建筑垃圾再生骨料強(qiáng)化研究綜述＊

吳建超，程宇東，鐘 彤，賴登甲，陳宗武,2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

1 引言

近年來，我國城鄉(xiāng)發(fā)展迅速，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐不斷加快，城鄉(xiāng)品質(zhì)得到提升的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，尤其在新農(nóng)村建設(shè)、城郊大開發(fā)、城市改擴(kuò)建以及城鄉(xiāng)公路升級改造等過程中。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究院的調(diào)查數(shù)據(jù)，2006 年至2019年我國建筑垃圾產(chǎn)生量持續(xù)增長，其中2018 年和2019 年漲幅較大，相比上一年分別上漲了19.5%和21.1%，2019 年總量已突破2.3×109t，如圖1 所示［1］。結(jié)合城鄉(xiāng)發(fā)展中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加快的背景來看，未來建筑垃圾產(chǎn)生量勢必將持續(xù)走高。

圖1 2006—2019 年我國建筑垃圾產(chǎn)生量Figure 1 Construction and demolition debris output in China from 2006 to 2019

我國絕大多數(shù)建筑垃圾未經(jīng)任何處理便被運(yùn)往郊外或鄉(xiāng)村，采用露天堆放或填埋的方式進(jìn)行處理，某些單位甚至直接將建筑垃圾非法傾倒在周邊的洼地或山溝。這不僅占用大量土地，而且嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，清運(yùn)和堆放過程中產(chǎn)生的遺撒、揚(yáng)塵等問題也會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前部分建筑垃圾得到回收及資源化再利用，但其再生利用率低，僅在5%左右［2］。如何高效、高附加值處置建筑垃圾一直是國內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)從業(yè)人員的研究熱點(diǎn)。

廣義上講，建筑垃圾是指各類建筑物、構(gòu)筑物等在鋪筑、建設(shè)或拆除過程中所殘留下來的棄土、棄料、淤泥及其他廢棄物［3］。建筑垃圾按照不同的產(chǎn)生源地可分為土地開挖垃圾、道路開挖垃圾、舊建筑拆除垃圾、建筑施工垃圾以及建材垃圾，如表1 所示［4］。其中，舊建筑拆除垃圾數(shù)量最大，約占建筑垃圾總量的58% 以上［5］，其成分主要為廢舊混凝土、廢磚塊、鋼筋、木材等，可利用價(jià)值較高。

表1 建筑垃圾分類Table 1 Classification of construction and demolition debris

近些年，我國公路建設(shè)蓬勃發(fā)展，全國公路總里程、公路密度逐年增加，如圖2 所示［6］。道路建設(shè)有賴于大量水泥混凝土和瀝青混合料的支撐，而骨料是這兩類道路材料的主要原材料，例如瀝青混合料中骨料占比達(dá)90% 以上［7］，因此道路建設(shè)需要耗用大量玄武巖、石灰?guī)r等優(yōu)質(zhì)巖石。高質(zhì)量巖石的供需矛盾目前已經(jīng)比較突出，供不應(yīng)求的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這導(dǎo)致筑路原材料價(jià)格飆漲，建筑工程利潤空間被嚴(yán)重?cái)D壓，原材料價(jià)格上漲正成為諸多工程項(xiàng)目最大的不可控因素。這不僅增加了施工單位的經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也嚴(yán)重影響了項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)程。

圖2 2016—2020 年我國公路總里程及公路密度Figure 2 Total mileage and density of traffic road in China from 2016 to 2020

若能將建筑垃圾中的廢舊混凝土塊、廢磚塊等加工處理成技術(shù)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求的再生骨料，再重新應(yīng)用于道路建設(shè)，將具有顯著的環(huán)保及資源化意義：一方面可解決大量建筑垃圾堆積造成的生態(tài)環(huán)境惡化等問題；另一方面，可有效減少道路建設(shè)對天然砂石的開采，一定程度上解決天然石料日益匱乏對道路建設(shè)造成的困擾，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)資源的充分利用，促進(jìn)道路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。此外，可降低施工單位的經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)，為工程順利完成提供保障。

