废弃混凝土再生砂加热研磨活化技术及性能研究

隋玉武，刘 述，孟光明，欧楚萍

(1.山东建筑大学材料科学与工程学院，济南 250101；2.山东省绿色建筑协同创新中心，济南 250101)

0 引 言

含砂建筑材料在建筑工程中用量非常大[1]。砂作为一种重要的无机材料，主要用于制备各类砂浆和混凝土，其在砂浆中用量可达50%，而在常见混凝土中含量约占30%～40%。随着资源日渐枯竭,天然砂开采受到限制[2]，优质砂已经成为紧俏资源，砂价逐年攀升。

随着城市化发展，全球建筑废弃物产量增加[3]。我国现在每年产生超过30 亿吨建筑废弃物，其中四分之一是混凝土废弃物。常用混凝土是由水泥水化后的水泥石胶结砂、石制备的“人造石”。水泥石和砂、石(细、粗骨料)以物理形式存在，如果能把这些废弃混凝土中的砂释放出来，可以获得较大数量的再生砂。由于再生砂表面残留水泥石，与天然砂相比，性能不稳定[4-6]，吸水率高，密度低，内部裂隙多，耐磨性和坚固性较低[5,7-10]，用其制备的再生混凝土工作性、力学性和耐久性都较差[5,7]。因此未经改造的再生砂的使用受到了限制[7]，多数用于道路铺垫层等[8]。近几年随着环保意识增强和资源再生利用热潮到来，混凝土再生骨料研究增多，但多数着眼于再生粗骨料，再生砂的研究相对较少[8]，一些方法制备的再生砂质量也并不理想[9]。

本研究利用加热研磨活化技术提高废弃混凝土再生砂质量，并通过试验验证加热研磨法对废弃混凝土再生砂粒形的改善和表观密度、吸水率等性能的提高是否可行。

1 试验机理

水泥混凝土是由水泥通过水化反应生成水泥石，固定粗、细骨料，物理结合形成的坚硬的人造石材。硬化后的混凝土可以简单地看作由水泥石和骨料两大部分组成。水泥石、骨料和二者之间的界面过渡区决定着混凝土的性能。混凝土废弃物经过破碎后形成的再生颗粒，因含有水泥石而使其性能降低，如果去除再生颗粒中的水泥石，再生颗粒的性能就会提高，再生混凝土颗粒的表观密度和水泥石表观密度、骨料的表观密度及水泥石含量有下列关系(式(1))。

(1)

其中：ρ为再生混凝土颗粒的表观密度，g/cm3;ρ1为再生混凝土颗粒中骨料的表观密度，g/cm3；ρ2为再生混凝土颗粒中水泥石的表观密度，g/cm3；α为再生混凝土颗粒中水泥石的含量，%。

从式(1)中明显得出，水泥石含量越高，再生混凝土颗粒的表观密度越低。水泥石含量影响混凝土再生粗细骨料的性能。去除混凝土再生砂中的水泥石，是提高其性能的最好办法。

2 实 验

采用的废弃混凝土为实验室制备的普通混凝土，龄期超过8年。28 d强度最低28.2 MPa，最高51.4 MPa，骨料为砾石或卵石，砂为普通河砂或机制砂。

利用实验室破碎机对样品进行破碎，经过筛分制成不同粒级的混凝土颗粒，粒级2～4 mm颗粒利用实验室加热炉在200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃下加热30 min，然后在桶式球磨机中研磨；小于2 mm颗粒直接在球磨机中研磨。经过这样处理后制成小于4 mm的混凝土再生砂，并对再生砂的真密度、表观密度、吸水率、粒形和水泥石含量进行检测。

粒形检测设备为HAVER CPA4检测仪，其利用摄像技术对颗粒进行拍照，具体原理如图1所示[11]。

图1 HAVER CPA4颗粒形状和尺寸检测仪原理图[11]Fig.1 Diagram of the measure machine HAVER CPA4 for grain size and shape[11]

水泥石含量检测根据德国标准DIN 52170规定完成，利用盐酸和水泥石反应的原理滴定检测，并利用下列公式计算。

(2)

β=1.02×B

(3)

α=1-β

(4)

其中:B为盐酸作用后未溶解部分含量，%；m1为盐酸溶解后剩余样品质量，g；m为样品总质量，g；α为水泥石含量，%；β为骨料含量，%。

按照德国和欧洲标准DIN EN196要求，用再生砂替代标准砂制备砂浆，并对砂浆流动性和力学性能进行检测，从而检测再生砂的性能，表1为欧洲标准砂粒级分布及含量值。

表1 CEN标准砂粒级分布及含量Table 1 Distribution of grain size and content of CEN standard sand

3 结果与讨论

3.1 加热研磨法活化再生砂试验及影响因素

加热研磨法中加热温度和研磨时间对再生砂表观密度的影响如图2所示。由图可知，加热和研磨处理共同影响再生砂的活化效果，没有经过加热处理的颗粒需要较长时间的研磨，表观密度才能提高，研磨14 min后表观密度仍然没有超过2.50 g/cm3，但经过加热处理后，再生砂的表观密度提高较快。在达到相同的表观密度下，加热温度高，需要研磨的时间较短。试验结果还显示，2～4 mm再生砂不需要进行高温处理，在300 ℃加热后经过11 min研磨就能制备出表观密度为2.533 g/cm3的再生砂。

