（材料物理与化学专业论文）混凝土的热特性与再生利用研究.pdf

摘要 废弃混凝土对环境己造成了很大的负面影响。将废弃混凝土破碎后作为再 生集料配制再生混凝土( r a c ，r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e ) 是社会可持续发展的需 要。但废弃混凝土用作再生集料时由于其吸水率高导致再生混凝土工作性差， 这限制了再生集料的使用范围；另外，经分选、破碎、分级得到再生混凝土集 料的同时也会产生粒径小于4 7 5 m m 的细颗粒，这部分细颗粒历来被认为工作性 差因而无实用价值，常常被当作废物抛弃。为了克服再生混凝土集料的缺陷并 提高再生混凝土集料的品质及回收效率，本文采用加热磨擦振动的方法使废弃 混凝土的胶凝组分与集料分离，得到原状集料与热活化混凝土粉，并适当处理 后分别回收利用，制成高品质再生原状集料和干混砂浆。 为了确定最佳分离温度，用w o r k h o r s e 1 型热膨胀仪测定了砂浆和常用集料 的热膨胀性能，结果表明5 0 0 。c 至6 0 0 之间膨胀差异最明显。并用高温抗折试 验机测试了常温至5 9 0 下的混凝土强度变化，发现5 5 0 。c 下混凝土的强度约为 常温强度的1 0 至1 4 。测试了水泥石脱水相的水硬性能，发现6 0 0 左右煅烧 后的脱水相的复水化产物的强度最高。考虑以上三个因素，并注意到砂子中石 英成分的晶型转变温度为5 7 3 c ，为了不破坏细集料的结构，最后确定分离温度 为5 5 0 。 试验还探讨了将活化混凝土粉用于制各干混砂浆的方法。结果表明脱水相 和煅烧后的砂浆都具有水硬性，煅烧温度是影响水硬性的重要因素。5 5 0 。c 下分 离出的原状集料制备的c 3 0 混凝土，其工作性及强度与天然集料混凝土完全一 致，可以完全替代天然集料。x r d 定性分析结果表明，硬化水泥浆体高温后的 脱水相含有的主要晶态成分为c 2 s 和c a o ，还有多种非晶态物质。这些具有水 化能力的活性物质构成了活性混凝土粉水硬性的来源。掺入适量粉煤灰和磷石 膏以及少量的水泥即可制成标号m 5 至m 1 5 的热再生干混砂浆。 关键词：再生混凝土；硬化水泥浆；热膨胀性能；千混砂浆 a b s t r a c t w a s t ec o n c r e t e ( w c ) h a v eb r o u 曲ti n t on e g a t i v ei n f l u e n c e st oe n v i r o n m e n t i ti s n e e df o rs o c i a ls u s t a i n i n gd e v e l o p m e n tt om a k er e c y c l e dc o n c r e t e ( r c ) w i t hw c b r o k e na sr e c y c l e da g g r e g a t e w h i l et h eo l dw a s t ec o n c r e t ei su s e da sr e c y c l e d c o n c r e t ea g g r e g a t e ( r c a ) ，t h ep o o rw o r k a b i l i t yo ff r e s hr e c y c l i n gc o n c r e t ed u et ot h e h i 曲w a t e ra d s o r p t i o no fr c a m a k e si t sw i d ea p p l i c a t i o nl i m i t e d i nt h eo t h e rh a n d ， t h ef i n ea g g r e g a t e so fr c as m a l l e rt h a n4 7 5 m m ，w h i c hw e r eg o t t e nb yg r i n d i n ga n d c l a s s i f i c a t i o n ，w e r ea l w a y sa b a n d o n e da sw a s t e ，b e c a u s et h e yw e r ea l m o s tc o n s i d e r e d a sn op r a c t i c a lu s ea sf o rt h ei n f l u e n c eo ft h ew o r k a b i l i t yo ff e s hr e c y c l i n gc o n c r e t e i no r d e rt o i m p r o v et h eq u a l i t yo fr c a ，i n c r e a s et h er e c y c l i n ge f f i c i e n c ya n d o v e r c o m es o m ef l a w so fr c a ，t h et e c h n o l o g yw a yo ft h e r m a lg r i n d i n ga n dv i b r a t i o n w a su s e di n t h i sr