2 再生骨料的性能缺陷

與天然石料相比，再生骨料具有孔隙率高、吸水率高、表觀密度低、表面微裂紋多、強(qiáng)度低等缺陷［8-9］。趙兵偉等［10］通過掃描電子顯微鏡（SEM）分析發(fā)現(xiàn)再生骨料表面存在大量微裂紋及開口孔隙。微裂紋及孔隙的存在勢必影響再生骨料的材料特征，再生骨料基本物理性能指標(biāo)測試結(jié)果顯示，再生骨料表現(xiàn)出吸水率高、壓碎值高、表觀密度低的特點(diǎn)。黎建敏等［11］進(jìn)一步對比分析了再生骨料與天然石料的表面微觀形貌，SEM 分析結(jié)果表明再生骨料表面孔隙率明顯高于天然石料，如圖3 所示［11］。吸水率和壓碎值試驗(yàn)同樣證實(shí)再生骨料的吸水率、壓碎值明顯高于天然石料。Eckert 等［12］的研究也表明再生骨料的吸水性遠(yuǎn)高于天然石料。Pradhan 等［13］發(fā)現(xiàn)再生骨料的物理力學(xué)性能是影響再生混凝土性能的重要參數(shù)：再生骨料的高吸水性影響再生混凝土的水灰比，從而影響再生混凝土的和易性；制備的再生混凝土因再生骨料強(qiáng)度低而力學(xué)性能不佳。

圖3 再生骨料和天然石料的SEM 圖像Figure 3 SEM images of recycled aggregate and natural stone

再生骨料存在一系列的性能缺陷，這主要?dú)w因于廢舊混凝土塊中的砂漿。一方面，砂漿促使廢舊混凝土塊在破碎過程中易產(chǎn)生微裂紋；另一方面，裹附在再生骨料表面的砂漿，孔隙豐富、強(qiáng)度低且與再生骨料的黏結(jié)面不牢固。這些特征導(dǎo)致再生骨料存在吸水率高、表觀密度低、強(qiáng)度低等性能缺陷。

對再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理是目前提升其性能的最常用技術(shù)手段：借助外力或外加劑對再生骨料進(jìn)行砂漿分離、砂漿增強(qiáng)處理，達(dá)到改善再生骨料性能缺陷的目的。本研究基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對現(xiàn)有再生骨料強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行較全面的歸納總結(jié)和分析。

3 再生骨料強(qiáng)化技術(shù)

3.1 砂漿分離技術(shù)

3.1.1 磨耗法

機(jī)械磨耗法是在外荷載的作用下，利用再生骨料與機(jī)械設(shè)備或再生骨料顆粒之間的相互摩擦，去除黏附在再生骨料表面的水泥砂漿。李強(qiáng)等［14］發(fā)現(xiàn)隨著磨耗設(shè)備轉(zhuǎn)動圈數(shù)或鋼球數(shù)量的增加，再生骨料的工程性能得到顯著改善。李秋義等［15］提出了再生骨料顆粒整形強(qiáng)化法，其工作原理如圖4 所示［15］，再生骨料與整形設(shè)備的扇葉高速摩擦后，表面附著的水泥砂漿隨之脫落。

圖4 顆粒整形工作原理Figure 4 Working principle of particle shape modification

Shima 等［16］考慮了溫度對再生骨料表面砂漿磨耗分離效果的影響，提出了加熱磨耗法：將廢舊混凝土首先破碎、篩分成粒徑小于40 mm 的骨料，然后再加熱至300 ℃進(jìn)行機(jī)械磨耗。此方法主要基于再生骨料不同成分具有不同的熱膨脹系數(shù)而提出，高溫作用下再生骨料表層砂漿易剝落。但該方法對加熱溫度有要求。蘇燕等［17］用馬弗爐對再生骨料進(jìn)行加熱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加熱至500 ℃時(shí)，再生骨料性能得到改善；而加熱至700 ℃時(shí)，再生骨料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

機(jī)械磨耗法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、操作便捷，強(qiáng)化處理后的再生骨料耐久性好。缺點(diǎn)是耗能較大；加熱磨耗需要控制好溫度；容易產(chǎn)生揚(yáng)塵而污染環(huán)境；當(dāng)再生骨料表面附著砂漿量過多時(shí)不易實(shí)現(xiàn)其徹底剝離，且再生骨料的外觀形態(tài)會因磨耗而變得圓潤，失去棱角性優(yōu)勢。

3.1.2 酸溶液反應(yīng)法

采用酸性溶液浸泡再生骨料，表層砂漿可與酸性溶液發(fā)生反應(yīng)從而剝落。常用酸性溶液有HCl、H2SO4。水泥砂漿在酸性溶液中的反應(yīng)方程如式（1）和式（2）所示［18］。

