摘要：目前利用废弃混凝土制备的再生混凝土集料在实际应用过程中由于其表面粗糙、吸水率高和自身强度低等特点，限制了其应用领域和利用率。通过热－机械力技术方法成功分离建筑混凝土废弃物中的原状天然骨料和胶凝砂混合组分相，并使得两种分离产物分别在配制新拌混凝土和建筑干混砂浆中得到有效应用，实现建筑混凝土废弃物的高效再生循环利用。
关键词：建筑混凝土废弃物 再生利用 干混砂浆
随着我国基础设施建设加强，每年拆除的建筑废弃结构混凝土、改造的路面旧混凝土板、混凝土预制构件厂排放的废料等产生了巨量的建筑固体垃圾，不仅占用土地，污染环境，而且还浪费资源，其妥善处理成为当前的一个紧要问题[1]。
世界许多国家已经将建筑混凝土废弃物作为资源对待，而不再将它们作为无用的垃圾。废弃混凝土经破碎加工后用于路基土的处理，与天然砂石配合作为路面基层材料，并可部分代替天然骨料生产新的混凝土。我国政府近年来对建筑垃圾的循环再利用也高度重视，根据国家“十五”计划纲要要求，目前再生混凝土集料已经应用于实际工程中。
然而，由于再生混凝土集料表面粗糙、吸水率高和自身强度低等特点，限制了其应用领域和利用率。而且在再生混凝土集料逐级破碎过程中，由于破碎工艺、基体混凝土强度的不同产生了重量约基体混凝土总重量15％～20%左右的废弃混凝土细骨料粉[2]。这部分细骨料粉由于密度小、颗粒形状规则度差、孔隙率高、吸水率大和易性差及强度低等特点，影响了再生混凝土骨料制品的性能，常常被认为是无利用价值的废料而抛弃，导致了环境的二次污染。
为实现废弃混凝土垃圾的高效利用，本文通过热－机械力分离方法得到废弃混凝土的原状天然骨料和热活化胶凝砂混合组分相，再将两种分离产物完全回收应用于建筑领域。
1 废弃混凝土热－机械力分离机理
1.1 混凝土材材料体系的热不相容性
水泥混凝土是一种多相非均质材料，硬化的水泥石、水泥砂浆和粗骨料（石子）具有不同的热膨胀性能，这种热相容性的差异会对混凝土的高温性能产生一系列的影响。实验室用Workhorse-1型热膨胀仪（美国Anter公司生产）测试了常温至高温下(600 ℃)废弃混凝土组成相的线热膨胀性能，表1列出了C40混凝土组成相（粗骨料、砂浆和水泥石三相）在常温到不同温度点的平均热膨胀系数。由组成相的热膨胀性能可知，当混凝土遭受高温后，一方面水泥石由于自身成份的热化学反应会产生体积的收缩；另一方面砂浆组成相与粗骨料的热不相容性差异产生热应力作用于界面处[3]。因此，两者相互联系的蠕变形式在高温差作用下将会产生混凝土内部结构的一系列性能变化。
1.2 骨料界面过渡区的细观热致损伤
混凝土中骨料界面过渡区是最薄弱的区域。当温度发生变化时，两个热性能不同的组成相(骨料和硬化水泥浆)在界面处有相对的运动或错动的趋势，使得界面产生微裂纹损伤且界面粘结力降低[4]。实验室通过偏光显微镜（Zeiss Axioskop 40， 德国）的反光原理，可以明显地观察到废弃混凝土在热处理过程中骨料过渡区的变化情况，表明在热作用下其界面结构在弱化。图1为不同处理温度后混凝土界面的热致结构损伤。
1.3 机械力分离
在热处理过程中骨料与水泥浆体界面发生了脱粘，再利用砼块体之间的磨擦和碰撞作用，可以使得两者达到分离，这个过程可在球磨机筒体或类似设备中实现。通过控制适当的转速及安装适宜的衬板类型使废弃物混凝土块处于抛落状态。此时，在筒体转动离心力的作用下被提升至一定高度后自由降落，具有一定的动能。在废弃混凝土之间接触时，它们之间发生瞬间的能量和动量传递。在此过程中，废弃混凝土整个体积内受到粉碎力的作用，且在内部缺陷局部薄弱处产生明显的应力集中，由于其骨料界面过渡区的弱化，实际上经过一定机械力作用很容易分离出原状天然粗骨料和热活化废弃混凝土胶凝砂混合相。
2 热－机械力分离产物的再生利用
