混凝土的再生

1、混凝土的再生建筑材料課程論文摘要：廢棄混凝土給資源和環(huán)境帶來巨大壓力，因此研究廢棄混凝土再利用具有重要意義。本文著眼于混凝土的再生，對其研究現(xiàn)狀，再生途徑，發(fā)展前景做一個綜合性的介紹。其中再生骨料混凝土和再生水泥是本文的重點論述的兩點。關(guān)鍵詞：廢棄混凝土 再生骨料混凝土 再生水泥前言：水泥工業(yè)對環(huán)境產(chǎn)生了很大影響 , 主要體現(xiàn)在以下幾個方面: ( 1) 大量的水泥需要消耗大量的自然資源; ( 2) 每生產(chǎn)1t 水泥需向空氣排放約1t CO2 氣體, 這占到CO2 排放量的7% ; ( 3) 生產(chǎn)水泥需要消耗大量的水資源; ( 4) 拆毀建筑物以及道路產(chǎn)生了大量的混凝土垃圾帶來環(huán)境問題。建筑混凝

2、土垃圾再利用是解決上述問題的有效途徑, 是目前土建和環(huán)境領(lǐng)域急需解決的重要問題, 也是各國尤其是工業(yè)國家研究的熱點。改革開放以來，我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施、住房等等建筑物的建設(shè)也一直在如火如荼的進行當中，混凝土用量不斷增長。但是我們也知道，混凝土是一種有壽命的材料，城市化建設(shè)也需要不斷的除舊更新，因而也產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土。目前, 我國的廢棄混凝土絕大部分都未經(jīng)任何處理, 有的露天堆放, 有的填埋在地勢低洼的地方, 造成嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。將廢棄混凝土運送到郊外進行掩埋, 不僅要花費大量的運費, 還會給填埋場造成二次污染, 而且堆放掩埋這些廢棄物又要占用大量寶貴的土地資源，不符合科學(xué)

3、發(fā)展觀。那么，這些廢棄的混凝土應(yīng)該何去何從？將其回收利用，實現(xiàn)循環(huán)發(fā)展，無疑是最好的辦法。一、混凝土再生的研究現(xiàn)狀廢棄混凝土的回收再利用最早開始于歐洲,。在二次世界大戰(zhàn)之后, 蘇聯(lián)、日本、德國等國家在戰(zhàn)爭的廢墟中進行重建, 注意到了廢棄混凝土的問題, 并開始了再生混凝土的研究開發(fā)與利用。 之后，有關(guān)廢棄混凝土再利用的專題國際會議開了三次, 會議制定了各種行動綱領(lǐng)和法規(guī),限制垃圾廢料的大量產(chǎn)生, 推動垃圾廢料回收利用的開發(fā)研究。荷蘭由于國土面積狹小,人口密度大,再加上天然資源相對匱乏的原因,該國對建筑廢棄物的再生利用十分重視,是最早開展再生骨料混凝土研究和應(yīng)用的國家之一,其建筑廢物資源利用率位居

4、歐洲第1位. 1996 年荷蘭全國建筑廢物排放量約為1500 萬t ,其中廢混凝土的再資源化率高達90 %以上. 自1997年起,規(guī)定禁止對建筑廢棄物進行掩埋處理,建筑廢棄物的再利用率幾乎達到了100 %。.日本對于廢棄混凝土的再利用也十分重視,。1977 年，日本政府制定了再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范，隨后在各地相繼建立了處理建筑垃圾的再生利用工廠, 開始生產(chǎn)再生水泥和再生骨料。日本已經(jīng)對再生混凝土的吸水性、強度、配合比、干縮性、耐凍性等性質(zhì)做了系統(tǒng)的研究。目前, 日本對建筑垃圾的再生利用率已達到70%左右, 廢棄混凝土利用率更高。美國政府制定了“超基金法”，給再生混凝土的發(fā)展提供了法律保障

5、。美國采用微波技術(shù),可100%地回收利用再生舊瀝青混凝土路面料, 其質(zhì)量與新拌瀝青混凝土路面料相同, 而成本降低了1/ 3, 同時節(jié)約了垃圾清運和處理等費用, 減輕了城市的環(huán)境污染。韓國一家裝修公司成功開發(fā)從廢棄混凝土中分離水泥，并使這種水泥能再生利用的技術(shù)，這項技術(shù)目前已經(jīng)在韓國申請專利。據(jù)稱每100 噸廢棄混凝土就能夠獲得30 噸左右的再生水泥，這種再生水泥的強度與普通水泥幾乎一樣，有些甚更好，符合韓國的施工標準。而且這種再生水泥的生產(chǎn)成本僅為普通水泥的一半，而且在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生二氧化碳，有利于環(huán)保。近年來，我國政府也對建筑垃圾的循環(huán)再利用引起了重視。政府制定的中長期發(fā)展戰(zhàn)略中鼓勵廢棄物