張智斌等［19］研究發(fā)現(xiàn)，采用濃度為3%的HCl溶液浸泡處理再生骨料12 h 可使再生混凝土的強(qiáng)度提升14%；Kim 等［20］采用HCl 和Na2SO4分別對再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化，通過對剩余砂漿的定量分析，確定HCl 去除再生骨料表面黏附砂漿的能力強(qiáng)于Na2SO4；胡旭晗等［21］發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化再生骨料的效果與酸性溶液濃度、浸泡再生骨料的時(shí)間有關(guān)，濃度過高或浸泡時(shí)間過長都會降低再生骨料的性能。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是酸性溶液容易配制，且能循環(huán)利用，強(qiáng)化工藝較為簡單，強(qiáng)化處理后的再生骨料也擁有良好的耐久性。但缺點(diǎn)也很明顯，其對再生骨料性能的改善效果與骨料表面砂漿量的多少有關(guān)。當(dāng)再生骨料表面砂漿量過多時(shí)，酸性溶液不能對其實(shí)現(xiàn)有效剝離；當(dāng)再生骨料表面砂漿量過少時(shí)，酸性溶液則可能會腐蝕與砂漿黏結(jié)的天然石料。

3.2 砂漿增強(qiáng)技術(shù)

3.2.1 無機(jī)強(qiáng)化技術(shù)

3.2.1.1 膠凝材料裹附法

張方德［22］采用水泥漿強(qiáng)化再生骨料進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，稠度適中的水泥漿液可以很好地填充骨料表面的孔隙和微裂紋，隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，水泥漿液逐漸凝結(jié)硬化，同時(shí)水泥漿液的膠結(jié)作用使其與再生骨料的孔壁牢牢黏附在一起。水泥漿液硬化完成后，再生骨料強(qiáng)度提高，吸水率降低。選擇粒度較小的水泥，更有利于對再生骨料表面孔隙和微裂紋的填充。

除了使用單一的水泥漿液，還有學(xué)者在水泥中外摻活性礦物。該方法同樣是基于水泥外摻活性礦物漿液填充再生骨料表面孔隙和微裂紋。同時(shí)，水泥外摻活性礦物漿液與骨料表面附著的砂漿可發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成物也可填充孔隙和裂紋。常用的水泥外摻活性礦物有粉煤灰、硅灰、硅藻土、稻殼灰等。

粉煤灰是常見的活性礦物，采用水泥外摻粉煤灰漿強(qiáng)化再生骨料制備的混凝土，理論上性能應(yīng)得到顯著提升。但李瀅等［23］通過研究發(fā)現(xiàn)，采用水泥外摻30% 粉煤灰的漿液強(qiáng)化再生骨料，對再生混凝土強(qiáng)度的改變不大。杜婷等［24］的研究同樣表明采用水泥外摻粉煤灰漿對再生混凝土強(qiáng)度的改善效果不明顯。這與粉煤灰的摻量有關(guān)，粉煤灰摻量過多會減少Ca（OH）2等水泥水化產(chǎn)物的生成，進(jìn)而影響再生混凝土的強(qiáng)度。劉慶東等［25］也證實(shí)過量摻配粉煤灰的水泥漿液不利于再生混凝土性能的提升。

丁天平等［26］對比了水泥分別外摻硅灰和硅藻土對再生骨料性能的改善效果。研究發(fā)現(xiàn)采用水泥外摻硅灰漿液強(qiáng)化后的再生骨料，其壓碎值降低了19.2%，1 h 吸水率也降低了3.3%；相比于前者，水泥外摻硅藻土漿液對再生骨料的強(qiáng)化效果略佳。這是因?yàn)楣柙逋帘缺砻娣e很高，一般大于25 000 m2/kg，粒度越小越容易填充再生骨料表面的孔隙和微裂紋。張繼華等［27］考察了水泥復(fù)摻稻殼灰和高嶺土漿液對再生混凝土性能的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及耐久性都得到不同程度的提高，當(dāng)?shù)練せ遗c高嶺土的摻配比例為3∶1 時(shí)，復(fù)合漿液對再生混凝土性能的改善效果最佳。稻殼灰中SiO2含量高達(dá)87%～97%，且其活性指數(shù)高，比表面積高達(dá)60 000 m2/kg以上，同時(shí)具備一定的干燥強(qiáng)度和黏結(jié)性。當(dāng)?shù)練せ遗c高嶺土混合使用時(shí)，再生骨料表面孔隙及裂紋被填充，強(qiáng)度得到提高。

膠凝材料是對再生骨料表面的孔隙、微裂紋等進(jìn)行填充而達(dá)到強(qiáng)化砂漿層的目的，該方法經(jīng)濟(jì)性高，實(shí)施難度小，對環(huán)境幾乎沒有影響。缺點(diǎn)是外摻活性礦物的含量不能過多；對外摻活性礦物的細(xì)度要求高；膠凝材料硬化時(shí)會有體積收縮，可能造成開裂，故膠凝材料強(qiáng)化后的再生骨料耐久性一般。

