廢棄混凝土再生骨料研究狀況

0廢棄混凝土中骨料應用的必要性世界每年使用近10億t混凝土。混凝土生產中消耗了大量砂和礫石，導致世界高質量砂和礫石資源不足。拆除建筑物后，產生的廢棄混凝土沒有得到及時有效處理，也對環境造成了損害。廢棄混凝土體積中骨料約占80%,骨料不僅是混凝土骨架的構成物,而且對于混凝土的工作性能、強度、耐久性等多項性能有很大影響;且其在混凝土內部形成的骨架既能提高普通混凝土的強度,改善混凝土變形性能,又抑制了混凝土裂縫的形成與發展。且由于骨料強度一般較高,不會因普通混凝土的破壞而受影響,因此廢棄混凝土中的骨料存在再利用的價值。鑒于以上的情況,國內外學者廣泛開展了以廢棄混凝土作為再生骨料的研究。1廢混凝土塊見圖2廢混凝土(WasteConcrete,WC)是指由建(構)筑物拆除,路面返修,混凝土生產,工程施工或其他狀況下產生的廢混凝土塊。廢混凝土經破碎、加工后,所得粒徑為5~40mm的骨料為再生粗骨料,粒徑0.5~5mm的骨料為再生細骨料。1.1國外廢混凝土再生利用的進展由于戰爭破壞了大量建筑物,產生了許多廢棄混凝土,前蘇聯、德國、日本等國家在二戰結束后就對廢棄混凝土的回收再利用展開了研究。RILEM(國際材料與結構研究試驗聯合會)在1976年就開始研究廢棄混凝土的處理與再生利用技術。時至2008年,RILEM已經召開了5次關于混凝土再利用的會議,提出混凝土再資源化的必要性。廢棄混凝土的再生利用已成為世界各國關注的課題,而廢棄混凝土作為再生骨料加以利用也是工程界和學術界共同研究探討的方向之一。許多國家更是采用制定相關法律的形式來確保研究和應用的順利進行。對于再生骨料混凝土的研究利用歐洲許多國家已經開展。前蘇聯學者在20世紀50年代就已對廢棄混凝土再生骨料的可行性進行研究,到20世紀70年代末已利用約4000萬t的廢混凝土。德國對于廢棄混凝土的再生利用也很重視,設立了多個大型建筑廢物加工廠,并于1994年建立了德國聯邦環保局總部大樓,它是德國第一個利用再生骨料混凝土建造的大型建筑物,該國又在1996年利用再生骨料混凝土建成了Diepmannsbach大橋,其中再生骨料混凝土用量幾乎占混凝土總用量的50%。澳大利亞于1998年頒布了《再生混凝土骨料配制非結構混凝土指南》,隨后在2002頒布了《再生混凝土與砌筑材料使用指南》,這些措施對廢棄混凝土再生骨料在歐洲的應用起到了推動作用。日本政府一向高度重視建筑廢棄物的再生利用,在各地設立了再生骨料加工廠,目前日本建筑廢棄混凝土再資源化率高達98%。韓國針對廢混凝土再生粗骨料技術標準也做出規定,韓國政府還確定了建筑廢棄混凝土的市場回收價格,實現了市場經濟運營和適度法律調節共同促進再生混凝土市場的流通,目前,韓國有5家左右高標準、高起點的再生骨料生產企業,其技術成熟,可資借鑒。1982年美國已將破碎的廢棄水泥混凝土作為混凝土粗骨料加以應用。據美國聯邦公路局統計,截止2004年美國已有41個州利用廢棄混凝土再生骨料,多在路面基層中使用,有11個州在水泥混凝土中使用再生骨料。在密歇根州修建US-41道路時,道路基層就采用了再生混凝土骨料,節約總造價的3.8%。圖1是歐洲部分國家再生骨料占總骨料產量的比例圖。