混凝土的再生 建筑材料课程论文 前言： 水泥工业对环境产生了很大影响 , 主要体现在以下几个方面: ( 1) 大量的水泥需要消耗大量的自然资源; ( 2) 每生产1t 水泥需向空气排放约1t CO2 气体, 这占到CO2 排放量的7% ; ( 3) 生产水泥需要消耗大量的水资源; ( 4) 拆毁建筑物以及道路产生了大量的混凝土垃圾带来环境问题。建筑混凝土垃圾再利用是解决上述问题的有效途径, 是目前土建和环境领域急需解决的重要问题, 也是各国尤其是工业国家研究的热点。 改革开放以来，我国经济迅猛发展，基础设施、住房等等建筑物的建设也一直在如火如荼的进行当中，混凝土用量不断增长。但是我们也知道，混凝土是一种有寿命的材料，城市化建设也需要不断的除旧更新，因而也产生了大量的废弃混凝土。 目前, 我国的废弃混凝土绝大部分都未经任何处理, 有的露天堆放, 有的填埋在地势低洼的地方, 造成严重的环境污染和资源浪费。将废弃混凝土运送到郊外进行掩埋, 不仅要花费大量的运费, 还会给填埋场造成二次污染, 而且堆放掩埋这些废弃物又要占用大量宝贵的土地资源，不符合科学发展观。那么，这些废弃的混凝土应该何去何从？——将其回收利用，实现循环发展，无疑是最好的办法。 一、混凝土再生的研究现状 废弃混凝土的回收再利用最早开始于欧洲,。在二次世界大战之后, 苏联、日本、德国等国家在战争的废墟中进行重建, 注意到了废弃混凝土的问题, 并开始了再生混凝土的研究开发与利用。 之后，有关废弃混凝土再利用的专题国际会议开了三次, 会议制定了各种行动纲领和法规,限制垃圾废料的大量产生, 推动垃圾废料回收利用的开发研究。 荷兰由于国土面积狭小,人口密度大,再加上天然资源相对匮乏的原因,该国对建筑废弃物的再生利用十分重视,是最早开展再生骨料混凝土研究和应用的国家之一,其建筑废物资源利用率位居欧洲第1位. 1996 年荷兰全国建筑废物排放量约为1500 万t ,其中废混凝土的再资源化率高达90 %以上. 自1997年起,规定禁止对建筑废弃物进行掩埋处理,建筑废弃物的再利用率几乎达到了100 %。. 日本对于废弃混凝土的再利用也十分重视,。1977 年，日本政府制定了再生骨料和再生混凝土使用规范，随后在各地相继建立了处理建筑垃圾的再生利用工厂, 开始生产再生水泥和再生骨料。日本已经对再生混凝土的吸水性、强度、配合比、干缩性、耐冻性等性质做了系统的研究。目前, 日本对建筑垃圾的再生利用率已达到70%左右, 废弃混凝土利用率更高。 美国政府制定了“超基金法”，给再生混凝土的发展提供了法律保障。美国采用微波技术,可100%地回收利用再生旧沥青混凝土路面料, 其质量与新拌沥青混凝土路面料相同, 而成本降低了1/ 3, 同时节约了垃圾清运和处理等费用, 减轻了城市的环境污染。 韩国一家装修公司成功开发从废弃混凝土中分离水泥，并使这种水泥能再生利用的技术，这项技术目前已经在韩国申请专利。据称每100 吨废弃混凝土就能够获得30 吨左右的再生水泥，这种再生水泥的强度与普通水泥几乎一样，有些甚更好，符合韩国的施工标准。而且这种再生水泥的生产成本仅为普通水泥的一半，而且在生产过程中不产生二氧化碳，有利于环保。 近年来，我国政府也对建筑垃圾的循环再利用引起了重视。政府制定的中长期发展战略中鼓励废弃物的开发利用。建设部将“建筑废渣综合利用”列入1997 年科技成果重点推广项目。虽然我们国家对再生混凝土的研究起步较晚，但现在也已成为混凝土研究领域的一个热点。