废旧混凝土块在经过高温煅烧（工业热尾气）、球磨破碎、磨擦等处理后，粗骨料与砂浆脱粘分离，砂浆内部的胶凝组成相与砂子也产生分离，最终能够得到回收骨料（原状天然骨料）和活性的砂胶凝混合组分（活化废弃混凝土粉）。温度控制在450～550 ℃，首先避开了石英组分在573 ℃附近的化学转变，不影响回收石灰岩骨料和砂子品质；另一方面实现废弃混凝土内部结构的最大热应力破坏。
2.1 原状天然骨料混凝土
经过500 ℃处理过的废弃混凝土块，通过废弃混凝土热－机械力分离作用分离出的原状天然粗骨料见图2，图3为天然石灰岩骨料的表面形态。可以观察到热回收骨料比天然石灰岩骨料颜色稍浅，主要原因是回收骨料表面仍存在细小的硬化水泥浆。回收骨料与天然骨料的各项物理性能指标见表1，测得的结果显示回收骨料与天然骨料物理性能相近。用再生回收骨料替代全部天然骨料配制混凝土C30混凝土，其工作性能良好，力学性能与天然骨料混凝土完全一致，见表3。
2.2 再生干混砂浆
热活化废弃混凝土胶凝砂混合相可以看作是水泥水化产物脱水相与砂子的混合物，水泥水化产物脱水相XRD定性分析结果表明[5]，水泥石高温后的脱水相含有的主要晶态成分为Ca2SiO4和CaO，还有多种无定型物质及非晶态物质，这些具有水化能力的活性物质能够构成其再水化的来源。
由于脱水相具有极大的比表面积，颗粒粒径小，可在短时间里吸收水分，达到凝结状态，因此不足以制成干混砂浆，需要加入其他胶凝材料进行改性。为了尽可能多地利用工业废弃物和降低材料成本，试验选用了粉煤灰(Ⅱ级)、磷石膏和水泥(普硅42.5#)来改善干混砂浆的力学性能，并采用正交试验分析材料组成。表4是三水平三因素正交试验方案及结果，其中材料的比例以热处理旧水泥砂浆为基准进行配制。
由试验结果可知，水泥用量是对强度影响最大的因素。掺入水泥量越多，试块强度越高。对水泥掺量仅占活旧混凝土粉质量5%的第五组，试块28 d抗压强度达到了18.4 MPa，完全不掺水泥的第二组试件抗压强度平均值也超过10 MPa。目前我国不同强度等级建筑砂浆的水泥用量为10％～20%，而且由于多层砌体的修筑原因，建筑砂浆的水泥用量很大。从降低材料成本和追求最高性价比的角度来调整配合比时，可以将水泥掺量确定为分离砂浆质量的5%甚至更少。因此利用建筑混凝土废弃物研究新型环保型建筑砂浆，对于开拓建筑砂浆领域具有重要的现实意义。
3 结 论
建筑混凝土废弃物的高效利用对于解决环境污染、节约天然资源和实现资源的可持续发展具有重大现实意义。本文的研究技术有利于实现资源的高效可持续利用，预防环境二次污染，对中国建筑垃圾再生利用和固体废弃物治理具有一定意义。
参考文献
[1] 王健，李懿.建筑垃圾的处理及再生利用研究[J].环境工程，2003，21(6)：49-53.
[2] 肖建庄，孙振平，李佳彬，等.废弃混凝土破碎及再生工艺研究[J].建筑技术，2005，36(2)：141-144.
[3] VENECANIN S D.Thermal incompatibility of concrete components and thermal
properties of carbonate rocks[J].ACI Mater J.，1990，87：602-608.
[4] FU Y F，WONG Y L，TANG C A et al.Thermal induced stress and associated cracking in cement-based composite at elevated temperatures––part Ⅱ：thermal cracking around multiple inclusion[J].Cem. Concr. Compos.，2004，26：113-120.
[5] 曹蓓蓓，梁志刚.高温条件下混凝土结构与性能的变化[J].国外建材技，2004，25(6)：17-21.
