再生骨料改性强化方法研究进展①

□□ 乔宇豪，任 伟 (吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

引言

随着我国城市化建设速度不断加快，每年有近30亿m3混凝土应用在建筑领域，消耗了大量的天然砂、石[1]。与此同时，建筑物拆除后产生的大量废弃混凝土难以得到及时有效地处理，常采用填埋和堆放方式浪费了大量宝贵的土地资源，也对环境造成了严重的污染。骨料通常占混凝土总体积70%～80%[2]。因此，资源化利用废弃混凝土以再生骨料替代天然骨料，既能减少待处理的废弃混凝土，又能减少对天然骨料的使用，从而减少天然砂、石的开采。

再生骨料由废弃混凝土破碎生产，与天然骨料相比其表面附着有老旧砂浆，含有大量孔隙以及因机械破碎产生的微小裂缝，这些缺陷导致与天然骨料相比吸水率高、密度低、坚固性差和压碎指标大[3-4]，同时再生骨料表面附着的不规则老旧水泥砂浆与骨料之间存在粘结力弱的界面过渡区。再生骨料自身性能的劣势致使其全部或部分替代天然骨料会对再生混凝土性能产生负面影响，因而通过再生骨料强化以提升再生混凝土性能，对再生骨料的推广应用具有重要意义。

1 再生骨料改性强化方法

再生骨料是由天然骨料和附着砂浆构成的非匀质复合材料，与天然骨料不同在其表面存在附着砂浆，这也是再生骨料性能劣势的主要原因。相关研究证实附着砂浆占再生骨料总质量的20%～70%[5]。研究人员多采用物理、化学和生物方法对再生骨料进行处理，通过去除附着砂浆和改性强化附着砂浆以达到改善再生骨料性能的目的。

2 去除附着砂浆

2.1 机械研磨强化

机械研磨方法是利用骨料与骨料、骨料与设备之间的相互摩擦、碰撞，以达到去除骨料表面附着砂浆的目的[6]。日本在研究工艺设备对再生骨料影响效果方面取得了显著成就[6]。Montgomery D G[7]使用球磨法有效去除了再生骨料表面的砂浆，并研究了附着砂浆含量对再生骨料性能的影响。传统机械研磨方法多是利用机械设备的强制摩削作用，Dimitriou G等[8]将传统机械研磨方法进行改善，将再生骨料放入定制的混凝土搅拌机中加水以10 r·min-1搅拌5 h，结果表明，经处理后的骨料表面附着砂浆占比下降60%，吸水率降低65%，骨料各项性能均获得较大改善。虽然机械研磨法可以有效去除骨料表面附着砂浆，但也存在缺点，在机械设备连续不断的强制作业中，再生骨料容易受到损伤导致几何特征发生变化，从而引入微裂纹，不利于再生骨料的机械性能和耐久性能[9]。

2.2 热处理与加热研磨

当再生骨料温度发生变化时，两个热性能不同的材料相界面粘结力会降低[10]。热处理可利用温度变化对附着砂浆与骨料粘结力的影响，通过剥离附着砂浆，减少旧ITZ长度，以达到有效增强再生骨料性能的目的。Larbi J A等[11]将再生骨料进行热处理，结果表明，热处理温度越高，附着砂浆越容易与骨料分离。肖建庄等[12]采用微波加热再生骨料，使骨料表面温度达到300 ℃而内部温度较低，形成内外温差与温度应力，有效去除骨料表面约50%的附着砂浆，再生骨料各项性能均获得较大改善。SUI Y W等[13]研究了加热研磨温度、时间对再生骨料的影响，试验证明在300 ℃下进行充分的机械处理可获得性能与天然骨料类似的再生骨料。值得注意的是过高的温度(>500 ℃)处理再生骨料可能会对再生骨料产生负面影响。

