建筑垃圾再生骨料的宏微觀表征及物化特性研究

孫 飛 杜嘉寶 高 強(qiáng) 魏 鵬 黃語(yǔ)新 黃鈺程＊

（1.江蘇建院營(yíng)造股份有限公司， 江蘇 蘇州 215000；2.蘇州大學(xué)， 江蘇 蘇州 215131；3.University of Wisconsin-Madison, Madison City, U.S.A.）

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化、現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，大幅度加快建筑業(yè)的發(fā)展的同時(shí)，不僅造成了建筑垃圾的日益增加，資源的嚴(yán)重消耗和建筑垃圾的大量排放也隨之而來(lái)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，廢棄舊建筑總體積的大約七成會(huì)隨著拆除成為建筑垃圾。除此之外，一般混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的使用年限約為 50～100年，如今大量建于上世紀(jì)的建筑物開(kāi)始損壞廢棄，一個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的破壞高峰期正在到來(lái)。老舊、廢棄建筑物的損壞拆除產(chǎn)生的建筑垃圾不僅會(huì)占用大量耕地、污染土壤和地下水源，粉塵污染也會(huì)對(duì)人們正常生活造成極大影響。建筑垃圾主要由混凝土塊、砂漿塊等各種混合物構(gòu)成，如果能夠經(jīng)過(guò)合理的工業(yè)處理，完全可以實(shí)現(xiàn)廢料的循環(huán)再利用，甚至有可能緩解建筑行業(yè)天然骨料日益匱乏的局面。建筑垃圾的處理與再利用逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也廣泛開(kāi)展了對(duì)于建筑垃圾再生骨料的研究。

1 再生骨料的研究背景及研究?jī)?nèi)容

1.1 研究背景

前蘇聯(lián)于 1946年便注意到廢棄混凝土能否二次利用的問(wèn)題，二戰(zhàn)后以美國(guó)、日本為代表的一些國(guó)家的學(xué)者也相繼展開(kāi)對(duì)已廢棄混凝土二次利用的研究，并將取得的研究成果推廣應(yīng)用于實(shí)體工程中，我國(guó)對(duì)于廢棄混凝土的有效處理與循環(huán)利用的研究開(kāi)展較晚。總體來(lái)看，再生骨料的物理性能與天然骨料相比雖然較差，但是通過(guò)一些有效的處理手段也能一定程度上提高再生骨料的使用性能，且其來(lái)源廣、數(shù)量大、造價(jià)低，是一種比較理想的低配制、中等強(qiáng)度的再生材料，可廣泛用于道路、市政和房屋建筑等工程。

1.2 再生骨料宏微觀表征及物化特性研究

對(duì)于再生骨料來(lái)說(shuō)，級(jí)配問(wèn)題在很大程度上影響甚至決定了再生混凝土的強(qiáng)度、耐用性、和易性等特性。骨料的級(jí)配問(wèn)題即顆粒尺寸以及粒級(jí)配比的問(wèn)題，級(jí)配應(yīng)該追求更小的空隙率，以保證密實(shí)度。

由于再生骨料相較于天然骨料不僅組成成分含有砂漿、建筑材料等成分，而且由于再生骨料所屬的原混凝土建筑在經(jīng)歷了多年的碳化、物理擠壓、化學(xué)腐蝕、溫差變化等作用，給混凝土微觀結(jié)構(gòu)帶來(lái)較大變化。在再生骨料制作的破碎過(guò)程中，機(jī)械的擠壓、沖擊和研磨等物理作用也會(huì)對(duì)再生骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大程度的影響，形成許多微觀裂縫。因此目前對(duì)于再生骨料的研究已不再局限于再生骨料原有的物化特性。在現(xiàn)有的因再生骨料材料來(lái)源、破碎方式、再生骨料替代率、水灰比等因素對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、抗裂能力、抗?jié)B能力等方面影響所做研究的基礎(chǔ)上，學(xué)者們利用一些現(xiàn)代儀器例如掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行對(duì)再生骨料微觀層面的細(xì)致觀察，進(jìn)行對(duì)再生骨料存在微小裂縫與孔隙問(wèn)題的解決與研究，如圖1。利用XRD技術(shù)對(duì)再生骨料及其各種改性條件下的化學(xué)成分分析，進(jìn)而從微觀的角度得到不同改性條件對(duì)再生骨料性能的改進(jìn)機(jī)理。

圖1 再生骨料表面孔隙與裂縫的微觀圖像

2 基本試驗(yàn)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

建筑垃圾的性能測(cè)試主要從骨料顆粒級(jí)配、針片狀顆粒含量、含泥量、表觀密度、堆積密度、密實(shí)密度、空隙率、吸水率和壓碎指標(biāo)等方面進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。再生骨料中硬化水泥石的含量和裂縫的數(shù)量主要通過(guò)表觀密度和吸水率反映，再生骨料的級(jí)配情況以及粒形的好壞主要通過(guò)堆積密度和密實(shí)密度反映。再生骨料的基本物理特性如表1所示[1,2]。