3.2.1.2 納米SiO2溶液浸泡法

有學(xué)者使用納米SiO2溶液強(qiáng)化再生骨料。朱勇年等［28］用納米SiO2溶液浸泡再生骨料，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)活性較高的納米SiO2可與再生骨料表層砂漿中的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成C—S—H 凝膠，填充再生骨料表面孔隙及微裂紋，從而降低其吸水率。林騰瑋等［29］通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米SiO2溶液濃度為4%、浸泡時(shí)間為36 h 時(shí)，對再生骨料的強(qiáng)化效果最佳，強(qiáng)化后的再生骨料吸水率、壓碎值分別降低了12.5%、5.9%。范玉輝等［30］發(fā)現(xiàn)，采用納米SiO2溶液強(qiáng)化再生骨料制備的再生混凝土，強(qiáng)度較未強(qiáng)化處理時(shí)增加約4.4%。Lei 等［31］發(fā)現(xiàn)采用濃度為5%的納米SiO2溶液處理再生骨料可有效提高再生混凝土的耐久性。

納米SiO2溶液具有較好的分散性，且具備一定活性，對再生骨料表面孔隙有較好的填充效果；強(qiáng)化工藝簡單，對環(huán)境影響小。但納米SiO2通常價(jià)格昂貴，不適宜用于大批量再生骨料的強(qiáng)化處理。

3.2.1.3 硅酸鹽溶液浸泡法

相比價(jià)格昂貴的SiO2溶液，硅酸鹽溶液顯得較為經(jīng)濟(jì)。朱坤學(xué)等［32］研究了硅酸鈉溶液對再生骨料的強(qiáng)化效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。當(dāng)硅酸鈉溶液濃度從0 增加到8%時(shí)，再生骨料的吸水率降至6.6%，相較于未強(qiáng)化的再生骨料，吸水率下降了18%，降幅達(dá)到最大；當(dāng)硅酸鈉溶液濃度繼續(xù)增加到10% 時(shí)，再生骨料的吸水率反增，這是由于硅酸鈉溶液與再生骨料表層砂漿中的鈣離子和鋁離子反應(yīng)生成了水化硅鋁酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體，硅鋁酸鈣凝膠自身具有吸水性，從而導(dǎo)致再生骨料的吸水率反增。隨著硅酸鈉溶液濃度的增加，再生骨料表觀密度逐漸增加；當(dāng)硅酸鈉溶液濃度增加到10% 時(shí)，再生骨料表觀密度達(dá)到2 590 kg/m3，接近天然石料的水平，滿足規(guī)范對骨料表觀密度的要求［33］。當(dāng)硅酸鈉溶液濃度從8%增加到10%時(shí)，強(qiáng)化再生骨料表觀密度僅增加0.39%，然而吸水率不降反增，漲幅為10.6%。以強(qiáng)化目的為出發(fā)點(diǎn)，相比10%濃度的硅酸鈉溶液，8%濃度顯得更合適。

圖5 硅酸鈉溶液濃度對再生骨料吸水率、表觀密度的影響Figure 5 Effects of sodium silicate solution concentration on the water absorption and apparent density of recycled aggregate

張譚龍等［34］發(fā)現(xiàn)采用硅酸鈉溶液強(qiáng)化再生骨料制備的混凝土水化程度雖然略遜色于天然石料混凝土，但其水化程度依然較高。如圖6 所示［34］，對于天然石料混凝土，水化物顆粒彼此緊密排列，混凝土內(nèi)孔隙小，無裂紋或存在極少裂紋；對于采用硅酸鈉溶液強(qiáng)化再生骨料制備的混凝土，雖然出現(xiàn)了細(xì)微的裂紋，但是不影響其強(qiáng)度的形成，強(qiáng)化后多絮狀凝膠體，結(jié)構(gòu)致密。

圖6 天然石料混凝土和硅酸鈉強(qiáng)化再生混凝土的SEM 圖像Figure 6 SEM images of natural stone concrete and sodiumsilicate reinforced recycled concrete