e s e a r c hw o r k ，b yt h i sw a y ，w ec a r ls e p a r a t et h ea g g r e g a t e sf r o m h y d r a t e dg e lc o m p o n e n t s ，g e to r i g i n a ls t a t ea g g r e g a t e sa n dh e a ta c t i v i t yc o n c r e t e p o w d e r s ，e v e n t u a l l yg e th i g h - q u a l i t yo r i g i n a ls t a t ea g g r e g a t e sa n dd r y - m i x e dm o r t a r b yo u rs u i t a b l et r e a t m e n t t og e tt h eo p t i m a ls e p a r a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ew o r k h o r s e 一1t h e r m a le x p a n s i o n i n s t r u m e n tw a sc o n d u c t e dt om e a s u r et h el i n e a re x p a n s i o nv a l u e so fd i f f e r e n tc e m e n t m o r t a r sa n ds o m en o r m a la g g r e g a t e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg r e a t e s td i v e r g e n c e o ft h e r m a le x p a n s i o nb e t w e e nh a r d e n e dc e m e n tp a s t ea n da g g r e g a t el i e db e t w e e n5 0 0 t o6 0 0 w h e nt h ew a s t ec o n c r e t ew a ss u b j e c t e dt ot h ee l e v a t e d t e m p e r a t u r e t h eh i 曲t e m p e r a t u r em e c h a n i c a lt e s ti n s t r u m e n tw a su s e dt om e a s u r e c o n c r e t es t r e n g t hc h a n g e su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ep o i n t sf r o mr o o mt e m p e r a t u r e t o5 9 0 。c i tw a sf o u n dt h a tt h ec o n c r e t es t r e n g t ha t5 5 0 。cw a s j u s t1 0 t o1 4 o f c o n c r e t es t r e n g t ha tr o o mt e m p e r a t u r e a tt h es a m et i m e ，t h e h y d r a t i n ga n d h a r d e n i n gp e r f o r m a n c eo fd e h y d r a t e dc e m e n tp a s t e sw a sa l s oi n v e s t i g a t e dt of i n do u t t h a tt h es t r e n i g t ho fr e h y d r a t i o np r o d u c t sw e r et h eh i 曲e s tw h e nt h es e p a r a t e dw a s t e m o r t a rw e r ee x p e r i e n c e dt o6 0 0 。c i nc o m b i n a t i o nw i t ht h e s et h r e ef a c t o r sa n dt h e c r y s t a lc o n v e r s i o nt e m p e r a t u r eo fs i 0 2a r o u n d5 7 3 c ，t h es e p a r a t i o nt e m p e r a t u r eo f a g g r e g a t ea n dh a r d e n e dc e m e n tp a s t ei nt h ew a s t ec o n c r e t ew a s d e c i d e da t5 5 0 。