目前，国内已有数十家大学和研究机构开展了再生混凝土的研究, 研究工作正在逐渐深入。但是国内废弃混凝土的回收应用大多还处于试验、谨慎使用的阶段，缺乏系统的应用基础研究，技术上也还缺少较完善的再生骨料和再生水泥等技术规程、标准，要想实现大规模的废弃混凝土的回收再利用，我国还要加紧这方面的研究和相关制度的完善。 二、回收再利用方法 2.1.再生骨料混凝土 旧建筑物的混凝土经过拆除粉碎后，分级成为粒径不同的粗细骨料，用其代替混凝土中部分沙石骨料配制成的混凝土称作再生骨料混凝土。再生骨料混凝土与使用天然骨料的混凝土相比强度偏低、吸水率更大、表面粗糙率也更大，所以再生混凝土和天然骨料混凝土的基本性能有所不同。目前，再生混凝土主要应用于建筑工程中的基础垫层、底板、台子、填充墙和非结构构件，以及道路建设中的路基、路面、路面砖和马牙砖等抗压强度要求不是很高的部位。由于对再生混凝土的耐久性目前尚无突破性研究，因此它还没有被用于房屋结构中柱、梁、板等重要部位或构件。 2.1.1. 再生骨料混凝土的抗压强度 对其进行的抗压强度相关试验表明：与天然骨料混凝土相比，同一水灰比的再生骨料混凝土的28d抗压强度约低15% ，但其相差的幅度会随着龄期的增长而慢慢缩小。再生混凝土的强度和所使用的废弃混凝土的强度有着紧密的联系。在同一水灰比条件下，再生骨料强度越高再生混凝土的强度也就越高。从一般建筑物拆除下的废弃混凝土强度在C20左右，在水灰比为0.6 的条件下用再生骨料完全取代天然骨料时，其28d的抗压强度可达到23.5MPa，完全符合普通混凝土的强度要求。从再生混凝土的抗压强度上看，它完全可以满足一些工程建设的要求。 2.1.2. 再生骨料混凝土的抗拉强度 再生骨料混凝土的抗拉强度和它的抗压强度一样，随着龄期的增长而增长。而再生骨料混凝土抗拉强度与天然骨料混凝土抗拉强度的相差值也随着龄期的增长而增大，直到28d 龄期后才基本不变。但是如果在再生混凝土中掺加微细硅粉和高效减水剂则能明显提高其抗拉强度，尤其对龄期28d以后的提高效果最为明显。 2.1.3. 新拌再生骨料混凝土的工作性 因为再生骨料为碎石状，棱角多，表面粗糙，孔隙率大，存在较多的浆体碎屑，吸水性和吸水速率大，用浆量多，所以新拌再生混凝土的的塌落度明显降低。按照普通混凝土配合比设计的再生混凝土，必须增加单位用水量才能满足工作度要求。在相同水胶比和单位用水量的条件下，随着再生骨料取代率增加，混凝土的坍落度逐渐减小，降低幅度可达40%，但粘聚性和保水性好。 2.1.4. 再生骨料混凝土的干缩性 由于再生混凝土使用的是吸水率大、空隙率高的再生骨料，因此与普通混凝土相比，再生混凝土的干缩量和徐变量增加40％～80％。且其干缩的程度和干缩持续时间随着再生骨料取代比例的增大而增大和加长。在再生骨料取代比例达到50%以上时，其干缩时间持续较长，不过50d 龄期以后的干缩速率十分缓慢，干缩的增量也较小。 2.1.5.再生骨料混凝土的用水量 由于再生骨料内部缺陷多、吸水率大、表面较粗糙，因此配合比中的砂率一般较高且随着再生骨料所取代比例的提高而增长。由于砂率较高，因此达到相同坍落度时比天然骨料混凝土用水要多，难以达到良好的坍落性能。故其不适宜用于自密实混凝土的配制。 2.1.6.再生骨料混凝土的耐久性 抗磨损性：再生骨料的抗磨损性较差。随着废弃混凝土粉碎前强度的增加，再生骨料的抗磨性提高。再生骨料的抗磨损性较差导致了再生骨料混凝土的抗磨性较差。 抗渗性：由于再生骨料的孔隙率较大．