表1 再生骨料物理指標(biāo)

種類(lèi) 壓碎值% 針片狀顆粒含量% 含水量% 含泥量% 24h吸水率%天然骨料 5.6 2.8 0.2 0.6 0.6再生骨料 13.6 2.22 2.5 2.5 5.3

3 建筑垃圾再生骨料的宏觀表征

3.1 再生骨料的粒徑分類(lèi)

我國(guó)根據(jù)粒徑大小為標(biāo)準(zhǔn)將再生骨料分為再生粗骨料與再生細(xì)骨料,見(jiàn)表2。

表2 再生骨料分類(lèi)表

3.2 再生骨料的級(jí)配

不同粒徑的再生骨料顆粒按照一定的配比方式組成的配比組成稱(chēng)為再生骨料的級(jí)配。再生骨料的級(jí)配能夠在很大程度上影響到再生混凝土的拌合物流動(dòng)性以及再生混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等物理化學(xué)特性。良好的級(jí)配也能夠在一定程度上彌補(bǔ)再生骨料相對(duì)于自然骨料的性能劣勢(shì)。

圖3 再生粗骨料級(jí)配曲線(xiàn)

圖4 再生細(xì)骨料級(jí)配曲線(xiàn)

4 建筑垃圾再生骨料的微觀機(jī)理

由于再生骨料所屬的原混凝土建筑在經(jīng)歷了多年的碳化、物理擠壓、化學(xué)腐蝕、溫差變化等作用對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)帶來(lái)的較大變化以及在再生骨料破碎過(guò)程中，機(jī)械的擠壓、沖擊和研磨等物理作用會(huì)對(duì)再生骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大程度的影響，導(dǎo)致再生骨料形成許多微觀裂縫。因此，對(duì)利用不同種類(lèi)改性材料進(jìn)行改性的再生混凝土進(jìn)行及時(shí)、全方面的微觀觀察能夠幫組我們更好地了解、分析并改善再生骨料的使用性能提供了極大幫助。天然骨料混凝土、再生骨料混凝土及經(jīng)3mol/L硫酸處理的再生骨料混凝土中的新砂漿中氣孔較少，質(zhì)地比較密實(shí)，而再生骨料混凝土斷面上的再生骨料舊附著砂漿存在較多直徑在200微米左右的孔隙[3]。劉陵慶等人通過(guò)SEM觀察發(fā)現(xiàn)再生集料的高吸水率主要由于其表面的裂縫與孔隙造成，由于這些裂縫和空隙的存在也使其強(qiáng)度變得更低。有機(jī)硅樹(shù)脂的改性為再生骨料的表面覆蓋了一層有機(jī)硅樹(shù)脂膜，彌補(bǔ)了大量原本存在于再生骨料上的裂縫與孔隙，大大改良了再生骨料的使用性能[4]。郭其杰等人不僅研究了利用有機(jī)硅樹(shù)脂改性，還將水玻璃與硅烷偶聯(lián)劑加入到對(duì)比試驗(yàn)中去，對(duì)比圖像見(jiàn)圖 5。研究結(jié)果表明：水玻璃對(duì)再生骨料的改性結(jié)果不明顯，其表面仍然存在許多裂縫與孔隙；硅烷偶聯(lián)劑對(duì)再生骨料的改性效果相似于有機(jī)硅樹(shù)脂，但其在再生骨料表面形成的膜更薄，所以其改性效果低于有機(jī)硅樹(shù)脂[5]。

圖5 利用不同方法改性后的圖像對(duì)比

龍初等人對(duì)三種不同材料進(jìn)行改性后的RAC(RAC,NS-RAC-3,NL-RAC-1)形貌特征進(jìn)行 SEM觀測(cè)(NS-納米硅溶膠、NL-納米CaCO3)發(fā)現(xiàn)在RAC中存在一些疏松的區(qū)域；而對(duì)于NL-RAC，老砂漿上存在一些納米粒子，界面結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，但仍可見(jiàn)一些輕微裂縫；而NS-RAC的結(jié)構(gòu)更加致密，未發(fā)現(xiàn)裂縫與孔隙。表明納米尺寸的硅溶膠能在一定程度上進(jìn)入再生骨料混凝土界面過(guò)渡區(qū)參與化學(xué)反應(yīng)，有效改進(jìn)界面過(guò)渡區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)并強(qiáng)化其界面性能。其中水化產(chǎn)物和納米粒子填充了孔隙。對(duì)于納米材料 CaCO3（NL），由于其容易產(chǎn)生閉聚，僅能通過(guò)物理填充彌補(bǔ)孔隙，所以改性效果不理想[6]。