c a t i i t h i st e m p e r a t u r e ，t h es t r u c t u r eo ff i n ea g g r e g a t ew a ss t i l ln o td e s t r o y e d i n p r o g r e s s ，t h ep r o c e s s i n g o fd r y - m i x e dm o r t a rw i t ha c t i v ep o w e rw a s i n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt oi t sa c t i v i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb o t hd e h y d r a t e dc e m e n t p a s t e sa n dc a l c i n e dm o r t a rb e h a v e dh y d r a t i o na n dh a r d e n i n ga b i l i t y ，w h i c hw a s g r e a t l ya f f e c t e db yc a l c i n e dt e m p e r a t u r e m o r e o v e r ，t h eo r i g i n a la g g r e g a t e si n t ot h e w a s t ec o n c r e t ec a nb eo b t a i n e da f t e rs u n e c t e dt ot h e5 5 0 。c s e p a r a t i o nt e m p e r a t u r e w h e np r e p a r i n gt h ec 3 0c o n c r e t ew i t ht h i s p a r to fs e p a r a t e da g g r e g a t e s ，i t s w o r k a b i l i t ya n ds t r e n g t hw e r et h es a m ea st h ec 3 0c o n c r e t ew i t hn a t u r a la g g r e g a t e s a s i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o nc a l lb eg i v e nt h a tt h es e p a r a t e da g g r e g a t e sf r o mw a s t e c o n c r e t ec a n r e p l a c e t h ew h o l en a t u r a l a g g r e g a t e sa p p l i e di n t o t h ec o n c r e t e p r e p a r a t i o n t h ex r d o fd e h y d r a t e dc e m e n tp a s t e sa th i g ht e m p e r a t u r e ss h o w e dt h a t t h em a i nc o m p o n e n t sw e r ec 2 sa n dc a oa n dt h e r ew e r em a n yk i n d so fn o n c r y s t a l m a t e r i a l s a l lt h e s ea c t i v ec o m p o n e n t sl e a dt ot h er e - h y d r a t i n ga n dr e h a r d e n i n g p e r f o r m a n c e i t sc r y s t a lp h a s ea n dh y d r a t i o na b i l i t yw e r ee x p l o r e di n t h i st h e s i s a n e wt y p eo fm 5 m 1 5r e c y c l e dd r y - m i x e dm o r t a rw a s m a d ef r o ma c t i v i t yc o n c r e t e p o w d e r sm i x e dw i t ha p p r o p r i a t ef l ya s h ，p h o s p h o g y p s u ma n da l i t t l ec e m e n t k e y w o r d s ：r e c y c l e dc o n c r e t e ，h y d r a t e dp a s t e ，t h e r m a le x p a n s i o np r o p e r t y ，d r y m i x e d m o r t a r 1 1 1 武汉理i 工大学硕上学位论文 1 1研究背景 l 绪论 国家“十五计划”纲要指出：“坚持资源开发与节约并举，把节约放在首位， 依法保护和合理使用资源，提高资源利用率，实现永续利用。推进资源综合利 用技术研究开发，加强废旧物资回收利用，加快废弃物处理的产业化，促进废 弃物转化为可用资源。”