6、的開發(fā)利用。建設(shè)部將“建筑廢渣綜合利用”列入1997 年科技成果重點推廣項目。雖然我們國家對再生混凝土的研究起步較晚，但現(xiàn)在也已成為混凝土研究領(lǐng)域的一個熱點。目前，國內(nèi)已有數(shù)十家大學(xué)和研究機構(gòu)開展了再生混凝土的研究, 研究工作正在逐漸深入。但是國內(nèi)廢棄混凝土的回收應(yīng)用大多還處于試驗、謹慎使用的階段，缺乏系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，技術(shù)上也還缺少較完善的再生骨料和再生水泥等技術(shù)規(guī)程、標準，要想實現(xiàn)大規(guī)模的廢棄混凝土的回收再利用，我國還要加緊這方面的研究和相關(guān)制度的完善。二、回收再利用方法2.1.再生骨料混凝土舊建筑物的混凝土經(jīng)過拆除粉碎后，分級成為粒徑不同的粗細骨料，用其代替混凝土中部分沙石骨料配制成的

7、混凝土稱作再生骨料混凝土。再生骨料混凝土與使用天然骨料的混凝土相比強度偏低、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，再生混凝土主要應(yīng)用于建筑工程中的基礎(chǔ)墊層、底板、臺子、填充墻和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以及道路建設(shè)中的路基、路面、路面磚和馬牙磚等抗壓強度要求不是很高的部位。由于對再生混凝土的耐久性目前尚無突破性研究，因此它還沒有被用于房屋結(jié)構(gòu)中柱、梁、板等重要部位或構(gòu)件。2.1.1. 再生骨料混凝土的抗壓強度對其進行的抗壓強度相關(guān)試驗表明：與天然骨料混凝土相比，同一水灰比的再生骨料混凝土的28d抗壓強度約低15% ，但其相差的幅度會隨著齡期的增長而慢慢縮小。再

8、生混凝土的強度和所使用的廢棄混凝土的強度有著緊密的聯(lián)系。在同一水灰比條件下，再生骨料強度越高再生混凝土的強度也就越高。從一般建筑物拆除下的廢棄混凝土強度在C20左右，在水灰比為0.6的條件下用再生骨料完全取代天然骨料時，其28d的抗壓強度可達到23.5MPa，完全符合普通混凝土的強度要求。從再生混凝土的抗壓強度上看，它完全可以滿足一些工程建設(shè)的要求。2.1.2. 再生骨料混凝土的抗拉強度再生骨料混凝土的抗拉強度和它的抗壓強度一樣，隨著齡期的增長而增長。而再生骨料混凝土抗拉強度與天然骨料混凝土抗拉強度的相差值也隨著齡期的增長而增大，直到28d 齡期后才基本不變。但是如果在再生混凝土中摻加微細硅粉

9、和高效減水劑則能明顯提高其抗拉強度，尤其對齡期28d以后的提高效果最為明顯。2.1.3. 新拌再生骨料混凝土的工作性因為再生骨料為碎石狀，棱角多，表面粗糙，孔隙率大，存在較多的漿體碎屑，吸水性和吸水速率大，用漿量多，所以新拌再生混凝土的的塌落度明顯降低。按照普通混凝土配合比設(shè)計的再生混凝土，必須增加單位用水量才能滿足工作度要求。在相同水膠比和單位用水量的條件下，隨著再生骨料取代率增加，混凝土的坍落度逐漸減小，降低幅度可達40%，但粘聚性和保水性好。2.1.4. 再生骨料混凝土的干縮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，因此與普通混凝土相比，再生混凝土的干縮量和徐變量增加4080

10、。且其干縮的程度和干縮持續(xù)時間隨著再生骨料取代比例的增大而增大和加長。在再生骨料取代比例達到50%以上時，其干縮時間持續(xù)較長，不過50d 齡期以后的干縮速率十分緩慢，干縮的增量也較小。2.1.5.再生骨料混凝土的用水量由于再生骨料內(nèi)部缺陷多、吸水率大、表面較粗糙，因此配合比中的砂率一般較高且隨著再生骨料所取代比例的提高而增長。由于砂率較高，因此達到相同坍落度時比天然骨料混凝土用水要多，難以達到良好的坍落性能。故其不適宜用于自密實混凝土的配制。2.1.6.再生骨料混凝土的耐久性 抗磨損性：再生骨料的抗磨損性較差。隨著廢棄混凝土粉碎前強度的增加，再生骨料的抗磨性提高。再生骨料的抗磨損性較差導(dǎo)致了再