1.2廢棄混凝土再生粗骨料技術發展現狀我國政府大力支持廢棄物再生利用的研究和應用。1997年我國在建筑廢渣利用方面已取得了成果;上海市于2002年對廢棄混凝土的再生利用技術展開了系統的研究;2010年9月26日國家正式發布了《混凝土用再生粗骨料》和《混凝土和砂漿用再生細骨料》規范,并于2011年8月1日開始實施。國內學者對廢棄混凝土再生粗骨料也開展了比較系統的研究:肖建莊等人對再生粗骨料的定義,基本性能,分級分類,強化處理進行了一系列的研究;吳賢國等人在分析廢棄混凝土再生粗骨料可行性的同時,對再生骨料生產工藝流程提出了建議;宋瑞旭等人利用粉煤灰對再生骨料混凝土性能的改善,配制出強度較高的再生骨料混凝土。北京建筑工程學院、東南大學、華中科技大學已對廢棄混凝土再生骨料進行了技術研發,同濟大學對廢棄混凝土骨料用于道路工程也進行了研究。再生混凝土材料應用到上海世界博覽會工程中,取得了很好的效果。我國還將廢棄混凝土再生骨料應用在道路建設中,合肥至南京高速公路就使用了再生混凝土粗骨料。綜合來看,各國對再生骨料技術研究較為深入,以技術手段作為支撐提高廢棄混凝土再生骨料的利用率。由于再生骨料與天然骨料存在工程性能差異,且對再生混凝土的性能有著影響,所以對廢棄混凝土再生骨料的性能研究也是很必要的。2再生粗骨料表觀密度和堆積密度廢棄混凝土再生骨料對再生混凝土的性能有很大影響,近年來,國內外一些專家學者對再生骨料性能方面做了很多的試驗研究,取得了一定成果。世界各國眾多學者研究表明,廢棄混凝土再生粗骨料與天然粗骨料相比,表觀密度、堆積密度都小于天然骨料。廈門大學許岳周等人通過對已有的大量試驗數據做出統計分析,得出:再生骨料表觀密度是天然骨料的88%~97%,在2.31~2.62kg/m3之間,堆積密度是天然骨料的87%~99%,在1.2~1.47kg/m3范圍內。同濟大學肖建莊等人和大連理工李坤通過大量試驗得出一致結論,原生混凝土強度等級越高則再生粗骨料表觀密度隨之增加。日本學者通過試驗表明再生骨料吸水率高于預估范圍,主要由骨料來源的不同引起。清華大學劉數華等人通過試驗得出再生粗骨料飽和面干狀態與氣干狀態下的壓碎指標有所不同。柯國軍等人的試驗得出再生骨料的壓碎指標僅為16.6%。大量研究表明,表觀密度、堆積密度、堅固性等性能廢棄混凝土再生骨料均低于天然骨料,吸水率、針片狀顆粒含量、壓碎指標則高于天然骨料,但仍基本滿足《混凝土用再生粗骨料》中對粗骨料的要求,可以用于配制再生混凝土。再生骨料的基本工程性能在廢棄混凝土破碎加工時會受到一定程度的影響,應選用合理的破碎加工工藝。3再生混凝土骨料將回收的廢棄混凝土進行破碎加工使其生成可再生利用的骨料,是利用各類切割破碎、傳送機械、篩分設備和去除雜質的機械設備的共同工作,對廢棄混凝土進行破碎、篩分、去雜質,最終生成可用于實際工程的再生骨料。3.1廢棄混凝土再生骨料加工工藝流程俄羅斯在生產廢棄混凝土再生骨料時設置了分離金屬、木材、磚石、渣土等雜質的磁鐵分離器和分離臺裝置,對分離去除雜質有著顯著的效果。該工藝存在的主要缺點是加工設備過多,在初期投資量較大,對于短期內的推廣形成了阻礙。