保护环境、节约能源、减少废料、以持续的方式使用 可再生资源是可持续发展战略的重要内容。建材工业是典型的基础原料工业， 在国民经济发展中具有重要作用。建材工业又是典型的资源、能源消耗型工业， 在其快速发展的同时，面临着资源、能源的过度消耗和环境的严重污染。在建 材工业实践循环经济，促使其从不可持续发展的传统工业向可持续发展的生态 工业转变，从而实现与资源、环境、经济和社会的全面协调与可持续发展。建 筑和建材行业的发展也必须遵循可持续发展战略的要求。 水泥混凝土作为生产量最大的一种人工制各材料，诞生一百多年来，为人 类社会的进步和经济的发展做出了巨大的贡献。随着建筑产业的高速发展，全 球混凝土产业现在正以每年约8 0 亿吨的速度消耗天然集料i ”。与此同时，每年 又产生大量的建筑废料和垃圾。据统计，工业固体废弃物中约4 0 是建筑业排 除的，废弃混凝土是建筑业排除量最大的废弃物。9 0 年代初，欧共体每年排出 废弃混凝土约5 0 0 0 万吨，日本约1 2 0 0 万吨，其他国家也厩临类似的情况。而 且，废弃混凝土的量每年都在增加，估计现在废弃混凝土的量是上述的3 倍。 美国混凝土废料的产量也从1 9 9 8 年的1 亿吨增加到目前的1 5 亿g 屯 2 l 。德国每 年的废料总量估计可达4 亿吨，其中建筑废料占总重量的7 5 ，总体积的6 0 i 3 】。 香港建筑产业每天产出的箍工和拆除废料就达3 7 万吨1 4 1 。目前国内还没有关 于建筑废弃物总量的权威统计数据，但据保守估计应在1 亿吨年以上。仅上海 市2 0 0 2 年排放的建筑废料总量在2 0 0 0 万吨左右，且呈持续增长态势，而废弃 混凝土约占建筑废料总量的4 0 ，即8 0 0 万吨左右。 废弃混凝土是建筑业排除量最大的废弃物，除了部分用作施工场地平整、 低洼地区填埋外，大部分暴露于郊区的垃圾填埋场，弱碱性的废渣令大片土壤 “失活”。此外，我国为制造混凝土集料，每年开采石子十几亿立方米，相当于 铲平5 0 0 米高的山体8 4 0 公顷! 废弃混凝土如不加以利用，一方面会增加环境 负荷，另一方面也是资源的浪费，将影响可持续发展 “。国家建设的巨大需求 武汉理工_ 人学硕士学位论文 与自然资源紧缺，政策的导向作用和利税上的优惠，加上天然砂石材料的价格 的上升趋势，将给建筑废弃物的再生利用带来经济上的利益，这无疑会大大推 进材料再生利用事业的发展。 1 2 关于混凝土再生利用的概念及术语 废弃混凝土的再生利用技术按其科技含量与附加值的高低大致可以分为三 个级别：第一为低级利用，如一般性回填；第二为中级利用，破碎分级处理后 替代部分天然集料用于道路基层和面层材料；第三级为高级利用，如分离出可 完全替代天然集料的再生集料( 原状集料) 与砂浆，石子作为粗集料配制混凝 土用于建筑结构构件，分离出的砂浆制成干混砂浆或者用于制造水泥等。 再生集料：将废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级处理后，按一定的比例 与级配混合形成再生混凝土集料( r e c y c l e dc o n c r e t e a g g r e g a t e ，r c a ) ，简称再 生集料( r e c y c l e d a g g r e g a t e ) 。再生集料又分为再生粗集料( 粒径大于5 m m ) 与 再生细集料( 粒径小于5 m m ) 。 再生混凝土：用再生集料部分或全部代替砂石等天然集料( 主要是粗集料) 配制而成新的混凝土统称为再生混凝土( r e c y c l e d a g g r e g a t ec o n c r e t e ，r c a ) 。 原生粗集料：一般指天然碎石，即第一次作为混凝土粗集料使用的卵石和 碎石，通常称为原生粗集料。 原生细集料：指第一次作为混凝土细集料使用的河砂和山砂，通常称为原 生细集料。 原状集料：再生集料的颗粒组成之一，是指再生集料中与废旧砂浆完全脱 离或者大部分脱离的、性能与原生集料相近的集料颗粒。 次生集料：再生集料的颗粒组成之一，指再生集料中大部分表面附着废旧 砂浆的集料颗粒。 原生混凝土：是指采用原生集料配制的混凝土。 粒形：是指颗粒材料的宏观几何形状。 所谓废弃混凝土完全循环再利用的概念类似于金属材料或有机材料，废弃 之后经过加工处理可以作为制造混凝土材料的原料进行使用。完全循环利用是 指将混凝土的胶结材、混合材料、集料硬化后制成的混凝土废弃后，分离出胶 凝组分作为水泥生产原料；再生集料或原状集料等全部用于制造新的混凝土材 料，如此循环往复，多次使用，实现混凝土材料的自身循环利用，最大限度地 实现对自然资源的利用。 武汉理_ ：i = 大学硕士学位论文 1 3 再生集料混凝土理论的国内外研究状况 目前，再生混凝土新技术是世界各国共同关心的课题，已成为国内外工程 界和学术界关注的热点和前沿问题之一。 本世纪初，香港理工大学潘智生、水中和等系统研究了不同类型建筑废弃 物生产的再生集料的性质、微观结构特征以及对新拌混凝土流动性能的影响 ， 这些结果为香港地区制订再生混凝土集料技术规范提供了帮助。国内的杜婷， 李惠强，邢振贤，冯乃谦等人也对再生集料混凝土的性能也进行过研究。 