水玻璃是一種可溶性的無機(jī)硅酸鹽水溶液，俗稱泡花堿，分為硅酸鈉水玻璃和硅酸鉀水玻璃等幾個類型。最常用的是硅酸鈉水玻璃，其化學(xué)分子式為Na2O·nSiO2。羅娜等［35］發(fā)現(xiàn)再生骨料經(jīng)濃度為8%的水玻璃溶液浸泡5 h 后性能有明顯改善；宋學(xué)鋒等［36］的研究表明，采用濃度為10%（模數(shù)2.8）的水玻璃溶液強(qiáng)化后的再生骨料壓碎值、吸水率分別下降了14.5% 和29.5%；林航［37］的研究也表明經(jīng)濃度為20% 的水玻璃溶液強(qiáng)化后的再生骨料，飽和吸水率下降了5.6%，壓碎值降低了10.6%。這是因?yàn)樗ＡУ闹饕煞质荢iO2和Na2O，在水溶液中與再生骨料表層砂漿發(fā)生反應(yīng)［18］，如式（3）所示，反應(yīng)生成物填充了再生骨料表面孔隙，從而使得再生骨料的吸水率和壓碎值降低。但水玻璃溶液濃度過高或浸泡再生骨料的時(shí)間過長，都不利于改善再生骨料的性能。程海麗等［38］用不同濃度水玻璃溶液浸泡再生骨料，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨水玻璃溶液濃度的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。這是由于在高濃度水玻璃溶液條件下，水解產(chǎn)物多，對再生骨料孔隙及微裂紋填充的同時(shí)，也在再生骨料表面形成一層憎水保護(hù)膜。這層憎水保護(hù)膜減弱了再生骨料表面的粗糙度，進(jìn)而降低了再生混凝土中再生骨料與砂漿間的黏結(jié)力。因而再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨水玻璃溶液濃度的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。

楊小龍［39］也研究了不同濃度水玻璃溶液對再生骨料的強(qiáng)化效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。低濃度水玻璃與骨料表面砂漿反應(yīng)生成的凝膠物質(zhì)較少，不足以填充孔隙和微裂紋；隨著水玻璃溶液濃度的增加，生成的凝膠物質(zhì)也變多，再生骨料的吸水率顯著下降。當(dāng)水玻璃溶液濃度達(dá)到4%時(shí)，再生骨料的吸水率達(dá)到最低；但隨著水玻璃溶液濃度的繼續(xù)增加，雖然再生骨料表面形成了一層憎水保護(hù)膜，但過量的水玻璃會與砂漿中的成分反應(yīng)生成其他吸水性物質(zhì)，致使再生骨料的吸水率有較小幅度提升。圖7 還顯示出，再生骨料的壓碎值隨水玻璃溶液濃度的增大而減小。這是因?yàn)殡S著水玻璃溶液濃度逐漸增大，反應(yīng)生成的膠體物質(zhì)越來越多，這些物質(zhì)能很好地填充骨料表層孔隙、微裂紋。水玻璃溶液強(qiáng)化再生骨料的效果較好，強(qiáng)化后的再生骨料表面孔隙、微裂紋得到顯著填充，結(jié)構(gòu)更加致密。但實(shí)際操作時(shí)應(yīng)注意控制水玻璃溶液的濃度以及對再生骨料的浸泡時(shí)間。

圖7 水玻璃溶液濃度對再生骨料吸水率、壓碎值的影響Figure 7 Effects of concentration of sodium silicate solution on the water absorption and crushing value of recycled aggregate

滲透結(jié)晶材料是一種可溶于水的活性物質(zhì)，其硅酸鹽成分以水為載體可滲透到再生骨料表層砂漿裂紋處，反應(yīng)生成硅酸鈣結(jié)晶，如式（4）所示，從而提升再生骨料的性能。

王海超等［40］用滲透結(jié)晶溶液強(qiáng)化處理再生骨料，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化處理后的再生骨料吸水率下降了76.4%，壓碎值下降了19.3%，再生骨料總體強(qiáng)度與天然石料接近。楊小龍［39］也研究了滲透結(jié)晶防水劑對再生骨料的強(qiáng)化效果，通過SEM 觀測到水泥基滲透結(jié)晶防水劑浸泡后的再生骨料表面大部分裂紋被填充（圖8），強(qiáng)化后的骨料結(jié)構(gòu)呈密實(shí)狀態(tài)，圖中被標(biāo)記的部分為滲透結(jié)晶防水劑反應(yīng)后析出的結(jié)晶體。采用純水泥漿、水泥外摻活性礦物漿液強(qiáng)化再生骨料時(shí)，強(qiáng)化效果僅限于再生骨料表層，強(qiáng)化不徹底。而采用滲透結(jié)晶材料強(qiáng)化再生骨料時(shí)，溶液中的硅酸鹽可有效滲透到骨料深層，與其中的鈣離子發(fā)生反應(yīng)，如式（4）所示，這種“自我修復(fù)”產(chǎn)生的結(jié)晶物質(zhì)可有效填充骨料深層裂紋，提升再生骨料的整體性能。

圖8 強(qiáng)化后的再生骨料表面SEM 圖像Figure 8 SEM images of the surface of reinforced recycled aggregate

硅酸鹽溶液浸泡法在再生骨料強(qiáng)化效果、耐久性、環(huán)境影響及實(shí)施難易度方面有一定優(yōu)勢，經(jīng)硅酸鹽溶液強(qiáng)化處理后的再生骨料裂紋填充效果明顯，吸水率和壓碎值得到有效降低。該方法的不足之處是實(shí)際操作時(shí)要特別注意控制硅酸鹽溶液的濃度，避免因濃度過高導(dǎo)致再生骨料吸水率反增和再生混凝土強(qiáng)度反降的問題。