2.3 酸性溶液浸泡

酸性溶液浸泡是去除再生骨料附着砂浆的有效方法。Tam V W Y等[14]研究了三种强酸(HCl、H2SO4和H3PO4)溶液对再生骨料的影响，试验证明三种酸性溶液与砂浆中的水化产物发生反应生成Ca2+、Al3+和Fe3+等产物，这些产物会削弱附着砂浆的粘结力，有效减少附着砂浆含量，降低骨料吸水率。Ismail S等[15]研究了HCl浓度和浸泡时间对再生骨料附着砂浆的影响，证明附着砂浆损失量与盐酸浓度的增加呈线性相关，而与浸泡时间无显著关系。WANG L等[16]采用乙酸溶液浸泡再生骨料，结果表明，使用1%的乙酸处理再生骨料可取得最低吸水率，而乙酸浓度的提高并不能进一步降低再生骨料吸水率。酸性溶液处理过程中应注意氯化物和硫酸盐的含量对混凝土耐久性的影响，在使用带有Cl-和SO42-的酸性溶液浸泡处理时，应注意控制溶液浓度与浸泡时间在合适范围，控制其残留含量在规定限值。

3 改性强化附着砂浆

3.1 化学浆液强化

化学浆液强化方法主要通过降低再生骨料吸水率、填充孔隙裂缝和改善界面过渡区来提高再生骨料的各项性能。化学浆液强化主要通过以下三种方法：

(1)火山灰质材料强化。火山灰质材料是工业副产品，材料来源广泛且更环保。将再生骨料浸入粉煤灰(FA)、硅灰(SF)和粒化高炉矿渣等火山灰质材料浆液中，浆液可以填充骨料孔隙降低吸水率，改善砂浆的粘结性能，从而达到强化再生骨料的目的。Katz A[17]使用10%的SF溶液浸泡再生骨料，骨料表面形成SF涂层，结果显示，SF与附着砂浆中的Ca(OH)2水化生成水化硅酸钙，降低附着砂浆的孔隙率，增强界面过渡区改善骨料性能，经处理后的再生骨料制备的混凝土28 d抗压强度可增加15%。

(2)聚合物乳液浸泡。聚合物乳液具有粘合性并且可以在短时间内固化，同时聚合物乳液具有拒水性，将再生骨料浸泡在聚合物乳液中可以填充粘接砂浆中的孔隙。不同类型的聚合物已被用于改善再生骨料的性能，如硅基聚合物和聚乙烯醇(PVA)。Spaeth V等[18]使用硅基聚合物浸泡骨料，发现聚合物分子填充了粘附砂浆孔隙显著降低了再生骨料的吸水率，并且在孔隙中形成聚合物膜，这种聚合物膜具有拒水性且在碱性环境中耐腐蚀，有利于提高混凝土的抗渗性。Kou S C等[19]使用聚乙烯醇(PVA)浸渍再生骨料，发现再生骨料的吸水率显著降低，对混凝土的耐久性和干燥收缩性能均有提高，但对抗压强度无明显影响。

(3)硅酸钠溶液强化。硅酸钠溶液硬化时析出的硅酸凝胶可以填充再生骨料的孔隙或微裂缝，从而改善骨料的孔隙以提高骨料的密实度；同时硅酸钠与附着砂浆中的Ca(OH)2发生反应生成C-S-H凝胶，提高附着砂浆与骨料的粘结性，从而起到强化骨料的作用。程海丽等[20]研究了不同浓度的硅酸钠溶液浸泡不同时间对再生骨料的影响，试验发现，浓度过高与浸泡时间过长均会导致骨料表面形成硅酸钠水解产物的包裹层，骨料表面的这种产物会削弱凝胶体中范德华力和氢键等作用，从而减弱再生骨料与水泥砂浆的咬合，不利于再生混凝土的后期强度增长。

3.2 纳米材料改性

纳米材料由于晶粒极小，具有传统材料所不具备的许多特殊性质，如体积效应、表面效应和高表面活性。纳米材料可以有效地填充C-S-H的空隙，通过充当成核中心和减小Ca(OH)2晶体的尺寸来提高水化速率，改善再生骨料微观结构，增强再生混凝土力学性能和耐久性[21]。ZHANG H R等[22]使用两种含有纳米材料的浆料，研究了表面处理对再生骨料的微观结构和宏观性能的影响，第一种浆料含有纳米SiO2和纳米CaCO3，另一种浆料含有水泥和纳米SiO2。结果表明：两种纳米浆料均能强化界面过渡区，提高附着砂浆粘结力，提高再生骨料各项性能。Hosseini P等[23]证实，在100%使用再生骨料制成的混凝土中，用3%的纳米SiO2替代水泥会得到比使用天然骨料制成的混凝土更高的强度。