5 建筑垃圾再生骨料的物化特性

5.1 再生骨料的表觀密度

相較于天然骨料，再生骨料的表觀密度更低。因?yàn)樵偕橇显谥谱鬟^(guò)程中，其表面的硬化水泥砂漿無(wú)法徹底清除，而水泥砂漿的孔隙率大于天然巖石。但大多數(shù)經(jīng)過(guò)處理的在建筑垃圾再生骨料的表觀密度均大于規(guī)范要求的2500kg/m3。

5.2 再生骨料的堆積密度及空隙率

再生骨料的堆積密度相較于天然骨料較低，但空隙率較高。我國(guó)相關(guān)規(guī)范對(duì)于骨料的松散堆積密度其最低值為1350kg/m3，空隙率不應(yīng)高于42%，對(duì)于大多數(shù)再生骨料均滿(mǎn)足此要求。但由于各粒級(jí)堆積密度存在差異，往往表現(xiàn)出顆粒越大堆積密度越高，空隙率越低的特點(diǎn)。

5.3 圓柱體抗?jié)B性能

抗?jié)B性能反映了再生混凝土抗?jié)B試驗(yàn)所能承受的最大水壓力，孫曉瑜等人以0.1MPa為梯度每隔8小時(shí)遞增，取0.2MPa為初始水壓對(duì)7組試塊進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明再生混凝土抗?jié)B性能較好。從7組試件的滲水高度看出再生粗骨料混凝土可以達(dá)到普通混凝土工程中對(duì)抗?jié)B性指標(biāo)的要求，試驗(yàn)結(jié)果未出現(xiàn)透水現(xiàn)象[7]。

5.4 再生混凝土的抗裂性能

混凝土的抗裂性能是衡量混凝土性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞都是由最初的裂縫引起。除此之外由于再生骨料在長(zhǎng)期的侵蝕作用以及破碎時(shí)擠壓作用下其自身存在大量細(xì)微裂縫與孔隙，也更加決定了再生混凝土抗裂性能的重要性。

盧科周通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料替代率為60%時(shí)，混凝土的開(kāi)裂程度最低，且開(kāi)裂程度隨著替代率變化的趨勢(shì)在該點(diǎn)處呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)折點(diǎn)趨勢(shì)[8]。胡天安發(fā)現(xiàn)摻入再生粗骨料后，混凝土早期開(kāi)裂單位面積上總開(kāi)裂面積明顯增大，早期抗裂能力明顯降低；隨著再生粗骨料替代率的提高，單位面積總開(kāi)裂面積呈現(xiàn)出先增大后變小的趨勢(shì)[9]。

5.5 建筑垃圾再生骨料的XRD分析

劉陵慶等人利用 XRD對(duì)再生集料進(jìn)行礦物成分分析結(jié)果表明再生骨料的主要成分為碳酸鈣和硅、鋁、鐵、鈣等元素的氧化物[4]。李庚英等人利用XRD對(duì)天然玄武巖骨料（NCA）、水洗的再生骨料（WJ-RCA）、先后用稀硫酸和氫氧化鈣飽和溶液清洗的再生骨料（SJ-RCA）以及先用水清洗再用水灰比為0.5的水泥漿液包裹的再生骨料（CJ-RCA）共4種試件進(jìn)行再生骨料表面的XRD圖譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。他們發(fā)現(xiàn)天然玄武巖主要由CaCO3和SiO2組成且SiO2遠(yuǎn)遠(yuǎn)比CaCO3要多。在不同處理工藝下，再生骨料的峰值高度仍存在差異，主要表現(xiàn)為利用清水處理的試件其最高峰值SiO2遠(yuǎn)高于第二峰值CaCO3。SJ處理的試件，其化學(xué)組成發(fā)生了明顯變化，CaCO3的峰值超過(guò)了SiO2。采用CJ處理的試件類(lèi)似于前者，CaCO3的峰值均有了大幅度的提高并且超過(guò)了SiO2[10]。

圖6 不同處理方式下再生骨料的XRD圖譜

6 結(jié)論

通過(guò)總結(jié)之前諸多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于再生骨料性能及其改性后性能的研究報(bào)告，主要得出以下結(jié)論：

（1）本文主要綜述了建筑垃圾再生骨料的宏微觀表征及其物化特性，再生骨料雖然較天然骨料各項(xiàng)性能均較差，但可經(jīng)過(guò)一些適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚泶蟠蟾纳圃偕橇系母黜?xiàng)性能并應(yīng)用于實(shí)際工程中。

（2）良好的級(jí)配也能夠在一定程度上彌補(bǔ)再生骨料相對(duì)于自然骨料的性能劣勢(shì)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)引起原有界面的微觀結(jié)構(gòu)變化往往能夠?qū)υ偕炷恋母男云鸬接行У淖饔谩?/p>

（3）再生骨料表面的硬化水泥砂漿，會(huì)很大程度上影響再生骨料的表觀密度及壓碎指標(biāo)，再生骨料在制作過(guò)程中造成內(nèi)部的輕微裂縫與孔隙則會(huì)使吸水率變高。