3.2.1.4 CO2碳化法

再生骨料表面附著一定量的硬化水泥漿，水泥水化產(chǎn)物（70% 為C—S—H 凝膠產(chǎn)物，20% 為氫氧化鈣）很容易與空氣中的CO2發(fā)生碳化反應(yīng)生成碳酸鈣和硅膠［41］，如式（5）、式（6）所示。碳酸鈣屬于難溶性鈣鹽，能夠析出填充在孔隙中，從而有效提升硬化水泥漿體的密實(shí)度和強(qiáng)度。

利用CO2養(yǎng)護(hù)再生骨料可減少再生骨料的孔隙和微裂紋，提高骨料的基本性能［42-44］。Kou 等［42］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)濃度為99% 的CO2可提高再生骨料的密度，降低再生骨料的吸水率和壓碎值。再生混凝土的性能也得到了改善：抗壓強(qiáng)度提高，干燥收縮減小，抗氯離子滲透能力提高。程亞卓等［45］采用濃度為80%～85%的CO2強(qiáng)化再生骨料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化后的再生骨料吸水率、壓碎值分別降低了17.9%和25.8%。采用該再生骨料制備的再生混凝土，90 d 抗壓強(qiáng)度提高了47.6%。Pan 等［46］采用氫氧化鈣預(yù)浸泡方式提高再生骨料中可碳化物質(zhì)的含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用該措施可進(jìn)一步提高CO2強(qiáng)化再生骨料的效果。但應(yīng)注意控制氫氧化鈣濃度、浸泡再生骨料的時(shí)間，避免造成骨料的軟化和氫氧化鈣的富集。應(yīng)敬偉等［47］的研究進(jìn)一步表明CO2碳化后的再生骨料基本物理性能趨近于天然石料。殷偉等［48］利用加速碳化和包殼技術(shù)對再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用強(qiáng)化再生骨料制備的混凝土強(qiáng)度達(dá)到C40 水平。

從碳化機(jī)理來看，CO2碳化再生骨料是一種比較有效的強(qiáng)化方式，對周圍環(huán)境幾乎沒有影響。但CO2作為氣體，在反應(yīng)過程中濃度不好控制，對碳化設(shè)備要求高，實(shí)施較復(fù)雜。另外，CO2碳化時(shí)間較長，加速碳化在一定程度上會增加經(jīng)濟(jì)成本。

3.2.2 有機(jī)強(qiáng)化技術(shù)

3.2.2.1 有機(jī)硅樹脂溶液處理法

胡旭晗等［21］發(fā)現(xiàn)有機(jī)硅樹脂對再生骨料吸水率的降低效果明顯，平均降幅高達(dá)52.4%。這是因?yàn)橛袡C(jī)硅樹脂可以在再生骨料表面形成一層樹脂膜，它具有優(yōu)異的憎水性，樹脂膜包裹再生骨料后能有效阻斷水分的進(jìn)入。同時(shí)，有機(jī)硅樹脂能很好地填充孔隙，提高再生骨料的整體性能。張智斌等［19］采用濃度為66%的有機(jī)硅樹脂溶液對再生骨料進(jìn)行處理，結(jié)果證實(shí)再生骨料性能得到提高，但采用有機(jī)硅樹脂強(qiáng)化再生骨料制備的混凝土強(qiáng)度反而降低，平均降幅達(dá)19%。這說明并非強(qiáng)化后的再生骨料性能越佳，采用其制備的再生混凝土性能就會越好。這與再生骨料的來源、強(qiáng)化方式的選擇等有關(guān)。李強(qiáng)等［49］的研究表明，采用有機(jī)硅樹脂噴涂方法強(qiáng)化處理再生骨料，再生混凝土的力學(xué)強(qiáng)度幾乎不變，然而其抗低溫收縮性能得到明顯改善，與水泥穩(wěn)定天然碎石相當(dāng)。這是因?yàn)?，有機(jī)硅樹脂噴涂處理方式使再生骨料表面變得光滑，不利于骨料間形成有效的嵌擠和握裹作用，因此不能有效提高水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能。但再生骨料表面形成的憎水性有機(jī)硅樹脂薄膜可以有效填充孔隙和微裂紋，還可顯著削弱再生骨料的吸水能力，從而改善再生混凝土的抗低溫收縮性能。