基于自由水灰比设计方法之上的再生骨料混凝土的抗渗性比普通混凝土低，掺加了粉煤灰之后，粉煤灰能细化再生骨料的毛细孔道，使抗渗透性有很大改善。 抗腐蚀性：再生混凝土的抗硫酸盐和酸侵蚀性比普通混凝土稍差。掺加粉煤灰后，能减少 硫酸盐的渗透，使其抗硫酸盐侵蚀性育较大改善。 2.2.再生水泥 近年来研究得比较多的是利用废弃混凝土生产再生骨料混凝土，而再生骨料废弃混凝土中成本最高的“ 精华” 部分—硬化水泥浆体，没有得到有效的回收利用。对于利用废弃混凝土中的硬化水泥浆体来进行再生水泥, 我国目前的研究还仅仅停留在理论上, 远远没有达到实际应用的水平。再生水泥所表现出的环境友好性、资源节约性以及经济高效性等特征完全符合“ 节约、友好” 型社会经济发展的客观要求, 因而有着非常广阔的应用前景以及重要的社会价值。对再生水泥的研究势在必行。 废弃混凝土再生水泥研究的技术路线是: 首先将废弃混凝土进行破碎, 然后使用机械方法将粗骨料料和水泥石组分分离(一般来说细骨料难以和水泥石完全分离), 取水泥石部分进行再次的破碎和粉磨, 之后将这些粉磨后的水泥石和无法分离的细骨料一起进行热处理,在一定温度下使这些已经水化了的水泥石再次分解并生成新的水泥熟料。热处理的温度可能会由于掺料、细骨料黏附程度和工艺等的不同而有所不同。但一般都比生产水泥熟料的温度要低很多。 研究表明, 再生水泥与普通水泥和矿渣水泥相比, 具有以下特点: (l) 不经高温烧成。例如韩国生产的再生水泥的温度只在700℃ 左右。 (2) 比表面积值大, 但砂浆和混凝土的硬化干燥收缩略小。 (3) 与矿渣水泥相比,达到相同的28d强度时所需使用的水泥用量大，但是长期强度增长率也大， 若按长期强度设计, 仍然可以不增加水泥用量。 (4) 硬化干燥收缩与用含矿渣30%一60%的矿渣水泥配制的同强度混凝土相近。 (5) 与矿渣水泥相比, 抗冻性差。动弹模的下降稍大。 (6) 水化热低。 无论是溶解热还是水化热, 再生水泥相比传统意义的水泥都要低很多。尤其是早期(3d )的水化热减小了约50 %。这对于大体积混凝土来说无疑是非常有利的。对于相同强度的混凝土, 再生水泥混凝土比矿渣水泥和硅酸盐水泥混凝土,在各龄期的发热量都低得多, 与中热硅酸盐水泥混凝土相比也要低些。 基于再生水泥的上述特性, 可以认为再生水泥混凝土适宜用于地下混凝土、基础、桩及大体积混凝土等。这些部位的混凝土一般不要求非常高的强度, 而对水化热有着较高的要求。 在理论研究方面, 基于硬化水泥浆体组分在高温下可以重新生成水泥熟料矿物的理论, 我国学者研究的主要方向是水泥石的分解, 主要是对C-S-H 凝胶、氢氧化钙和钙矾石等水泥水化产物高温下的变化进行研究： 2.2.1. C-S-H凝胶 C-S-H凝胶在硬化水泥浆中约占70 % , 是最重要的水泥水化产物。下图为C-S-H凝胶的热重—差热（TG一DTA） 图谱, 从图可见: 在40至150 ℃之间有个宽化的吸热谷, 此时C-S-H凝胶开始失重。 400 ℃ 左右, C-S-H凝胶中的水已经大部分脱去( 脱水量约占总脱水量的89%至94%左右, C-S-H凝胶中水的结合方式不同, 脱水温度有所不同), C-S-H凝胶的结构在该温度下完全解体。700 ℃ 后, C-S-H 凝胶中的物理吸附水及层间水大量逸出, 结构变形收缩, 同时供给了凝胶分子很大的能量, 使其足以脱离凝胶间的分子引力, 改变键合势, 使原来网状结构的接触结点大大减少, 整个结构出现严重不足。因此,700℃ 是一个关键的温度点, C-S-H 凝胶结构在此点破坏以待重新组建。