11、生骨料混凝土的抗磨性較差?？?jié)B性：由于再生骨料的孔隙率較大基于自由水灰比設(shè)計方法之上的再生骨料混凝土的抗?jié)B性比普通混凝土低，摻加了粉煤灰之后，粉煤灰能細化再生骨料的毛細孔道，使抗?jié)B透性有很大改善?？垢g性：再生混凝土的抗硫酸鹽和酸侵蝕性比普通混凝土稍差。摻加粉煤灰后，能減少硫酸鹽的滲透，使其抗硫酸鹽侵蝕性育較大改善。2.2.再生水泥近年來研究得比較多的是利用廢棄混凝土生產(chǎn)再生骨料混凝土，而再生骨料廢棄混凝土中成本最高的“ 精華” 部分硬化水泥漿體，沒有得到有效的回收利用。對于利用廢棄混凝土中的硬化水泥漿體來進行再生水泥, 我國目前的研究還僅僅停留在理論上, 遠遠沒有達到實際應(yīng)用的水平。再生水泥

12、所表現(xiàn)出的環(huán)境友好性、資源節(jié)約性以及經(jīng)濟高效性等特征完全符合“ 節(jié)約、友好” 型社會經(jīng)濟發(fā)展的客觀要求, 因而有著非常廣闊的應(yīng)用前景以及重要的社會價值。對再生水泥的研究勢在必行。廢棄混凝土再生水泥研究的技術(shù)路線是: 首先將廢棄混凝土進行破碎, 然后使用機械方法將粗骨料料和水泥石組分分離(一般來說細骨料難以和水泥石完全分離), 取水泥石部分進行再次的破碎和粉磨, 之后將這些粉磨后的水泥石和無法分離的細骨料一起進行熱處理,在一定溫度下使這些已經(jīng)水化了的水泥石再次分解并生成新的水泥熟料。熱處理的溫度可能會由于摻料、細骨料黏附程度和工藝等的不同而有所不同。但一般都比生產(chǎn)水泥熟料的溫度要低很多。研究表明

13、, 再生水泥與普通水泥和礦渣水泥相比, 具有以下特點:(l) 不經(jīng)高溫?zé)?。例如韓國生產(chǎn)的再生水泥的溫度只在700 左右。(2) 比表面積值大, 但砂漿和混凝土的硬化干燥收縮略小。(3) 與礦渣水泥相比,達到相同的28d強度時所需使用的水泥用量大，但是長期強度增長率也大， 若按長期強度設(shè)計, 仍然可以不增加水泥用量。(4) 硬化干燥收縮與用含礦渣30%一60%的礦渣水泥配制的同強度混凝土相近。(5) 與礦渣水泥相比, 抗凍性差。動彈模的下降稍大。(6) 水化熱低。無論是溶解熱還是水化熱, 再生水泥相比傳統(tǒng)意義的水泥都要低很多。尤其是早期(3d )的水化熱減小了約50 %。這對于大體積混凝土來說

14、無疑是非常有利的。對于相同強度的混凝土, 再生水泥混凝土比礦渣水泥和硅酸鹽水泥混凝土,在各齡期的發(fā)熱量都低得多, 與中熱硅酸鹽水泥混凝土相比也要低些?；谠偕嗟纳鲜鎏匦? 可以認為再生水泥混凝土適宜用于地下混凝土、基礎(chǔ)、樁及大體積混凝土等。這些部位的混凝土一般不要求非常高的強度, 而對水化熱有著較高的要求。在理論研究方面, 基于硬化水泥漿體組分在高溫下可以重新生成水泥熟料礦物的理論, 我國學(xué)者研究的主要方向是水泥石的分解, 主要是對C-S-H 凝膠、氫氧化鈣和鈣礬石等水泥水化產(chǎn)物高溫下的變化進行研究：2.2.1. C-S-H凝膠C-S-H凝膠在硬化水泥漿中約占70 % , 是最重要的水泥水