該方法是在再生骨料表面噴涂一定量的有機(jī)硅樹脂溶液，強(qiáng)化工藝較為簡單，對再生骨料的強(qiáng)化效果好，經(jīng)強(qiáng)化處理后的再生骨料吸水率下降明顯，再生骨料的整體性變好，耐久性得到增強(qiáng)。但該材料價(jià)格較貴，強(qiáng)化后的再生骨料表面粗糙度減小，不能有效提高再生混凝土的強(qiáng)度等力學(xué)性能，對強(qiáng)化再生骨料后續(xù)的推廣應(yīng)用帶來影響。

3.2.2.2 聚合乳液浸泡法

聚合乳液具有膠凝性，能在短時(shí)間內(nèi)固化，同時(shí)還具有防水性，可以用來減弱多孔材料的吸水性。Kou 等［50］采用聚乙烯醇溶液（PVA）浸漬再生骨料，發(fā)現(xiàn)骨料表面及孔隙內(nèi)附著一層膠凝物質(zhì)，再生骨料的吸水率降低。這是因?yàn)镻VA 水解產(chǎn)物能與再生骨料表面附著的舊水泥石反應(yīng)生成一種有機(jī)-無機(jī)復(fù)合基質(zhì)薄膜，使得再生骨料的吸水率、孔隙率明顯降低；骨料表面微觀結(jié)構(gòu)得到顯著改善，骨料的壓碎值降低、強(qiáng)度提高。丁天平等［26］發(fā)現(xiàn)苯丙乳液水泥漿能改善再生骨料表面的孔結(jié)構(gòu)，增加再生骨料密度。強(qiáng)化后的再生骨料壓碎值降低了14.0%，吸水率降低了16.4%。

醋酸乙烯-乙烯共聚乳液（VAE）屬于非離子型乳膠粉體系的膠黏劑，也具有良好的黏結(jié)性能。王復(fù)星［51］發(fā)現(xiàn)再生骨料經(jīng)VAE 乳液強(qiáng)化處理后，再生骨料表層孔隙與裂紋處存在團(tuán)簇狀水化產(chǎn)物，再生骨料的結(jié)構(gòu)一定程度上變得密實(shí)。

聚合乳液強(qiáng)化效果好，對環(huán)境影響??；強(qiáng)化后的再生骨料基本物理性能得到提升，再生骨料變得密實(shí)，耐久性得到提高；強(qiáng)化工藝較為簡單，容易實(shí)施。但其價(jià)格同樣偏高，因而采用該方法強(qiáng)化再生骨料經(jīng)濟(jì)性也不高。

3.2.3 微生物礦化法

微生物礦化沉積過程中，微生物作為結(jié)晶核，促進(jìn)方解石結(jié)晶，隨著晶體不斷生長擴(kuò)大，經(jīng)過長時(shí)間的積累，晶體可填充周圍的有孔介質(zhì)、黏結(jié)形成堅(jiān)硬的整體。Grabiec 等［52］通過SEM 分析發(fā)現(xiàn)，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀可有效修復(fù)再生骨料表面的裂紋。Al-Salloum 等［53］研究了巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的效果，通過SEM 觀察發(fā)現(xiàn)微生物生成了纖維狀物質(zhì)，水泥石基體強(qiáng)度得到提高。Qiu 等［54］研究了微生物礦化沉積強(qiáng)化再生骨料的影響因素，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌種類、細(xì)菌濃度、pH、溫度等對微生物礦化沉積有影響，通過合理控制培養(yǎng)及沉淀?xiàng)l件可以提高再生骨料的微生物礦化沉積率。

任立夫等［55］以瓊脂為載體將碳酸酐酶微生物和營養(yǎng)液涂刷在水泥石表面，7 d 后發(fā)現(xiàn)在水泥石表面生成方解石型碳酸鈣膜層。陳懷成等［56］的研究也表明碳酸酐酶微生物可在水泥基材料裂紋處生產(chǎn)碳酸鈣。錢春香等［57］將固碳菌與底物配制成自修復(fù)劑在水泥基成型階段加入到基體中，經(jīng)7 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，預(yù)制寬度為0.1～0.2 mm 的裂紋，模擬微生物水泥的自修復(fù)效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，14 d后摻有微生物的水泥樣品裂紋修復(fù)率接近100%。采用掃描電子顯微鏡和能譜儀檢測發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)有文石和方解石型碳酸鈣晶體的存在，如圖9 所示［57］。這是因?yàn)楫?dāng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋后，環(huán)境中的空氣、水進(jìn)入裂紋，激活休眠的細(xì)菌，基體中的微生物通過自身礦化反應(yīng)產(chǎn)生具有一定黏結(jié)強(qiáng)度的碳酸鈣。