当温度上升到约8 0 0 ℃ 以后出现明显的放热峰,表明新相开始形成, C/ S 为1. 0 和1. 3 时,其放热峰分别在8 10 ℃ 和823 ℃ C/S=1.0和1.3时的水化硅酸钙 TG一DTA 图谱 2.1.2.氢氧化钙 在500℃时, 硬化水泥浆体中的氢氧化钙大量分解, 几乎不再有完整的氢氧化钙层状大晶体, 原来结晶完整的六方层状结构变得残缺不全; 700 ℃ 后, 氢氧化钙数量很少, 完整的氢氧化钙六方片状结构不再存在。 2.1.3.钙矾石 钙矾石在加热时首先发生脱水反应。85 ℃ 以前, 发生缓慢的脱水, 使钙矾石特征衍射峰消失, 但还不影响晶体结构的稳定性; 87 ℃ 开始明显吸热, 到135 ℃ 出现吸热小台阶, 此后呈平滑走势, 87 ℃ ~ 159 ℃ , 钙多面体中的配位水全部失去, 至220 ℃ 沟槽中的两个紧密结晶水也失去。自此以分子形式存在的26个水分子全部脱去, 从220℃至700℃ ,以OH一形式结合在铝柱中的水缓慢失去, 钙矾石发生进一步的收缩配位, 由原来的Al一O H和Ca 一O H 面网脱水变为A I一0 一Al 和C a— O —Ca 面网, 到700 ℃ 左右, 全部结合水失去, 同时产生A12O3两胶体和CaO。也有研究认为, 钙矾石在300℃ 发生分解反应, 生成C12A7 和Ca(OH)2 。 三、前景展望 随着社会经济的高速发展，作为人类使用量最大的人工材料——混凝土，其制备和使用过程中对资源过度开发、能源大量消耗以及造成的环境污染和生态破坏，与地球资源、地球环境容量的有限性以及地球生态系统的安全性之间的矛盾日益尖锐，迫切需要研制和使用具有可持续发展的混凝土材料，以缓解和消除普通混凝土对人类自身的生存环境所构成的严重障碍和威胁。 将大量废弃混凝土进行批量化处理，通过再生骨料混凝土和再生水泥混凝土等途径，使其重新作为建筑材料而使用，从经济技术上讲是切实可行的。更重要的是，对废弃混凝土进行回收利用，这种对资源的再生利用的方式可以保护环境、节约资源，可以真正实现建筑废弃混凝土的资源化、无害化。是一直充满希望的，值得推崇的科学发展理念！ 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、高性能化逐渐向绿色化方向靠拢。因此，再生混凝土有着更为强大的生命力。 混凝土的回收利用，是节约能源和资源，保护环境，走可持续发展道路的重要课题，应该 引起我们充分的关注，在研究上进一步深入，并在政策上行动上予以落实！ 参考资料： [1] 王玉茜、王学军、赵光鹏《废弃混凝土再利用研究现状及在软土中的应用》 山西建筑 第36卷第28期，2010年10月 [2] 艾红梅 魏璟璟 《废弃混凝土再利用新技术——再生水泥》 2009年全国商品混凝土技术与管理交流大会 大连理工大学 [3] 秋小安《再生混凝土微粉的性能及其国内外研究现状分析》 [4] 刘树华，冷发光. 再生混凝土技术. 北京:中国建材工业出版社，2007年 [5] 刘能胜. 废弃混凝土回收利用现状及存在的问题. 湖北 水利水电职业技术学院学报, 2008年9月 [6] 王程 施惠生 废弃混凝土再生利用技术的研究进展 材料导报 2010年1月(上)第24卷第1期 [7] 全洪珠 国外再生混凝土的应用概述及技术标准 青岛理工大学学报 2009年第30卷第4期 [8] 邢振贤；周曰农 再生混凝土的基本性能研究 1998年2月 [9] 张泽平 李建宇 杨晓晶 师朋 浅谈再生骨料混凝土的可行性