15、化產(chǎn)物。下圖為C-S-H凝膠的熱重差熱（TG一DTA） 圖譜, 從圖可見: 在40至150 之間有個寬化的吸熱谷, 此時C-S-H凝膠開始失重。 400 左右, C-S-H凝膠中的水已經(jīng)大部分脫去( 脫水量約占總脫水量的89%至94%左右, C-S-H凝膠中水的結(jié)合方式不同, 脫水溫度有所不同), C-S-H凝膠的結(jié)構(gòu)在該溫度下完全解體。700 后, C-S-H 凝膠中的物理吸附水及層間水大量逸出, 結(jié)構(gòu)變形收縮, 同時供給了凝膠分子很大的能量, 使其足以脫離凝膠間的分子引力, 改變鍵合勢, 使原來網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的接觸結(jié)點大大減少, 整個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重不足。因此,700 是一個關(guān)鍵的溫度點, C-S-

16、H 凝膠結(jié)構(gòu)在此點破壞以待重新組建。當溫度上升到約8 0 0 以后出現(xiàn)明顯的放熱峰,表明新相開始形成, C/ S 為1. 0 和1. 3 時,其放熱峰分別在8 10 和823 C/S=1.0和1.3時的水化硅酸鈣 TG一DTA 圖譜2.1.2.氫氧化鈣在500時, 硬化水泥漿體中的氫氧化鈣大量分解, 幾乎不再有完整的氫氧化鈣層狀大晶體, 原來結(jié)晶完整的六方層狀結(jié)構(gòu)變得殘缺不全; 700 后, 氫氧化鈣數(shù)量很少, 完整的氫氧化鈣六方片狀結(jié)構(gòu)不再存在。2.1.3.鈣礬石鈣礬石在加熱時首先發(fā)生脫水反應(yīng)。85 以前, 發(fā)生緩慢的脫水, 使鈣礬石特征衍射峰消失, 但還不影響晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性; 87 開始

17、明顯吸熱, 到135 出現(xiàn)吸熱小臺階, 此后呈平滑走勢, 87 159 , 鈣多面體中的配位水全部失去, 至220 溝槽中的兩個緊密結(jié)晶水也失去。自此以分子形式存在的26個水分子全部脫去, 從220至700 ,以O(shè)H一形式結(jié)合在鋁柱中的水緩慢失去, 鈣礬石發(fā)生進一步的收縮配位, 由原來的Al一O H和Ca 一O H 面網(wǎng)脫水變?yōu)锳 I一0 一Al 和C a O Ca 面網(wǎng), 到700 左右, 全部結(jié)合水失去, 同時產(chǎn)生A12O3兩膠體和CaO。也有研究認為, 鈣礬石在300 發(fā)生分解反應(yīng), 生成C12A7 和Ca(OH)2 。三、前景展望隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，作為人類使用量最大的人工材料混凝

18、土，其制備和使用過程中對資源過度開發(fā)、能源大量消耗以及造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，與地球資源、地球環(huán)境容量的有限性以及地球生態(tài)系統(tǒng)的安全性之間的矛盾日益尖銳，迫切需要研制和使用具有可持續(xù)發(fā)展的混凝土材料，以緩解和消除普通混凝土對人類自身的生存環(huán)境所構(gòu)成的嚴重障礙和威脅。將大量廢棄混凝土進行批量化處理，通過再生骨料混凝土和再生水泥混凝土等途徑，使其重新作為建筑材料而使用，從經(jīng)濟技術(shù)上講是切實可行的。更重要的是，對廢棄混凝土進行回收利用，這種對資源的再生利用的方式可以保護環(huán)境、節(jié)約資源，可以真正實現(xiàn)建筑廢棄混凝土的資源化、無害化。是一直充滿希望的，值得推崇的科學(xué)發(fā)展理念！混凝土外加劑的快速發(fā)展和新結(jié)構(gòu)，新工藝的發(fā)展使再生混凝土的基本性能得到改善或提高。隨著人口增多、生產(chǎn)發(fā)展、資源枯竭、環(huán)境破壞、地球承受的負擔(dān)劇增，混凝土的發(fā)展，由追求高強化、高性能化逐漸向綠色化方向靠攏。因此，再生混凝土有著更為強大的生命力?；炷恋幕厥绽茫枪?jié)約能源和資源，保護環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展道路的重要課題，應(yīng)該引起我們充分的關(guān)注，在研究上進一步深入，并在政策上行動上予以落實！參考資料：1 王玉茜、王學(xué)軍、趙光鵬廢棄混凝土再利用研究現(xiàn)狀及在軟土中的應(yīng)用 山西建筑 第36卷第28期，2010年10月2 艾紅梅 魏璟璟 廢棄混凝土再利用新技術(shù)再生