日本的廢棄混凝土再生骨料處理工藝流程借鑒了碎石集料生產的成熟工藝,因此便于控制塊體破碎以及骨料的篩分,但需要對分選、潔凈、沖洗等工藝加以控制。為得到質量較高的再生骨料,還添加了填充型加熱裝置,用于骨料生產時的升溫、二次破碎加工。通過該工藝流程制備的再生骨料性能滿足日本相關規范要求,工藝流程見圖2。該工藝中設置的二級篩分破碎可以提高剩余粗骨料的強度,但是升溫和二次碾磨篩分都會提高生產成本。3.2廢棄混凝土再生骨料加工工藝研究我國臺灣地區采用的廢棄混凝土破碎設備主要利用了油壓式履帶型碎石機和重物篩選機系統,得到可用的再生粗骨料。侯景鵬和史巍采用風力分級和吸塵設備對廢棄混凝土塊破碎的骨料進行分級處理。肖建莊,孫振平等人在研究了國內外再生骨料生產工藝的基礎上,提出了適合我國實際國情的一套生產工藝流程,首先人工法去除廢棄混凝土塊中的鋼筋和木材,其次利用磁鐵分離器等裝置除去鐵屑雜質,最終篩分完畢后再對其進行沖洗處理,盡可能去除黏土、淤泥、細屑等物質。國外廢棄混凝土再生骨料的破碎與加工工藝,加工設備較多、生產成本高,而國內的破碎加工工藝在結合了我國基本國情的基礎上多選擇人工法對廢棄混凝土塊進行初步分選,在生產設備的選擇和骨料回收利用率等方面還有待于進一步研究。經破碎與加工后形成的再生骨料,應借鑒普通骨料相關規范的要求對其加以分級,從而確保再生混凝土的使用。4廢混凝土再生骨料的分類4.1再生粗骨料主要來源RILEM于1998年發行的再生混凝土規范:以再生粗骨料表觀密度、吸水率等特性作為劃分其等級的評價指標,并按再生粗骨料的來源將其劃分為三個等級,一級再生粗骨料主要來源是廢棄砌體材料,二級再生粗骨料主要來源是廢棄混凝土,三級再生粗骨料則主要源自混合材料。日本在1977年開設專門用以處理廢棄混凝土的工廠,1994年頒布《再生混凝土材料質量試行條例》,將吸水率作為再生粗骨料的評價指標,1997年對暫行標準進行了修訂,為再生粗骨料的應用提供了更為廣泛的平臺,修訂后的廢棄混凝土再生粗骨料分級標準如表1所示。英國規范是依照再生粗骨料來源的不同對再生粗骨料進行了分類,并認為再生粗骨料中摻加天然粗骨料可以改善其性能(見表2)。4.2再生粗骨料的分類我國學者和科研工作人員也對再生混凝土開展了大量的研究,其中對再生骨料的評價指標和分級分類方法領域也進行了探索和研究。肖建莊,雷斌等人通過對中國香港地區及國外在再生粗骨料的分級建議進行了研究,并對我國不同來源的再生粗骨料進行了試驗研究分析,提出了再生粗骨料中磚含量也是影響再生混凝土性能的主要因素這一有意義的評價指標,表3是其提出的我國廢棄混凝土再生粗骨料分級分類建議標準。劉數華,冷發光等人參考了天然骨料標準,如:GB/T14684—2011《建設用砂》和GB/T14685—2011《建設用卵石、碎石》,將再生粗骨料分為三類,主要評價指標選定了吸水率、壓碎指標,如表4所示。李秋義,李云霞等人在對再生粗骨料混凝土與普通粗骨料混凝土的工作性能和強度對比試驗中,證明了需水量比和強度比也可以反映出再生粗骨料的性能特征,由此將再生粗骨料分為了三個等級(見表5)。研究表明,國外對再生粗骨料的評價指標有很多,不同國家地區設定指標有所不同。