3.3 碳化强化

碳化强化是另一种高效且环保的方法，具有广泛的应用。CO2可以与附着砂浆孔隙或裂缝中的水化产物(Ca(OH)2、C-S-H)发生反应生成CaCO3，通过填充附着砂浆孔隙和增加固相体积来强化再生骨料性能[24]。在自然条件下，水泥砂浆凝结硬化过程中Ca(OH)2不能完全反应，并且碳化是一个非常缓慢的过程，再生骨料附着砂浆中存在着相当数量的Ca(OH)2[24-25]。许多研究人员尝试采用加速碳化技术强化再生骨料，发现该技术不仅可以通过沉淀CaCO3来降低再生骨料的孔隙率，还可以改善ITZ和附着砂浆[26-27]。在碳化的最初阶段，Ca(OH)2比C-S-H碳化更快，但由于Ca(OH)2表面形成一层CaCO3微晶后，这种情况很快发生逆转[25]。ZHANG J等[28]将再生骨料在CO2浓度为20%、0.2 MPa的压力下处理7 d，结果表明，与未处理的再生骨料相比，碳化处理使再生骨料的密度提高了5%，吸水率降低了28%，压碎值降低了9%。ZHAN B等[29]研究了再生骨料粒径大小和含水量对碳化效果的影响，结果发现，粒径较小的再生骨料因比表面积大更而易碳化，再生骨料在干燥状态和水饱和状态分别会因不能提供水分和孔隙充满水阻碍CO2渗透而影响碳化效果。由于原生混凝土来源不同，可能出现混凝土龄期较长而致使再生骨料中可碳化物质不足的情况。一些研究人员提出可以先将再生骨料在Ca(OH)2溶液中预浸泡提高可碳化物质含量，以提高碳化强化效果[30]，有研究已证实经过Ca(OH)2预浸泡后CO2养护与仅用CO2养护相比，再生骨料附着砂浆的总孔隙率降低了约33%，并且其微观结构更加致密[31]。

3.4 微生物矿化

微生物矿化是提升再生骨料的一种新技术，特别是对于降低粘附砂浆的吸水率。该技术基于细菌在细胞壁外表面沉积CaCO3的能力，细菌细胞壁表面可以吸引Ca2+，与尿素水解产生的CO32-发生反应；同时，NH4+的增加导致周围介质pH值变高，加速诱导水泥砂浆中CaCO3的沉积[32]。Grabiec A M等[33]研究了使用巴氏杆菌对再生骨料的生物沉积，试验证明巴氏杆菌吸引Ca2+与CO2-发生反应生成固体CaCO3，可填充再生骨料孔隙及微裂缝。这一发现与QIU J等[34]的结果一致，QIU J等还研究了pH值、Ca2+浓度、巴氏杆菌浓度和温度对CaCO3沉淀的影响，结果显示CaCO3的沉淀量在pH为9.5时达到最大值，并随着Ca2+浓度、巴氏杆菌浓度和温度的增加而增加。CaCO3生物沉积是改善再生骨料微观结构和强度的技术，并且它可在环境中自然发生，相比其他强化方法更具环保优势[34]。微生物矿化是混凝土科学和微生物科学的交叉学科。目前，它在强化再生骨料中的应用并不广泛，但其对环境无污染和耗能低，而且与水泥基材料具有良好的相容性，值得进一步研究。

4 结语

使用再生骨料替代天然骨料应用于混凝土中，可以减少对自然资源的依赖，具有广阔的应用前景。在去除附着砂浆和改性强化附着砂浆两种技术中，改性强化附着砂浆对环境更友好，具有更好地推广意义。在改性增强附着砂浆的方法中碳化强化和微生物矿化已被证实对于再生骨料的强化具有很好的效果，不仅可以改善再生骨料性能和微观结构，同时没有额外的能耗和污染，碳化强化技术更是可以从自然环境中直接回收CO2，两种方法均具有很高的经济和环境效益，因而碳化强化和微生物矿化可以作为今后的主要研究方向。