圖9 文石和方解石的SEM 圖像Figure 9 SEM images of aragonite and calcite

微生物礦化是一種新型環(huán)保的強(qiáng)化方式，將其用于處置再生骨料具有非常理想的強(qiáng)化效果。但該方法需要特定的菌株和營養(yǎng)液，強(qiáng)化工藝復(fù)雜，因而成本高；此外，礦化所需時(shí)間長，通常養(yǎng)護(hù)7 d 后才會有明顯的礦化物生成。

3.3 強(qiáng)化方法對比

基于以上對各種強(qiáng)化方法的分析可知，通過合理控制強(qiáng)化條件，砂漿分離與砂漿增強(qiáng)均可有效提升再生骨料的性能，但不同方法在強(qiáng)化效果、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、環(huán)境影響及實(shí)施難易度方面的表現(xiàn)存在明顯差異。因而對各種再生骨料強(qiáng)化方法進(jìn)行了對比總結(jié)，如表2 所示。

表2 再生骨料強(qiáng)化方法對比Table 2 Comparison of strengthening methods of recycled aggregate

從強(qiáng)化效果方面來看，納米SiO2溶液浸泡法、硅酸鹽溶液浸泡法、CO2碳化法、有機(jī)硅樹脂溶液處理法、聚合乳液浸泡法以及微生物礦化法強(qiáng)化效果好，強(qiáng)化后的再生骨料孔隙、裂紋得到填充，再生骨料變得密實(shí)。此外，磨耗法、酸溶液反應(yīng)法及膠凝材料裹附法強(qiáng)化效果也不錯，強(qiáng)化后的再生骨料性能均得到不同程度提升；從經(jīng)濟(jì)性方面來看，酸溶液反應(yīng)法、膠凝材料裹附法、硅酸鹽溶液浸泡法、CO2碳化法都有一定的優(yōu)勢，其中膠凝材料裹附法更為經(jīng)濟(jì)，這是因?yàn)槟z凝材料種類多且易于制備，價(jià)格相對便宜；從耐久性方面來看，磨耗法、酸溶液反應(yīng)法、納米SiO2溶液浸泡法、硅酸鹽溶液浸泡法、CO2碳化法、有機(jī)硅樹脂溶液處理法、聚合乳液浸泡法以及微生物礦化法表現(xiàn)效果好，此外，膠凝材料裹附法一定程度上也能提高再生骨料耐久性；從環(huán)境影響方面來看，酸溶液反應(yīng)法、膠凝材料裹附法、納米SiO2溶液浸泡法、硅酸鹽溶液浸泡法、CO2碳化法、有機(jī)硅樹脂溶液處理法、聚合乳液浸泡法、微生物礦化法均屬于環(huán)境友好型，不會對周圍環(huán)境造成污染；從實(shí)施難易度方面來看，磨耗法、酸溶液反應(yīng)法、膠凝材料裹附法、納米SiO2溶液浸泡法、硅酸鹽溶液浸泡法、有機(jī)硅樹脂溶液處理法、聚合乳液浸泡法的強(qiáng)化工藝均較為簡便，采用這些方法大規(guī)模強(qiáng)化處理再生骨料，實(shí)施難度小。

綜上，在綜合考慮強(qiáng)化效果、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、環(huán)境影響及實(shí)施難易度后，對于砂漿分離技術(shù)，推薦使用酸溶液反應(yīng)法；對于砂漿增強(qiáng)技術(shù)，推薦使用硅酸鹽溶液浸泡法。

4 結(jié)論

1）砂漿分離技術(shù)和砂漿增強(qiáng)技術(shù)是目前建筑垃圾再生骨料強(qiáng)化的兩種主要技術(shù)手段，通過合理控制強(qiáng)化條件，強(qiáng)化后的再生骨料性能均有不同程度的提高。

2）砂漿分離技術(shù)的本質(zhì)是剝離再生骨料表面附著的水泥砂漿，從而達(dá)到降低再生骨料吸水率、壓碎值的目的。磨耗法和酸溶液反應(yīng)法是目前常見的砂漿分離方法。在綜合考慮強(qiáng)化效果、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、環(huán)境影響及實(shí)施難易度后，推薦使用酸溶液反應(yīng)法。

3）砂漿增強(qiáng)技術(shù)是借助外加劑對再生骨料孔隙進(jìn)行直接填充或反應(yīng)填充，修復(fù)再生骨料裂紋或在再生骨料表面形成一層憎水性保護(hù)膜，以此提高再生骨料的性能。膠凝材料裹附法、納米SiO2溶液浸泡法、硅酸鹽溶液浸泡法、CO2碳化法、有機(jī)硅樹脂溶液處理法、聚合乳液浸泡法以及微生物礦化法是目前常見的砂漿增強(qiáng)方法。權(quán)衡強(qiáng)化效果、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、環(huán)境影響及實(shí)施難易度后，推薦使用硅酸鹽溶液浸泡法。