图2 加热研磨法中加热温度和研磨时间对再生砂(2～4 mm)表观密度的影响Fig.2 Influence of thermal temperature and grinding time on the apparent density of recycled sand (2-4 mm)

图3 混凝土28 d抗压强度对再生砂(2～4 mm)表观密度的影响Fig.3 Influence of 28 d compressive strength of originalconcrete on the apparent density of recycled sand (2-4 mm)

图4 再生砂(0～0.125 mm)中水泥石含量对其密度的影响Fig.4 Influence of the content of cement paste in recycled sand (0-0.125 mm) on its density

混凝土28 d抗压强度对再生砂表观密度的影响如图3所示。由图可知，经过300 ℃30 min加热和11 min研磨处理后，混凝土的28 d强度对再生砂表观密度的影响并不明显，原因是加热研磨活化处理降低了混凝土强度对再生砂的影响。

水泥石含量对再生砂的质量有直接影响，如图4所示。图4结果表明，随着水泥石含量的增加，再生砂的密度会降低，这一结果与式(1)相符。

3.2 再生砂性能研究

加热研磨法对再生砂质量提高试验表明，加热和研磨对再生砂质量都能起到提高作用。利用这一结果，在再生砂制备砂浆试验中，对废弃混凝土进行破碎之后，利用大体积的工业烘干箱(最高温度250 ℃)对2～4 mm颗粒在250 ℃下烘干2 h，然后在桶式球磨机里研磨25 min。0.125～2 mm颗粒没有进行烘干处理，直接在桶式球磨机里研磨15 min。试验得到的再生砂性能如表2所示。试验结果表明,经过活化处理的再生砂，0～0.125 mm细颗粒的含量由未处理之前的3.4%增加到处理后的66.9%，水泥石被研磨细化进入到这个粒级中，再生砂中的粉砂和被研磨的骨料粉体也进入到这个粒级中，因此0～0.125 mm再生砂的水泥石含量由活化前53.8%降低到活化后的35.1%。2～4 mm和0.125～2 mm再生砂经过活化处理后密度得到提高，2～4 mm再生砂吸水率也从5.8%降低到1.5%，水泥石含量从28.2%降低到8.2%。

表2 再生砂基本性能Table 2 Basic properties of recycled sand

经过活化处理后，2～4 mm再生砂的粒形得到优化,如图5所示，活化前颗粒粒形锐角较多，经过活化后，锐角被研磨，再生砂粒形锐角化降低，这有利于再生砂的流动。

图5 再生砂(2～4 mm)活化前后粒形变化Fig.5 Change of grain shape of recycled sand (2-4 mm) before and after treatment

再生砂活化前后图片如图6所示，从图中可以看出，活化后1～2 mm和2～4 mm再生砂含有的水泥石量大大降低，外观已经接近天然砂。

3.3 活化后再生砂制备的砂浆性能研究

活化后再生砂替代标准砂制备砂浆，其流动性受到再生砂的替代量影响,如图7所示，再生砂中含有水泥石成分，水泥石含量越多，再生砂的比表面积越大，需水量越多，砂浆的流动性降低，当再生砂100%替代标准砂后其流动性降低24.5%。加热研磨活化处理后水泥石主要以粉体存在于再生砂中，本试验用再生砂替代标准砂的30%、60%和100%，水泥石粉体含量约占砂浆水泥用量的10%～30%，再生砂替代标准砂的砂浆的流动度变化不是很大。

活化后再生砂制备的砂浆的强度受到水泥石含量的影响如图8所示，由图可知，早期抗折强度和抗压强度随着再生砂替代量的增加而降低，7 d抗压强度在再生砂全部替代标准砂后降低18.1%，但是28 d强度随着再生砂替代量的增加而增加，这是因为再生砂中的水泥石粉体会影响水泥的早期水化，随着水化时间的增加，适量水泥石粉体能够在砂浆中起到密实作用[3,12-13]。

图6 再生砂活化前后外观图Fig.6 Pictures of recycled sand before and after treatment

图7 再生砂替代量对砂浆流动性影响Fig.7 Influence of the replacement of recycled sand on the flowability of mortar

图8 再生砂替代量对砂浆强度的影响Fig.8 Influence of the replacement of recycled sand on strength of mortar

4 结 论

通过对再生砂加热研磨活化处理试验，以及通过再生砂替代标准砂制备砂浆试验，得出下列结论：

(1)经过加热研磨法活化处理后，再生砂中的水泥石被研磨成粉体进入到0～0.125 mm粒级中，粗砂质量得到提高，提高加热温度和延长研磨时间都有助于水泥石的去除。

(2)水泥石含量对再生砂的性能有直接的影响，2～4 mm粗砂的水泥石含量从28.2%降到8.2%，吸水率从5.8%降低到1.5%；粒级0～0.125 mm密度随着水泥石含量增加而降低；由于受到加热研磨活化的影响，混凝土的强度对2～4 mm再生砂活化后质量没有明显影响。

(3)活化后再生砂替代标准砂制备砂浆试验表明，由于再生砂中含有水泥石粉体，砂浆的流动性受到影响，随着替代量增加，流动性降低，砂浆前期强度降低，但28 d强度明显增加。

加热研磨法把水泥石研磨成粉体进入再生砂的细颗粒中(0～0.125 mm)，从而提高再生砂中粗砂的性能，其质量接近天然砂。再生砂加热研磨活化需要较低的加热温度和较短的研磨时间，是一种很有市场推广前景的高质量混凝土再生砂制备技术。