最近二十年的资料显示：美国、日本和欧洲等发达国家对废弃混凝土的再 利用研究主要集中在对再生集料和再生混凝土基本性能的研究。这些基本性能 包括物理性能、化学性能、力学性能、结构性能、工作性能和耐久性能等。 美国、日本和欧洲等发达国家对废弃混凝土的再利用研究的较早，主要集 中在对再生集料和再生混凝土基本性能的研究，已有成功应用于刚性路面和建 筑结构物的例子。近年来，国内的一些专家学者在这方面进行了一些基础性研 究。 t o p c uib 在上世纪9 0 年代再生集料与新鲜水泥浆体相互作用问题， l i m b a c h i y amc ，l e e l a w a tt 等人对在高强混凝土中使用废弃混凝土作集料的 可行性进行了探讨。 h a n s e n 的试验结果表明，随着基体混凝土的强度降低，再生混凝土的强度 呈下降趋势。但对于不同强度等级的再生混凝土，再生集料对其强度的影响不 同：配制高强再生混凝土时，再生集料的性能对再生混凝土的强度影响最大： 配制中等强度再生混凝土时，影响程度次之；配制低强度的再生混凝土时，再 生集料对其强度的影响最小。 俄罗斯o s m a n g a z i 大学的研究者着重研究了r c a 混凝土的配合比设计以 及新拌混凝土的特性。他们确定也随r c a 含量的不同，弹性模量和韧度的变 化。研究还发现，r c a 混凝土的密实度是小于普通混凝士的。新拌r c a 混凝 土的和易性较低，这是由于r c a 的高吸水性引起的。随着r c a 含量在混合料 中的增大，r c a 混凝土的抗压强度和弹性模量都逐渐减小。 荷兰代尔夫特理工大学着手进行了r a 的研究，重点是研究无机结合料中 掺有r a 时，其特性与级配、混合料组成等因素的关系。大量试验结果表明： 若级配中细集料含量大，则表现出较大的粘结力，粘结力也受养护时间、级 配组成等因素的影响，而所有的影响因素中，压实度对粘结力的影响最大； 高r a 含量导致模量值的增大，养护时间也会对其产生一定影响，而最大的影 武汉理工大学硕士学位论文 响因素仍然是压实度；抵抗永久变形的主要受级配、压实度、混合料组成等 因素的影响，其中，压实度产生的影响最大，混合料组成次之，级配影响最小。 实际上，通过采用适当的技术手段，含再生集料的混凝土的强度完全可以 达到或超过天然集料混凝土。原因在于：再生集料表面粗糙，界面啮合能力强； 再生集料吸水率高，加水搅拌后，再生集料大量吸收新拌水泥浆中多余的水分， 既降低了粗集料表面水灰比，又降低了混凝土拌和物的有效水灰比。另外，再 生集料表面包裹蕃水泥砂浆，使再生集料与新的水泥砂浆之间弹性模量相差较 小，界面结合可能得到加强。界面结合的加强，因再生集料强度较低而导致的 再生混凝土性能的劣化得到了一定程度的补偿。 由于再生集料中有大量的旧砂浆附着于原集料颗粒上，导致再生混凝土的 弹性模量通常较低，一般约为普通混凝土的7 0 8 0 。由于弹性模量低，变 形大，可以预计再生混凝土具有较好的抗震性能和抵抗动荷载的能力。掺入塑 化剂后，再生混凝土的弹性模量有所提高。当掺入最佳数量( 1 0 ) 的膨胀剂后， 弹性模量可提高8 1 0 。水灰比对再生混凝土的弹性模量影响较大，当水灰 比由o 8 降低到0 4 时，再生混凝土的抗压弹性模量增加3 3 7 。再生混凝土泊 松比在0 1 8 o 2 3 范围内。 与普通混凝土相比，再生混凝土的干缩量和徐变量增加。干缩率的增大数 值取决于基体混凝土的性能、再生集料的品质以及再生混凝土的配合比。粘附 在再生集料颗粒上的水泥浆含量越高再生混凝土的干缩率越大。研究表明，再 生集料与天然集料共同使用时，再生混凝土的干缩率增加；水灰比增加，再生 混凝土的干缩率增大。还有观点认为由于再生混凝土中的砂浆量大大提高，其 干缩率必然会提高。当采用较低水灰比或较高强度的再生集料时，可使徐变值 降低。 目前对再生集料在新拌混凝土中的作用机理知之甚少，如新鲜砂浆对再生 集料中的陈旧砂浆表面的作用机理、硬化混凝土的收缩与控制收缩的措施、应 用再生集料的中高强度混凝士配制技术等等。所以系统地研究再生集料的生产 工艺、性质、使用性能以及提高其性能的理化方法对促进再生混凝土理论发展 具有积极的作用，对实际工程应用具有指导意义。 世界许多国家已经将大批量的建筑废弃物作为资源对待，而不再将它们作 为无用的垃圾。废弃的混凝经破碎加工后可部分代替天然集料生产新的混凝 土，筛分下来的尾料可用于路基土的处理，经破碎的旧混凝土板与天然砂石配 合可作为路面基层材料。这些应用，不但能够满足道路材料使用性能，而且可 以降低造价。当采用部分再生集料生产混凝土时，在强度方面可以比较容易达 武汉理工大学硕士学位论文 到或超过相应的天然集料混凝土的水平。 1 4 再生混凝土技术中级利用实例 在再生利用建筑垃圾( 含筑路废弃物) 方面，欧美和日本有长期的研究和 成功的应用经验。 目前，欧洲发达国家建筑废弃物的再生率都超过5 0 ，其中荷兰达到1 0 0 。 这些国家将建筑废弃物回收处理后作为混凝土集料、建筑制品、道路路基改性 材料和道路基层材料等。 日本由于国土面积小，资源相对匮乏，十分重视再生资源的重新开发利用。 早在1 9 7 7 年日本政府就制定了再生集料和再生混凝土使用规范，并相继在 各地建立了以处理混凝土废弃物为主的再生加工厂。1 9 9 1 年，日本政府又制定 了资源重新利用促进法，规定建筑废弃物必须送往“再资源化设施”进行处 理。