廢棄混凝土再利用新技術(shù)—再生水泥
摘要：廢棄混凝土再利用長(zhǎng)期以來一直是建筑行業(yè)和混凝土行業(yè)一個(gè)熱門的研究課題。本文從材料過程工程學(xué)理論出發(fā)，指出利用廢棄混凝土研發(fā)再生水泥的可行性，論述了廢棄混凝土再生水泥的特性、適用范圍、以及利用廢棄混凝土制備再生水泥的技術(shù)路線。
關(guān)鍵詞：材料過程工程學(xué)；廢棄混凝土；再生水泥
0 引言
隨著商品混凝土在我國(guó)的蓬勃發(fā)展，混凝土行業(yè)已然成為建筑材料領(lǐng)域的支柱行業(yè)。然而混凝土作為最大宗的人造工程材料，一旦建筑物或構(gòu)筑物解體，它也會(huì)相應(yīng)地成為建筑垃圾的“主力軍”.目前在我國(guó)，每年混凝土廢棄物的排放量就超過一億噸，這些廢棄混凝土在過去大多得不到較好的回收利用，同時(shí)還需要大量的場(chǎng)地來處理這些建筑垃圾（堆放或填埋）。
與此同時(shí)，水泥工業(yè)作為建材行業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，在資源、能源消耗方面也是當(dāng)之無愧的“大戶”.這與2 1世紀(jì)資源短缺、能源匱乏的現(xiàn)狀是相悖而行的。我國(guó)在《水泥工業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》中明確指出水泥工業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)思想：大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，依靠技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
大連理工大學(xué)王立久教授提出“材料過程工程學(xué)”理論：通過對(duì)材料生命周期的多種單元過程進(jìn)行優(yōu)化重組，形成材料新的生命周期，以實(shí)現(xiàn)材料整個(gè)生命過程的低能耗、少污染，并能充分減量化利用資源。依據(jù)此理論看待上述水泥與混凝土工業(yè)存在的問題，將混凝土廢棄物作為再生水泥的生產(chǎn)原料是一個(gè)很好的思路，既解決了廢棄物處理占地的問題，又緩解了水泥生產(chǎn)所需原材料（石灰石和粘土）資源短缺的問題，實(shí)現(xiàn)了混凝土、水泥兩大行業(yè)的優(yōu)化與可持續(xù)發(fā)展。
1 混凝土膠凝材料“水泥”再生的構(gòu)想
材料與生物一樣，都有它的生命周期，它的本質(zhì)是一個(gè)物質(zhì)與能量積累和傳遞的過程。如何做到這一過程的低能耗、少污染，并能充分減量化利用資源，是材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在?；诓牧蠈W(xué)、環(huán)境材料學(xué)、過程工程學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)和生態(tài)學(xué)等相關(guān)理論，大連理工大學(xué)王立久教授提出了“材料過程工程學(xué)”（Material Process Engineering）--一種全新的材料學(xué)研究方法，其定義為：材料過程工程學(xué)是對(duì)材料由原生到被廢棄的生命全過程及其相關(guān)過程進(jìn)行優(yōu)化或集成，以實(shí)現(xiàn)其對(duì)自然環(huán)境消耗低、污染少和充分利用不可再生資源的工藝和各種工程問題進(jìn)行研究的方法。材料過程工程學(xué)是從過程的角度研究材料生產(chǎn)和使用過程中資源與能源的優(yōu)化利用問題，目的是在總體上達(dá)成材料工業(yè)的技術(shù)及資源使用最優(yōu)化，使以它為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的材料更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)能夠更加經(jīng)濟(jì)、合理地利用能源和資源，實(shí)現(xiàn)材料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
