淺談廢棄混凝土機(jī)械力化學(xué)活化技術(shù)

陳佳龍 王 彥 喬月來 姜志煒

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

混凝土的使用年限大概在50～60年，到了規(guī)定的使用壽命之后無法再繼續(xù)服役，而此時對各種混凝土材料構(gòu)成的建筑物在被拆除之后就會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土。優(yōu)質(zhì)的廢棄混凝土塊破碎后形成的粗細(xì)集料可以投入混凝土的再生產(chǎn)，有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益。并且廢棄混凝土的再利用體現(xiàn)了了綠色環(huán)保的主題以及物質(zhì)循環(huán)再生這一理念，所以針對廢舊混凝土的改造利用也成為了混凝土研究的焦點。早在上世紀(jì)20年代機(jī)械力化學(xué)這一概念就曾被提出，而化學(xué)活化的概念則是指通過加入化學(xué)激發(fā)劑與改性劑等材料去改善粉煤灰的活性。因經(jīng)過機(jī)械力化學(xué)作用后可使原料或混合材料的活性增強(qiáng)，所以此工藝在水泥生產(chǎn)以及混凝土活化中也得到了逐漸多的應(yīng)用。對此法進(jìn)一步分析與更深入研究可推動廢舊混凝土研究與再生混凝土制造等領(lǐng)域的更蓬勃的發(fā)展。

1 廢棄混凝土

1.1 廢棄混凝土研究現(xiàn)狀

1）國外研究現(xiàn)狀，二戰(zhàn)之后，大量的廢棄混凝土產(chǎn)生，刺激了日本和德國興起再生混凝土技術(shù)，在1977年，日本建筑業(yè)協(xié)會頒布了《再生骨料和混凝土使用規(guī)范》，隨后美國、德國等國家也紛紛頒布草案、規(guī)范等，大量學(xué)者對廢棄混凝土進(jìn)行著系統(tǒng)性的研究。日本東京大學(xué)的YuyaSakai助理教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊將廢棄混凝土與廢棄木材結(jié)合，提高了混凝土的抗彎折強(qiáng)度的同時，還可以減少廢棄混凝土與廢棄木材的儲存量。并且這種添加了木質(zhì)素的混凝土或許能在廢棄后實現(xiàn)生物降解［1］。韓國的金夏石及其團(tuán)隊在擠壓制造混凝土面板的過程中，使用廢棄混凝土微粉取代二氧化硅粉，并且對產(chǎn)出的混凝土面板進(jìn)行了吸收比、長度變化、導(dǎo)熱性和耐火性等方面的實驗，為廢棄混凝土的使用提供了一條可行的道路［2］。加拿大SterlingVanderzee等人使用了一種間接的含水工藝對在混凝土中的碳酸鈣進(jìn)行提取，在省去傳統(tǒng)工藝一些步驟的同時同樣可以做到百分百回收廢棄混凝土中的鈣離子，達(dá)到目標(biāo)的同時也提高了生產(chǎn)效率［3］。伊朗Shahrekord大學(xué)的一個研究團(tuán)隊將不同的建筑廢棄材料按比例進(jìn)行混合，產(chǎn)出一種再生砂，并且對該再生砂進(jìn)行了化學(xué)性質(zhì)、吸水率、密度、耐磨性等方面進(jìn)行了研究。此外，還對使用該砂的不同砂灰比混凝土進(jìn)行力學(xué)性能的研究，拓展了廢棄混凝土的用途［4］?？梢钥闯鰪U棄混凝土的使用途徑并不狹窄，而真正重要的是尋找最適合最高效的使用方法和途徑。

2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀，大連理工大學(xué)的茅寧通過低溫煅燒-水熱合成技術(shù)進(jìn)行硅鈣制品的制備，有效的回收了廢棄混凝土中的鈣與硅。該團(tuán)隊通過改變煅燒制度，添加劑的摻量和種類，以及通過熱重分析、化學(xué)測試、XRD分析等辦法，確定了制備CaO最節(jié)能、最高效的方法。進(jìn)一步，通過XRD分析、SEM分析、孔溶液堿度測試，耐水性試驗等方法對水熱合成制品進(jìn)行研究，得出了合適的配料比例和環(huán)境條件［5］。何健恒等人探尋了不同煅燒溫度、不同激發(fā)劑配方對廢砂漿粉活性的影響，并且確定了最佳溫度和最佳配方。進(jìn)一步，實驗研究了廢砂漿粉代替部分水泥后，廢砂漿粉對混合水泥的影響［6］。鄭州大學(xué)的張海偉對兩種不同粉碎機(jī)粉碎的再生骨料進(jìn)行了研究，并對比現(xiàn)行的骨料指標(biāo)要求對廢棄混泥土路面再生骨料工藝進(jìn)行了優(yōu)化。另外，他對再生骨料進(jìn)行了一系列的力學(xué)性能試驗，得到再生骨料與天然骨料之間的區(qū)別，不同水泥摻量與再生骨料之間的互相影響［7］。