香港地区由于天然资源匮乏，垃圾填埋场地受到限制，已经加大了对建筑 废弃物再生利用的力度。目前，已经有大约1 0 的混凝土集料采用的是旧混凝 土再生的集料。比如港埠设施，以及其他改造工程的基础设施配件可以利用再 循环的石料，代替相当量的自然采石场砾石材料。 美国政府在超级基金法中规定：“任何生产有工业废弃物的企业，必须 自行妥善处理，不得擅自随意倾卸”。在2 0 世纪4 0 年代中期，美国就开始用再 生集料铺筑公路的稳定和非稳定基层，现在，在美国采用再生集料作为面层新 混凝土的集料已成为一项广泛采用的新技术，正被应用于所有普通天然集料可 以应用的路面重建项目，根据美国俄克拉荷马州的市内州际高速公路1 4 0 东段 1 2 5 k i n 重建项目评价，预算5 2 0 万美元，采用再生技术后节省7 0 万美元。 荷兰是一个十分注重建筑废弃物利用的国家，由于资源缺乏，而且保护措 施得当，天然集料十分昂贵，因此，建筑施工单位不得不利用建筑废弃物作再 生集料。在荷兰，建筑业每年产生的废物大约为1 4 x 1 0 6 t ，大多数是拆毁和改造 旧建筑物的产物( 石块、金属、塑料和木材的杂乱物) 。目前，已有7 0 的建 筑废物可以被再循环利用，但是荷兰政府希望将这个百分比增加到9 0 。因此， 他们制定了一系列法律，建立限制废物的倾卸处理、强制再循环运行的质量控 制制度。荷兰建筑废物循环再利用的重要副产品是筛砂。砂很容易被污染，其 再利用是有限制的。为此荷兰采用了砂再循环网络，由分拣公司负责有效筛砂： 依照它的污染水平分类，储存干净的砂，清理被污染的砂。 德国也是采用先分离后回收利用的策略，通过科学手段使建筑垃圾具有再 生资源的功能。其建筑废弃混凝土的干处理技术分为两个阶段1 3 1 ( 如图1 1 所 武汉理t 大学硕士学位论文 示) ：一是预处理阶段：原材料过筛后先使用挑选设备去除废料中的杂质，然后 送入冲击破碎机将粒径大于4 5 m m 的材料破碎成较小颗粒；再经过磁性分离机 分离出铁质。二是粒组分化阶段：首先将预处理废料进行二次筛分，再经过空 气分离机将各粒组的细小杂质分离，由此就可得到不同粒径的再生集料。 图1 1 德国建筑废弃混凝土的干处理技术 我国对天然资源，尤其是用于生产建筑材料的天然岩石的保护的意识在逐 渐加强。但由于天然集料非常廉价，对这些材料的需求量又大，乱采和滥采的 现象仍然十分突出。当然，政府部门和一些企业已经意识到了对建筑废弃物再 生利用的重要性和紧迫性。国内已有建筑废弃物再利用的成功实例。 我国最早利用建筑废弃物的是北京城建集团，在1 9 9 2 年，城建集团在不同 结构类型的多层和高层建筑的施工过程申，利用8 4 0 多吨建筑废弃物，主要用 于砌筑砂浆、内墙和顶棚抹灰、细石混凝土楼地面和混凝土垫层。北京一家城 建企业回收8 0 0 多吨各种建筑垃圾，成功地用于砌筑砂浆、内墙和顶棚抹灰、 细石混凝土楼面及混凝土垫层。 上海市第二建筑工程公司，曾将4 8 0 多吨建筑废弃物粉碎后作为再生细集 料，与天然砂按1 ：1 的比例拌合后，用于抹灰砂浆和砌筑砂浆，砂浆标号可达 5 m p a 以上。 国内的科研机构经过多年的系统研究，也形成了再生混凝土成套技术。将 废弃混凝土进行再生资源化处理后，作为混凝土集料生产普通混凝土或高性能 混凝土砌块，这种再生混凝土强度达c 5 0 。这种技术生产的再生集料主要用于 混凝土路基和路面工程。 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学将再生混凝土技术应用于襄樊的道路改造工程中，取得良好 的使用性能和经济效益( 如图1 2 所示，下标表示再生集料对天然集料的取代 率) 。其研究表明，在相同w c 比条件下，当再生粗集料取代天然碎石不超过 5 0 时，r a c 的7 d 和2 8 d 强度都有一定的增幅。7 d 强度可提高3 1 2 ，2 8 d 强度可提高5 1 5 ，9 0 d 的长期抗压强度相差不大。基准混凝土( w o ) 9 0 d 抗压强度可达4 1 0 m p a ，而完全用再生粗集料配制的混凝土( w 1 0 0 ) 强度也可 以达到3 7 2 m p a 。 对再生路面的取样分析表明，再生混凝土的抗压强度达4 1 m p a ，劈裂强度 达3 2m p a 。再生路面使用近一年时间，经受了大车流量的冲击，路面完好如 初，如图1 3 所示。 大量的科研成果表明哺”，通过控制再生集料工艺，采取预吸水或表面裹 浆处理，添加超细矿物质调整配合比，完全可以使再生混凝土的工作性能和力 学性能达到相应的工程技术要求。 4 s 4 0 蛊3 5 崔 v 3 0 趟2 5 骥2 0 出1 5 转l o s 0 钆w 舶w w r ow 埘 图1 2r a c 不同龄期强度发展规律图1 3再生集料路面使用状况 1 5 废弃混凝土高级利用技术 1 5 1废弃混凝土分离高品质再生集料技术 研究表明【射，与天然集料相比，再生集料具有孑l 隙率较高，密度较小，吸 水性强和集料强度较低等特点。废弃混凝土经过破碎处理，生产出的再生集料 含有3 0 左右的硬化水泥砂浆，这些水泥砂浆大多数独立成块，少量附着在天 然集料的表面，导致再生集料棱角较多，吸水率高。废弃混凝土块再生破坏过 程中由于损伤积累会使再生集料内部存在大量微裂纹。