以新型建材為例，從材料過程工程學(xué)觀點(diǎn)考慮，將材料生命全過程進(jìn)行分解（如圖1所示）：源于地球一獲取原材料一進(jìn)行工藝加工一得到產(chǎn)品一應(yīng)用于工程一產(chǎn)品解體、廢棄一回到地球。這樣，新型建材的概念就非常清晰了：在這一全過程中，任意單元過程或駐點(diǎn)發(fā)生改變所導(dǎo)致的新的材料的誕生，就是圖中任何一個(gè)包括虛線的過程，其最終結(jié)果（產(chǎn)品）都可以稱為新型建筑材料。例如原材料的改變、工藝過程的改變、產(chǎn)品性能的改變、甚至應(yīng)用場(chǎng)合的不同，都會(huì)使新的材料誕生。我們完全可以根據(jù)“材料過程工程學(xué)”理論將廢棄的混凝土通過新的工藝來加工成混凝土的各種原材料，如再生骨料，再生水泥等，也就是從“廢棄”節(jié)點(diǎn)經(jīng)“新工藝”節(jié)點(diǎn)向“產(chǎn)品”節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化。其中“廢棄混凝土”一“再生水泥”是一個(gè)嶄新的研究方向，對(duì)于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代混凝土行業(yè)的循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。
2 國(guó)外廢棄混凝土再生水泥的研究狀況
廢棄混凝土的再利用最早開始于歐洲，1976年成立的“混凝土拆除和再利用技術(shù)委員會(huì)”,研究廢棄混凝土的消化與再生利用，并且將廢棄混凝土再生骨料用于高速道路等實(shí)際工程。隨后日本也相繼開始了對(duì)廢棄混凝土再生利用的研究。美國(guó)從20世紀(jì)80年代開始研究將混凝土廢棄物作為混凝土的粗、細(xì)骨料。
利用廢棄混凝土生產(chǎn)再生水泥的研究起步較早的是日本。70年代后期，日本出現(xiàn)了一些以處理混凝土廢棄物為對(duì)象的再生利用工廠，其中，規(guī)模較大的工廠可以每小時(shí)處理100噸廢棄物。例如名古屋市，1990年，利用經(jīng)過處理的混凝土廢棄物生產(chǎn)再生路面基層材料多達(dá)10萬多噸。日本的小野田水泥公司對(duì)以離心方式成型混凝土制品所產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行了再利用研究，開發(fā)了“標(biāo)準(zhǔn)淤渣”回收系統(tǒng)。這個(gè)回收系統(tǒng)，利用連續(xù)式離心分離機(jī)，將廢棄物淤泥經(jīng)過脫水分離后得到淤渣和水。通過向淤渣中加入延緩劑等外加劑來保持其中水泥的活性，從而使它可以作為混凝土的原材料被再次利用。這種再生水泥基本上由淤渣中所含的水泥水化物微粒與高爐水淬礦渣微粒所組成。通過電子顯微鏡照片和X射線衍射分析，可以確認(rèn)該水泥水化的生成物及其成長(zhǎng)過程類似于礦渣水泥。經(jīng)日本混凝土工業(yè)協(xié)會(huì)的試驗(yàn)結(jié)果，使用再生原材料制成的產(chǎn)品，其物理性能與原產(chǎn)品沒有區(qū)別。
近年來，韓國(guó)一家名為“利福姆系統(tǒng)”的裝修公司成功的從廢棄混凝土中分離出水泥，使其再生利用。該公司從2005年下半年開始批量生產(chǎn)這種再生水泥。他們首先把廢棄混凝土中的水泥與石子、鋼筋等分離開來，然后在700℃的高溫下對(duì)水泥進(jìn)行加熱處理，再添加特殊的物質(zhì)，就能生產(chǎn)出再生水泥。據(jù)報(bào)道每100噸廢棄混凝土就能夠獲得30t左右的再生水泥，這種再生水泥的強(qiáng)度與普通水泥幾乎一樣，有些甚至更好，符合韓國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，這種再生水泥的生產(chǎn)成本僅為普通水泥的一半，而且生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生二氧化碳，有利于環(huán)境保護(hù)。[Page]
3 國(guó)內(nèi)再生水泥研究的新動(dòng)態(tài)
在我國(guó)，由于混凝土生產(chǎn)所需原材料短缺的現(xiàn)象尚未凸顯，同時(shí)大量混凝土結(jié)構(gòu)物的廢棄、解體的高峰期還沒有到來，因此對(duì)于廢棄混凝土的研究起步較晚。近年研究較多的是利用廢棄混凝土生產(chǎn)再生骨料。再生骨料混凝土由于性能所限，只局限于中、低強(qiáng)度等級(jí)；應(yīng)用面也較窄，大多用于道路面層和墊層。對(duì)于廢棄混凝土再生水泥，我國(guó)目前的研究還僅僅停留在理論上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平，以致廢棄混凝土中成本最高的“精華”部分--水泥石沒有得到有效的回收利用。