1.2 廢棄混凝土再利用的意義

在我國，混凝土作為廣泛應(yīng)用的建筑材料，由其產(chǎn)生的建筑垃圾都多達(dá)2億噸/年。一方面，如果不加以回收利用，其浪費的礦石等材料是巨大，極大程度的損耗了我國的礦石資源。礦石資源作為重要的建筑材料來源，其若發(fā)生短缺，勢必會影響整個建筑行業(yè)，使建筑行業(yè)的發(fā)展停滯。另一方面，回收的廢棄混凝土，不僅可以作為再生骨料，再次投入建筑施工中，而且大量廢棄混凝土也可以作為眾多工業(yè)用品的材料來源，經(jīng)過提取與加工，其產(chǎn)出的資源可以再次投入生產(chǎn)，發(fā)揮其第二次作用，實現(xiàn)資源的再利用。

另外，廢棄混凝土對環(huán)境的污染也是巨大的，很多地區(qū)對廢棄混凝土的處理是送往垃圾場進(jìn)行填埋，浪費了大量的土地資源。同時廢棄混凝土不具備生物降解性，上述的處理方式將嚴(yán)重破壞環(huán)境。因此，建筑垃圾的合理化處理迫在眉睫。

2 混凝土活化工藝

2.1 混凝土活化的研究現(xiàn)狀

青海大學(xué)的康曉明研究了在不同的化學(xué)激發(fā)劑和不同熱處理的情況下再生粉末的活性激發(fā)效果。在800℃下，球磨30min的狀態(tài)下，康曉明發(fā)現(xiàn)再生粉末利用率可以提高到20%，并且該方式對再生粉末的激發(fā)效果也是最好。同時，作者還研究了由再生微粉、粉煤灰、水泥組成的再生砂漿在粉體體系不同的顆粒級配下抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)［8］。昆明理工大學(xué)的李根也對水泥石粉末的機(jī)械活化進(jìn)行了一系列的研究。實驗使用超微空氣粉磨機(jī)對水泥石進(jìn)行了機(jī)械活化，通過改變粉磨的時間，改變粉體活性，同時發(fā)現(xiàn)水泥石粉體中的部分物質(zhì)出現(xiàn)了水化反應(yīng)活性［9］。廣西大學(xué)的張小利在其論文中提到，當(dāng)對廢棄混凝土進(jìn)行化學(xué)激發(fā)時，傳統(tǒng)的激發(fā)劑，例如Na2SO4、CaCl2、Ca（OH）2等將不具有激發(fā)效果，但F激發(fā)劑可促進(jìn)水泥中物質(zhì)水化，進(jìn)而提高廢棄混凝土粉的活性［10］。

2.2 混凝土活化的意義

廢棄混凝土在回收之后，要經(jīng)過一系列的處理才能在此投入使用，活化能夠改善廢棄混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升其作再生骨料的質(zhì)量，同時，一些活化方式能夠改變再生粉末中部分物質(zhì)的性質(zhì)，使得廢棄混凝土的性能發(fā)生很大改變。與天然骨料相比，再生粉末不改變水泥需水量，但可以減少水泥的凝結(jié)時間。研究表明，當(dāng)再生微粉以一定比例的摻量代替水泥或粉煤灰時，產(chǎn)生的再生砂漿強(qiáng)度基本大于基準(zhǔn)再生砂漿。性能良好的再生砂漿，能夠與水泥、粉煤灰及再生骨料形成良好的級配，從而提高再生砂漿的抗壓強(qiáng)度［11］。

2.3 常見混凝土活化技術(shù)