这些因素都会影响再生 武汉理工人学颤十学位论文 集料的品质。 而集料与胶凝组分的充分分离，既可以摄大限度地剥离集料表面的胶凝组 分，提高再生集料的质量，从而改善再生集荆混凝土的各项性能，又能提高胶 凝组分的回收率。国内外科研机构进行了废弃混凝土分离高品质再生集料技术 的研究，国外有热摩擦法、声波分离法弄u 冻融循环法，其中以日本的热摩擦法 为代表。 只术对废弃混凝土的处理技术进行了大量的研究与开发 q 】【1 0 ，形成了比较 成熟的分离废弃混凝土集料的技术。日本的几家单位( 大阪城市大学和粟本钢 有限公司等) 联合研制了高性能再生集料的生产设备和工艺。 l 一心收产品；2 一偏心转轮；3 填料；4 碾磨；5 外筒；6 一电动机；7 一动力 传输部分 图1 4日本分业开发的集料分离装置剖面图 这种处理流程包括三个阶段：预处理阶段：除去废弃混凝土中的其他杂 质，用颚式破碎机将混凝土块破碎成4 0 m m 直径的颗粒；碾磨阶段：漏凝土 块在偏心转筒内旋转，使其相互碰撞、摩擦、碾磨，除去附着于集料表面的水 泥浆和砂浆；筛分阶段：最终的材料经过过筛，除去水泥和砂浆等细小颗粒， 最后得到的即为高性能再生集料。偏心旋转碾磨设备( 如图1 4 ) 是该处理过程 的核心技术，在电机的带动下，混凝土废判在偏心转筒内旋转并相互摩攘，将 破碎混凝土中的粗集料与粘着的砂浆分离。 这种处理技术生产的盎性能再生集料满足日本工业标准j i s ( j a p a n e s e i n d u s t r i a ls t a n d a r d ) 和日本建筑标准规范j a s s ( j a p a n e s ea r c h i t e c t u r a ls t a n d a r d 武汉理工人学硕士学位论文 s p e c i f i c a t i o n ) 规定的原生集料和碎石的标准，同时满足建设中，1 5 , 提出的所有技 术认证标准。这项技术在日本的大阪已得到实际的应用。 国内济南大学、武汉理工大学等科研单位进行了探索性试验，取得了初步 的成果，但对相应设备的开发还是一片空白。集料的分离技术，还有巨大的研 究和发展空间。 1 5 2 废弃混凝土用作水泥原料 武汉理工大学万惠文【1 1 1 等进行了废弃混凝土替代部分天然石灰石生产水 泥的试验。废弃混凝土替代率分别为4 0 r 样品a ) 、6 0 ( 样品b ) 、8 0 ( 样 品c ) 。三组试样制成的熟料分别加入3 的石膏后，磨细至4 9 0 0 孔筛筛余为 2 ，进行水泥强度实验( 净浆，w c = 0 3 2 ，试样为立方体，边长是2 0 m m ) ， 其结果见表1 。 表1 1 矛u 用部分废弃混凝土生产的水泥物性指标 未麓愁詈署度( ) f - c 8 0 初凝终凝 安定性 3 d2 8 d ( ) 试样a4 21 3 8 1 ：3 53 ：2 0 合格 2 0 55 1 8 试样b 3 62 1 8 1 ：5 03 ：5 5 合格 1 8 94 7 4 试样c 4 52 5 12 ：2 54 ：4 0 合格 1 6 44 3 1 从表1 1 可知，废弃混凝土取代率升高，水泥的强度逐渐降低。这是因为， 取代率升高，硅酸盐矿物的含量减少。混凝土所含河砂中含有的s i 0 2 的活性低， 大多是结晶的s i 0 2 ，既难磨又难烧，会导致f - c a o 含量增加，熟料质量下降。 试验表明，适宜的取代率不宜超过6 0 。废弃混凝土作为水泥原料最大的困难 在于生产过程复杂，质量不易控制。这方面的研究工作还有待系统深入地进行 下去。 1 6 混凝土再生技术的发展前景 混凝土是当今世界上用量最大的人造建筑材料。在我国，每年浇注混凝土 约1 5 2 0 亿m 3 ，而混凝土中砂石集料又占总重量的7 0 以上，用量十分巨大。 长期以来，由于砂石集料来源广泛，价格又低廉，被认为是取之不尽的原材料， 从而导致到处开山劈岭，滥采滥伐，严重浪费了大量的自然资源。与此同时， 武汉理t 大学顾：学位论文 我国解放初期浇注的许多混凝土与钢筋混凝土建筑，部分已进入老化毁坏阶段， 城市改造建设也会拆除部分老化的建筑与结构，导致混凝土解体量越来越多， 我国每年解体混凝土量约6 0 0 0 万m 3 ，这些废弃的混凝土块，对城市环境也将 造成严重的污染，因此，对混凝土占用大量自然资源及对环境造成的负面影响 已开展了大量研究，并由此己引发了可持续发展问题的广泛讨论f 1 2 j f l 3 】f 1 4 】。 混凝土作为用量最大和用途最广的建筑材料现在正面临着新的发展问题， 即混凝土材料可持续发展的问题。混凝土材料相关的环境资源问题以及与环境 协调发展也已经提到政府和研究部门的日程上来。进入8 0 年代后期以来，保 护地球环境，寻求与自然的和谐，走可持续之路成为全世界共同关心的课题， 混凝土今后发展方向必然是既要满足现代人的需要，又要考虑环境的因素，减 轻对地球环境的负荷，有利于资源、能源的节省和生态平衡。 在2 0 0 5 年“生态环境与混凝土技术国际学术研讨会”上，专家学者认为，在 当今世界能源紧张、环境污染加剧形势下，应加强节省资源和能源的生态混凝 土技术开发，实现混凝土技术与生态环境的协调发展。 欧、美及日本先进国家，对于废弃混凝土资源化再利用技术己达到成熟阶 段，并有相当多的应用案例。