隨著建筑垃圾的增多，能源、資源形勢(shì)的日益緊迫，再生水泥的研究勢(shì)在必行，它所表現(xiàn)出的環(huán)境友好性、資源節(jié)約性以及經(jīng)濟(jì)高效性等特征完全符合“節(jié)約、友好”型社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀要求，有著非常廣闊的應(yīng)用前景以及重要的社會(huì)價(jià)值。
在理論方面，基于水泥石組分在高溫下可以重新生成水泥熟料礦物的理論，我國(guó)學(xué)者研究的主要方向是水泥石的分解，主要是對(duì)C-S-H凝膠、Ca(OH)2和鈣礬石(Aft)等水泥水化產(chǎn)物高溫下的變化進(jìn)行研究。
?。?）C-S-H凝膠
C-S-H凝膠在水泥石中約占70%,是最重要的水化產(chǎn)物，對(duì)它的研究也最多。圖2為C-S-H凝膠的TG-DTA圖譜，從圖可見：
①在40~150℃有個(gè)寬化的吸熱谷，此時(shí)C-S-H凝膠開始失重。
?、?00℃左右，凝膠中的水已經(jīng)大部分脫去（脫水量約占總脫水量的89%~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。③700℃后，C-S-H凝膠中物理吸附水及層間水大量逸出，結(jié)構(gòu)變形收縮，同時(shí)供給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(shì)，使原來網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的接觸結(jié)點(diǎn)大大減少，整個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重不足。因此，700℃是一個(gè)關(guān)鍵的溫度點(diǎn)，C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)在此點(diǎn)破壞以待重新組建。
?、墚?dāng)溫度上升到約800℃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(shí)，其放熱峰分別在810℃和823℃。
（2）Ca(OH)2在500℃時(shí)，水泥石中的Ca(OH)2大量分解，幾乎不再有完整的Ca(OH)2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，Ca(OH)2數(shù)量很少，完整的Ca(OH)2六方片狀結(jié)構(gòu)不再存在。
（3）鈣礬石（AFt）在加熱時(shí)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℃開始明顯吸熱，到135℃出現(xiàn)吸熱小臺(tái)階，此后呈平滑走勢(shì)，87℃~159℃，鈣多面體中的配位水全部失去，至220℃溝槽中的兩個(gè)緊密結(jié)晶水也失去。自此，以分子形式存在的26個(gè)水全部脫去，從220℃~700℃，以O(shè)H-形式結(jié)合在鋁柱中的水緩慢失去，鈣礬石發(fā)生進(jìn)一步的收縮配位，由原來的Al-OH和Ca-OH面網(wǎng)脫水變?yōu)锳1-O-A1.和Ca-O-Ca面網(wǎng)，到700℃左右，全部結(jié)合水失去，同時(shí)產(chǎn)生A12O3兩膠體和CaO.也有研究認(rèn)為，AFt在300℃發(fā)生分解反應(yīng)，生成C12A7和Ca(OH)2.后一種說法得到了大連理工大學(xué)鄭芳宇的驗(yàn)證。[Page]
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(jìn)行破碎，然后使用機(jī)械方法將粗集料和水泥石組分分離（但是一般細(xì)集料難以和水泥石完全分離），取水泥石部分進(jìn)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(xì)集料一起進(jìn)行熱處理，在一定溫度下使得這些已經(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(huì)由于摻料、細(xì)集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得多。