1）機(jī)械力化學(xué)活化，機(jī)械力化學(xué)活化是通過振動磨、氣流粉碎機(jī)等機(jī)器對再生微粉進(jìn)行粉末活化，使得再生微粉產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的變化，相當(dāng)于機(jī)械能與化學(xué)能之間發(fā)生轉(zhuǎn)換。此方法也是活化再生微粉最好的辦法，在機(jī)械力的作用下，微粉逐漸細(xì)化，發(fā)生結(jié)構(gòu)上的改變，同時其物理化學(xué)性質(zhì)也得到了改變［12］。目前常用的振動破碎式再生機(jī)是通過振動力使得舊砂之間相互摩擦，消除其表面的惰性膜，能過讓舊砂的物理化學(xué)性質(zhì)與新砂相類似，從而完成廢棄混凝土的再利用［13］。超微氣流粉碎機(jī)是通過向被粉碎物料噴射氣體，同樣使得物質(zhì)之間相互摩擦，產(chǎn)生性質(zhì)上的改變。余小小等人通過實驗對比了氣流粉碎和振動球磨對再生微粉粒徑分布、物相、形貌三個方面的不同影響，發(fā)現(xiàn)用氣流粉碎制造再生微粉有更高的利用率和更大的利用范圍［14］。

2）物理激發(fā)，物理激發(fā)主要是通過對廢棄混凝土進(jìn)行分揀、過篩、研磨等步驟，通常研磨時會提供較高的溫度，提高再生微粉的活性。對于用物理激發(fā)的方式激活廢棄燒結(jié)磚粉，徐如林等人通過實驗發(fā)現(xiàn)在研磨前期，延長研磨時間對活性激發(fā)有明顯效果，研磨40分鐘后，激發(fā)效果增長緩慢［15］。

3）化學(xué)激發(fā)，化學(xué)激發(fā)主要是通過加入堿性激發(fā)劑，加速再生微粉的水化，傳統(tǒng)的激發(fā)劑有Na2SO4、CaCl2、Ca（OH）2等，一般機(jī)械球磨和化學(xué)激發(fā)劑一同使用，可以更好的活化再生微粉［16］。

3 機(jī)械力化學(xué)活化原理

3.1 機(jī)械力化學(xué)理論與效應(yīng)

1）機(jī)械力化學(xué)理論，機(jī)械力化學(xué)指的是關(guān)于固體材料在機(jī)械力作用下，由于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生不規(guī)則變化并且出現(xiàn)多相晶形變化，最終導(dǎo)致結(jié)晶學(xué)性質(zhì)、物理化學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)等作有規(guī)律變化的一門科學(xué)。上世紀(jì)20年代，德國人Ostwald［17］提出機(jī)械力化學(xué)這一概念，他從催發(fā)化學(xué)反應(yīng)的能量來源方面考慮，以已有的熱化學(xué)、電化學(xué)等為基礎(chǔ)，創(chuàng)造性地把由機(jī)械能誘發(fā)的化學(xué)反應(yīng)稱之為機(jī)械力化學(xué)。

2）機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)，機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)根據(jù)發(fā)生程度的不同，可以分為以下三個層次［18］。①物理效應(yīng)：物理效應(yīng)是由于固體物料經(jīng)機(jī)械力作用而出現(xiàn)的。從宏觀的角度來看比表面積增大；從微觀的角度來看，例如導(dǎo)電性能、催化特性、燒結(jié)性能、分散度、吸附性能等等會發(fā)生變化。但總而言之，本層次物料不發(fā)生化學(xué)組成方面的變化，所以依靠物料物理效應(yīng)增強(qiáng)活性稱為機(jī)械激活［19］。②結(jié)晶狀態(tài)：粉磨中催發(fā)的不定狀物使體系的能量聚集，衍生而成的高活性不穩(wěn)定相是致使粉體結(jié)晶狀態(tài)的主要因素。但是在機(jī)械作用產(chǎn)生的能量超過相變所需能量的條件下，就足以使得晶型發(fā)生轉(zhuǎn)化。③化學(xué)反應(yīng)：在分子原子水平的相互擴(kuò)散及其達(dá)到不可逆平衡，固體物料間的機(jī)械力化學(xué)反應(yīng)將會發(fā)生［20］。在固體內(nèi)部，運動速率和受位錯的數(shù)量決定了擴(kuò)散速率。如上文所述，物料在機(jī)械力的作用下發(fā)生晶格變形增加了位錯的數(shù)量，從而導(dǎo)致了自發(fā)的導(dǎo)向擴(kuò)散速率的增大。機(jī)械粉磨作用也可以促使化學(xué)反應(yīng)的聚集，減少反應(yīng)物料的間距，及時移走產(chǎn)物，從而催發(fā)了機(jī)械化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生。