国内尚处于起步阶段，实际应用水平与发达国家 还有一定的差距。中国是一个资源匮乏型国家，人均资源拥有量远低于世界平 均水平。改革开放以来，中国的经济始终保持高速增长，经济的发展离不开资 源的支撑，传统的粗放型发展模式使中国资源不足的矛盾进一步显现，并制约 着中国经济的发展。我国政府已经认识到环境与效益并举的重要性，并逐步制 定了相应的措施。 从政策层面上看，1 9 9 5 年1 1 月全国入大通过了城市固体垃圾处理法， 从经济上和政策上对固体废弃物的处理提出了要求。国家经贸委以国经贸资源 2 0 0 1 1 6 2 4 号颁布了关于转发“财政部、国家税务总局关于部分资源综合利用 及其他产品增值税政策问题的通知”的通知，鼓励资源综合利用。如果说国家 “十五计划”纲要为资源再生利用吹晌了号角，那么，国家“十一五规划”则是对 可持续发展战略的又一次强有力的推进。“十一五规划”在人与自然的关系上， 把节约资源和保护环境这两个基本国策写入了纲要，提出了建设资源节约型社 会和环境友好型社会的战略任务和具体措施。国家政策的导向作用和利税上的 优惠，加上天然砂石材料的价格的上升趋势，将给建筑废弃物的再生利用带来 经济上的利益，这无疑会大大推进材料再生利用事业的发展。 近年来我国政府对建筑垃圾的循环再利用高度重视。政府制定的中长期发 展战略鼓励废弃物的开发利用。建设部将“建筑废渣终合利用”列于1 9 9 7 年科技 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 成果重点推广项目。有关部门也对相关技术与示范工程项目给予了资金与政策 支持，支持综合利用建筑垃圾及生产新型建材。同时，利用城市垃圾生产建材 等资源优化处理技术与成套设备也被放到优先发展的项目之中。 2 0 0 2 年，上海市科委正式为“废弃混凝土再生及高效利用关键技术研究”立 项，经过历时两年多的科技攻关，再生混凝土的综合指标堪与普通混凝土媲美， 诸如保温、隔热和隔声等性能则更胜一筹。 综合利用工业生活废料生产再生混凝土的途径是多种多样的，它较好地解 决了建筑垃圾和其他废弃物的出路问题，既变废为宝，节约了资源又减少了对 环境的污染，产生了良好的生态效应，再生混凝土的研究和应用需要得到进一 步重视和发展。 从技术层面上看，建筑废弃物再生利用过程中的技术问题正在逐步得到解 决，建筑废弃物的再生利用正在从过去简单的填埋向生产再生混凝土、再生砂 浆等产品的综合利用发展，相关的技术条件和技术规范正在酝酿之中。技术上 的进步将提高再生产品的稳定性，降低再生产品的成本，提高再生产品的市场 竞争力。 混凝土外加剂的快速发展和新结构、新工艺的发展使再生混凝土的基本性 能得到改善或提高。随着人口增多、生产发展、资源枯竭、环境破坏，地球承 受的负担剧增，混凝土的发展，由追求高强化、商性能化逐渐向绿色混凝土方 向靠拢，再生混凝土有着更广泛的应用前景。 同济大学研究表明：采用再生建筑技术，上海每年可节约建筑垃圾处置费 1 亿元以上，综合节能潜力可达7 4 7 8 万吨标准煤年，相当于减少排放二氧化 碳1 9 9 万吨、二氧化硫o 4 6 万吨、烟尘o 1 9 万吨 再生混凝土技术成熟之后，市政工地今后将不必大量运进水泥、石子，只 需将开挖马路产生的废渣就地加工成再生混凝土，就可重新铺上路面。 建筑垃圾的利用可谓是一举数得，在获得经济效益的同时，还吸收了大量 垃圾，减少污染及土地占用。对于建筑用砂紧缺的城市，又解决了混凝土集料 的来源，不但可以降低成本，又可满足施工规范要求，经济效益与环境效益都 很明显。 利用再生集料配制再生混凝土已被看作是发展绿色混凝土的主要措施之 一，可节省建筑原材料的消耗，保护生态环境，有利于混凝土工业的可持续发 展。再生混凝土完全满足世界环境组织提出的“绿色”的三大含义：( 1 ) 节约资 源、能源；( 2 ) 不破坏环境，更应有利于环境： ( 3 ) 可持续发展，既可满足 当代人的需求，又不危害后代人满足其需要的能力。 武汉理工大学硕士学位论文 再生混凝土是一种可持续发展的绿色混凝土。再生集料混凝土技术可实现 对废弃混凝土的再加工，使其恢复原有的性能，形成新的建材产品，从而既能 使有限的资源得以再利用，又解决了部分环保问题。综上所述，建筑废弃物的 再生利用技术具有广阔的发展前景。 1 _ 7 本文的工作及现实意义 废弃混凝土开发利用试验研究与实践，国内外取得了丰富的成果。将再生 混凝土集料替代部分天然集料生产混凝土道路基层和混凝土砌块技术日趋成 熟，再生混凝土集料作为原材料生产道路基层和面层，完全可以满足道路承载 能力的需求，既节约了资源保护了环境又节省了工程造价。废弃混凝土的再生 利用是水泥混凝土工业走向可持续发展的根本要求，是按照自然生态模式组成 “资源一产品一再生资源”的物质反复循环的流动过程，完成物质闭循环过程的 重要环节。从理论和技术上这个循环是可行的。废弃混凝土经过加工之后既可 以作为生产干混砂浆和生态水泥的原材料，也可以用于生产再生混凝土集料和 高品质原状集料，以不同方式实现混凝土材料的自身循环利用。 目日f 对混凝土再生利用的研究主要是针对再生混凝土的基本性能展开的， 即将废弃混凝土破碎分级处理后制成级配料来配制中低强度的混凝土。而对再 生混凝土高强化的研究较少。另一方面，再生集料具