4 廢棄混凝土再生水泥的特性及應(yīng)用
目前，再生水泥所用的原料依廢棄物的種類不同有兩種類型：I型，混凝土工廠淤渣+水淬礦渣+石膏；Ⅱ型：廢棄混凝土砂+水淬礦渣+石膏。
I型水泥的特點(diǎn)：混凝土淤渣是在低溫下干燥的，它同水淬礦渣細(xì)粉之間的反應(yīng)速度很慢。因此，進(jìn)行干燥時(shí)應(yīng)把溫度提高到200℃左右并以較短的時(shí)間完成干燥過程，使淤渣中的水化物鈣礬石脫水分解而非晶質(zhì)化，加快它與水淬礦渣細(xì)粉之間的水化反應(yīng)速度。
?、蛐退嗟奶攸c(diǎn)：混凝土碎砂是用破碎機(jī)把廢棄混凝土破碎到30毫米以下，其破碎物再過5毫米篩，利用其通過部分作為混凝土細(xì)砂。如同混凝土工廠淤渣那樣不需高溫干燥處理，只需一般的干燥和粉磨就可與水淬礦渣細(xì)粉發(fā)生水化。作為原料的廢棄混凝土，其水化物的數(shù)量越多越好，因此通常是利用富配合的混凝土，如道路路面以及水泥二次制品的廢材等。Ⅱ型水泥較I型水泥的凝結(jié)時(shí)間更慢；比表面積略小些（比礦渣水泥高）。
研究表明，再生水泥與普通水泥和礦渣水泥相比，具有以下特點(diǎn)：
?。?）不經(jīng)高溫?zé)?。如前所述，韓國(guó)生產(chǎn)的再生水泥的溫度只在700℃左右；生水泥的硬化是混凝土廢棄物或商品混凝土工廠的廢泥漿中占據(jù)大多數(shù)的水泥水化物與高爐礦渣之間產(chǎn)生的水化反應(yīng)。
?。?）比表面積值大，但砂漿和混凝土的硬化干燥收縮略小些。
?。?）與礦渣水泥相比，相同28d強(qiáng)度時(shí)所需水泥用量大；長(zhǎng)期強(qiáng)度增長(zhǎng)率大；若按長(zhǎng)期強(qiáng)度設(shè)計(jì)，可以不增加水泥量。
?。?）硬化干燥收縮與用含礦渣30%--60%的礦渣水泥（日本規(guī)范中的B種礦渣水泥）配制的同強(qiáng)度混凝土相近。
?。?）與B種礦渣水泥相比，抗凍性差。按ASTMC一666進(jìn)行試驗(yàn)，凍融后I型、Ⅱ型與B種礦渣水泥相比，動(dòng)彈模下降稍大。
?。?）水化熱低。根據(jù)JIS（日本工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定水泥的平均發(fā)熱量，結(jié)果如表1所示。表2是28d相同強(qiáng)度混凝土的相對(duì)水化熱比（以每立方米混凝土的發(fā)熱量計(jì)，并以硅酸鹽水泥混凝土為100）。
由表1可見，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。甚至較中熱水泥的水化熱也小很多，尤其是早期（3d）水化熱約減小了50%.這對(duì)于大體積混凝土來說無疑是非常有利的。由表2可見，相同強(qiáng)度的混凝土，再生水泥混凝土相比礦渣水泥和硅酸鹽水泥混凝土，在各齡期的發(fā)熱量都更低得多，與中熱硅酸鹽水泥混凝土相比也要低些。
基于再生水泥的特性，它可以用于地下混凝土、基礎(chǔ)、樁及大體積混凝土。因?yàn)檫@些部位的混凝土一般不要求非常高的強(qiáng)度，而對(duì)水化熱都有較高的要求。
5 結(jié)語
根據(jù)“材料過程工程學(xué)”理論，利用廢棄混凝土開發(fā)研制再生水泥是完全可行的，國(guó)外成功的應(yīng)用案例也讓我們看到了此項(xiàng)技術(shù)的光明前景。目前，利用再生水泥生產(chǎn)的混凝土主要用于地下混凝土、基礎(chǔ)、樁及大體積混凝土等，其更廣泛的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。另外，混凝土再生水泥制作過程中，還有一些關(guān)鍵性的技術(shù)問題有待解決，例如細(xì)集料的粉磨、水泥石較低溫度的熱處理等。隨著研究的深入、技術(shù)水平的提高，廢棄混凝土再生水泥將成為未來綠色膠凝材料的主要發(fā)展方向，為混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一條有效的途徑。
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