國外大部分國家地區主要將吸水率、表觀密度作為評價指標,同時國外部分規范對不同來源的再生粗骨料也進行了分類。國內文獻研究表明,我國學者通過對廢棄混凝土再生骨料混凝的試驗研究以及參考國外相關分級分類標準,大多將表觀密度、吸水率、壓碎指標作為再生粗骨料的分級評價指標;也有研究人員通過大量試驗,考慮骨料的需水量能更直接、全面反映再生骨料混凝土與普通混凝土的工作性差異,骨料強度比能夠更直接反映出兩者的強度差異,所以選用這兩項指標對再生粗骨料進行分類,但有待進行工程實用性驗證。廢棄混凝土來源的不同對再生骨料混凝土試驗結果有很大影響,所以我國的再生骨料的分級方法應將這一點考慮其中。不同地區的環境對廢棄混凝土產生的影響也有所不同,因此還應通過大量試驗和實踐制定出符合各地區情況的分級標準。5再生骨料的性能由于廢棄混凝土再生骨料是利用破碎機械設備對廢棄混凝土進行破碎和篩分的,這導致再生骨料與天然骨料相比,各項性能指標均有較大程度的差異;通過對再生骨料進行強化,可以改善其粒形,減小再生粗骨料的孔隙率等來提高再生骨料的性能。5.1國外再生骨料強化方法RYUJ采用“水泥裹骨料”攪拌技術來提高再生骨料強度,但由于再生骨料棱角多、表面粗糙,所以在該工藝流程中再生骨料表面不易黏附水泥,對使用效果產生了影響。前蘇聯對于再生骨料的強化方法有磨內研磨法,該方法分為有研磨體和無研磨體兩種基本類型。日本一直在研究骨料強化設備,通常使用的方法是立式偏心輪高速研磨法、臥式強制研磨法、加熱研磨法等,由日本三菱公司研制的加熱研磨法,是將破碎后的廢棄混凝土塊經300~400℃加熱處理之后再進行破碎處理,最終得到可用的骨料。日本水泥株式會社研制的臥式強制研磨設備,是待廢棄混凝土進入設備后利用改進的螺旋帶裝置使顆粒相互作用,以強化再生骨料。5.2利用再生粗骨料強化我國專家學者為推動廢棄混凝土再生骨料在實際工程中的應用,在借鑒國外研究結論和結合我國實際國情的基礎上,對再生骨料的強化方法進行研究。孫躍東等人采用了化學漿液浸泡的方法來改善骨料性能,通過對比試驗得出用摻有硅粉或硅藻土的水泥漿液浸泡到的再生粗骨料,壓碎指標、表觀密度得到明顯改善,對再生混凝土抗壓強度和彈性模量也有所改善。楊寧等的試驗則利用聚乙烯醇溶液外裹水泥法強化再生粗骨料,降低了骨料的壓碎指標,提高了再生混凝土抗壓強度。杜婷等將Kim粉做為強化再生粗骨料的化學試劑之一,與純水泥漿強化的骨料進行對比試驗,得出:經Kim粉水泥漿液強化的骨料,可提高再生混凝土抗壓強度。毋雪梅等將再生粗骨料浸泡在激活劑中,使骨料的性能得到了一定的改善。陳建良等采用物理、化學相結合的方法對再生粗骨料進行了強化處理,先利用機械攪拌除去再生粗骨料表面包裹的水泥砂漿,再結合化學方法用聚乙烯醇浸泡再生粗骨料,從而改善再生骨料混凝土的各項性能。李秋義等在借鑒了國外經驗的基礎上,通過讓骨料之間高速撞擊摩擦去掉骨料表面的砂漿和水泥石及骨料顆粒上較為突出的棱角,得到表面相對干凈圓滑的骨料,從而實現對骨料的強化。再生骨料強化后,性能指標比未強化前有所提高。類似于日本采用的骨料強化方法生產工藝繁瑣、生產設備占用過多空間且消耗能源,不宜長期使用;而前蘇聯采用的磨內研磨法耗能大、由于摩擦過多會造成設備磨損。我國學者提出了多種再生骨料強化方法