3.2 晶質(zhì)二氧化硅的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)

固體物料在粉磨過程中發(fā)生變形導(dǎo)致其中晶體的晶格畸變，致使部分機(jī)械能以晶格畸變能的形式儲存于各缺陷處，繼而形成機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)的活化點。據(jù)研究表明［21］，晶體缺陷的類型與物料的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)的反應(yīng)速度關(guān)系緊密，其對化學(xué)反應(yīng)速度的影響由大到小依次為晶格常數(shù)變化、面缺陷、線缺陷、點缺陷。在粉粒體內(nèi)部儲存的能量增加到遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純?nèi)毕輧Υ娴哪芰織l件下，將會出現(xiàn)無定形化。根據(jù)上述原理，例如經(jīng)過粉磨過程，晶質(zhì)非活性的SIO2（即α一SIO2）會發(fā)生礦物相變，先轉(zhuǎn)變?yōu)棣乱籗IO2，并隨著粉磨時間的延長其表面會受到強(qiáng)烈的破壞，最終轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)無定形化。

4 廢棄混凝土機(jī)械力活化再利用

4.1 利用機(jī)械力化學(xué)活化技術(shù)獲得再生混凝土的可行性

作為混凝土中的膠凝材料，水泥往往包含較多的粗顆粒。在將粗顆粒粉磨后，其強(qiáng)度將有進(jìn)一步的提高，從而達(dá)到應(yīng)用的要求；其次經(jīng)研究，廢棄混凝土中硬化漿體所含的水化物在一定溫度下會產(chǎn)生脫水現(xiàn)象，脫水后會接近原始材料的組成成分，為其作為原料再利用煅燒水泥熟料提供了基礎(chǔ)；另外經(jīng)探究，粉磨過程中由于外力施加于物料顆粒的能量產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械力化學(xué)作用，使得反應(yīng)可在常溫下進(jìn)行，繼而使得粉磨合成熟料礦物成為可能。因此將廢棄的混凝土材料經(jīng)過分離、粉磨，經(jīng)受機(jī)械力化學(xué)活化作用，達(dá)到下面所述應(yīng)用效果：①作為生產(chǎn)水泥的原材料；②作為水泥的混合材料；③生產(chǎn)低標(biāo)號砌筑水泥或抹灰水泥；④作為新拌混凝土的細(xì)骨料，

4.2 所制再生混凝土力學(xué)性能與工作性能

經(jīng)過試驗表明無論是加入助磨劑還是延長粉磨時間，都能夠有效地提高對廢棄混凝土中晶質(zhì)二氧化硅的活化程度，從而提高了了再生混凝土的力學(xué)性能，如抗壓、抗拉抗折強(qiáng)度等。通過機(jī)械力化學(xué)活化技術(shù)制得的再生混凝土無論是技術(shù)性能還是力學(xué)性能均可達(dá)到國家42.5水泥標(biāo)準(zhǔn)，滿足GB175-1999要求。

5 結(jié)語

廢棄混凝土作為建筑垃圾的一種每年都都會大量產(chǎn)出，并且在目前基建建設(shè)一直是我國的重點開發(fā)項目。所以在能夠提高其再利用率方面有著十分廣闊的前景，機(jī)械力活化工藝在增強(qiáng)材料活性方面有明顯的增益效果，特別是在廢棄混凝土向再生混凝土轉(zhuǎn)變的過程中所體現(xiàn)。如構(gòu)成混凝土的材料如粉煤灰等水硬水化活性有待于進(jìn)一步發(fā)掘而且此類材料在早期強(qiáng)度相對不高，但是通過機(jī)械力化學(xué)活化卻可以使其粉磨細(xì)度得以提高，并且擴(kuò)大了其與激發(fā)組分之間的接觸從而改變結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其水化活性。對此法進(jìn)行深入的分析研究能對建筑、交通等基建行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行助力推動，從而在一定程度上推動國民經(jīng)濟(jì)的增長。