加热方式处置再生骨料，使得水泥砂浆表面的温度迅速升高，从而使得表面硬化的浆体发生分解，能够显著提高再生骨料的剥离率。物理整形方法的重点和难点在于设计并制造相适应的机械设备，目前国内的处置设备功能较为单一，破碎建筑垃圾尚能满足要求，整形再生骨料则还有很长的研发道路要走。

2.3 化学强化

广义上来讲，凡是采用化学试剂对再生骨料进行处置，利用化学原理强化其特性的方法都可以称之为化学强化法。化学强化法的优势在于其基本上不影响再生骨料的级配，其缺点是对再生骨料的表观密度和吸水率效果相对较差。目前化学强化的主要方法是掺聚合物溶液、有机硅防水剂、水泥浆液、外掺掺合料的水泥浆液以及水玻璃溶液等。Shi 等[7]采用PVA 乳液对再生骨料进行涂覆，因为PVA 乳液是一种水溶性聚合物，能降低新生界面过渡区的水灰比，因此可增强水泥浆体和再生骨料之间的连接强度。另有研究表明被再生骨料表层吸附的PVA 乳液可使Ca（OH）2晶体的活性位点失活阻碍Ca（OH）2晶体的进一步生长，取而代之的是C-S-H 凝胶的生长。硅基聚合物包括硅烷、硅氧烷。硅基聚合物不仅能填充再生骨料表面的孔隙，而且还能和Ca（OH）2反应生成一层疏水膜覆盖在再生骨料表面[8]。而添加硅酸钠则有利于这两种硅基聚合物发生水解作用，进一步密实再生骨料。化学强化法的强化机理应采用的化学试剂而千差万别，有些化学试剂是渗入到再生骨料表面孔隙和裂缝中，起到的是一个封堵作用，从而强化表面；有的试剂能在骨料表面形成完成的膜层，从而降低孔隙率；至于水泥浆裹在再生骨料表面则是利用其水化硬化形成坚硬的外壳，从而起到强化作用。

2.4 生物强化

生物强化又称作生物沉积法，主要是利用特定微生物新陈代谢产生碳酸钙封堵再生骨料表面孔隙和裂纹。研究表明，微生物可以通过三价铁还原、反硝化作用、尿素水解和硫酸盐还原等4种方式诱导碳酸钙沉积。有研究表明微生物矿化反应生成的碳酸钙，可以很好地与水泥基材料相容，能够修复再生骨料的表面裂缝，提高再生骨料的性能。钱春香[9]等人利用尿素水解的方式诱导微生物方解石沉积，产脲酶菌通过新成代谢产生脲酶，在脲酶的作用下，尿素发生水解作用，可以使得生成的碳酸钙发生沉积。Qiu[10]研究微生物沉积碳酸钙对再生骨料的影响，研究表明，通过控制培养的温度、细菌浓度和钙源浓度，有利于碳酸钙的增加，结果表明，提高再生骨料的吸水率，改善了再生骨料的力学性能。国内还有学者利用微生物矿化沉积对再生骨料进行生物强化，研究表明，生物沉积法能将再生骨料的孔隙平均直径由0.8μm 降低至0.5μm，与未处置的再生骨料相比，其总的孔隙率降低12.5%。生物强化法的重点和难点在于微生物的培育，这是一项浩大而漫长的工程。

2.5 表面碳化

因为再生骨料表层上的附着砂浆中富含水化产物的特性，采用二氧化碳气氛对再生骨料进行加速碳化养护的方法，其碳化产物可以表面填充孔隙。影响表面碳化的效率的主要因素有：再生骨料的粒径、二氧化碳浓度及分压、骨料表面预润湿程度、润湿溶液的种类等。

3 结论与展望

虽然目前处理再生骨料的方法种类繁多，但是仍没有哪一种方法得到了广泛的应用，这主要是各种处置方法有着固有缺陷性。以酸泡法为例，尽管该法能有效溶蚀掉再生骨料表面的附着砂浆，但是该方法需要消耗大量的酸性试剂，这些酸性试剂的生产可能本身就是一个高能耗、高资源消耗的过程，因此该法是不经济的。另外酸泡法无法回避的问题是废液的产生又会导致二次污染。物理强化方法适合于大规模推广应用，但是目前缺少成熟的专用设备，值得关注的是关于物理强化处置的利和弊，目前尚有争论。主要是物理方法容易导致再生骨料产生二次损失，诱导裂纹/裂缝形成。化学强化法涉及的化学试剂种类繁多，和酸泡法一样，存在二次污染问题，且清洗不彻底残留的化学成分对混凝土的品质容易产生干扰。生物强化的最大弊端是处置周期过长，生产效率严重滞后。

因此如何高效、低能耗、环保地处置再生骨料，使其性能得到强化仍是未来需要重点攻关的技术问题。当然，再生骨料的处置也不仅仅局限于技术层面，还涉及国家宏观规划的引导、政策法律的约束、行业的管理、经济的发展等因素。