米文靜

（商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

水泥作為混凝土主要的膠凝材料，能夠膠結(jié)沙、石通過養(yǎng)護形成混凝土。水泥是混凝土中經(jīng)濟成本最高，能源和資源消耗最大，對環(huán)境危害最大的部分[1]。每生產(chǎn)1 t水泥熟料需要消耗0.08 t石膏，0.3 t粘土，1.2 t石灰石以及大量的燃料和電能。同時向大氣排放0.81 t CO2、0.86 kg SOx、1.75 kg NOx和 30 kg 粉塵[2-3]。我國已經(jīng)連續(xù)多年溫室氣體排放總量位居世界第一，僅2011年約有63億噸碳排放量，其中水泥行業(yè)碳排放量占碳排放總量的15%[4]。我國于2015年加入巴黎協(xié)定，并向世界承諾2030年CO2的排放量為35%～40%[5]。而我國在將來很長一段時間內(nèi)仍然難以有效減少CO2的排放量[6]。另外，2014年我國水泥產(chǎn)量約為25億噸，占全球水泥產(chǎn)量的60%，連續(xù)29年水泥產(chǎn)量位居世界第一[7]。每年我國需要大量的石灰石用于水泥生產(chǎn)，僅2011年我國水泥生產(chǎn)消耗的石灰石約為16億噸。除此之外，石灰石在冶金和醫(yī)藥等其他行業(yè)消耗量也十分巨大[8]。我國探明的石灰石儲量為500億～700億噸[9]。石灰石屬于不可再生資源，如果按目前的開采量計算，可利用的石灰石資源只能維持20余年[10-11]。因此，再生膠凝材料的研究和應(yīng)用能減少水泥產(chǎn)量，使更多建筑垃圾再次利用，從而更有利于節(jié)約資源，保護環(huán)境，順應(yīng)我國的可持續(xù)發(fā)展道路。國內(nèi)外對于再生膠凝材料已開展了一定研究，由于不同集料種類的加入，各類再生膠凝材料的制備工藝、設(shè)備和性能有所差別，本文在大量文獻對比分析的基礎(chǔ)上，對再生膠凝材料的力學(xué)性能、活性、流動性、抗碳化性、抗?jié)B性、抗凍性、制備加水量等進行了系統(tǒng)深入的總結(jié)，同時，針對再生膠凝材料發(fā)展過程中出現(xiàn)的制備工藝發(fā)展滯后，設(shè)備有待更新改進，性能研究不夠深入，缺少應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等問題提出解決對策，以推動再生膠凝材料的理論研究和工程領(lǐng)域的實踐應(yīng)用。

1 再生膠凝材料的性能

再生膠凝材料能夠解決自然資源消耗和建筑垃圾污染的問題，目前我國專家學(xué)者對再生膠凝材料的研究主要針對其力學(xué)性能、活性、流動性、抗碳化性、抗?jié)B性、抗凍性、制備等問題也開展了部分研究。

1.1 再生膠凝材料的力學(xué)性能

鄭芳宇[12]將廢棄混凝土中的水泥石相在1 350℃的溫度下煅燒成水泥熟料，并將水泥熟料磨成粉末與5%的二水石膏均勻混合制成再生水泥試件，對試件進行了物理性能測試。發(fā)現(xiàn)再生水泥與原始水泥的強度增長趨勢和力學(xué)性能沒有太大差別。馬純濤等[13]用不同摻量的廢棄混凝土微粉對水泥砂漿的強度影響進行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)廢棄混凝土微粉摻量小于10%時會在一定程度上促進水泥砂漿強度的增長。當(dāng)廢棄混凝土微粉摻量大于10%，水泥砂漿的力學(xué)性能有下降趨勢，當(dāng)廢棄混凝土微粉摻量大于50%，砂漿的工作性能極差。孫巖[14]往再生水泥微粉中加入不同比例的碳酸鈉、石膏粉、粉煤灰、石灰粉和減水劑來提高再生水泥微粉砂漿的抗壓強度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳酸鈉摻量為0.6%、石膏粉摻量為0.6%、粉煤灰摻量為15%、石灰粉摻量為10%、減水劑摻量為0.5%時，再生水泥微粉砂漿抗壓強度達到最大值。劉小艷，高志樓等對摻再生微粉的混凝土的早期抗裂性進行了研究，發(fā)現(xiàn)再生微粉可以改善混凝土的早期開裂和收縮，效果隨著微粉細度的增加而增加[15-17]。陳偉[18]發(fā)現(xiàn)一種聚合氯化鋁外加劑，聚合氯化鋁的加入能增加界面處膠凝材料的水化程度，增加水化產(chǎn)物的數(shù)量，減少砂與水泥漿粘結(jié)界面的空隙。從而提高了RCM激發(fā)礦粉再生膠凝材料的力學(xué)性能。李琴[19]發(fā)現(xiàn)相較于其他養(yǎng)護溫度，20℃養(yǎng)護堿激發(fā)再生微粉砂漿的抗壓強度較高，孔隙率較低。彭春元等[20]發(fā)現(xiàn)C30混凝土劈裂強度和抗折強度隨著再生膠凝材料摻量的增加而小幅衰減，C40混凝土劈裂強度和抗折強度隨著再生膠凝材料摻量的增加變化不大。

1.2 再生膠凝材料的活性

吳中偉[21]研究表明，當(dāng)水灰比為0.35時，混凝土水泥石相中未水化的水泥顆粒占總水泥石相的理論比例為16.2%。在實際工程中的未水化水泥顆粒所占比例會比理論值高出很多；并且混凝土等級越高，未水化的水泥顆粒所占比例越高，未水化的水泥顆粒遇水會重新具備膠凝性能。Alonso[22]和Mueller[23]對已水化水泥顆粒中的CH，C-S-H，單硫型硫鋁酸鈣等水化產(chǎn)物通過高溫進行處理，發(fā)現(xiàn)這些水化產(chǎn)物經(jīng)過處理重新具有再水化的膠凝性能。Kurdowski[24]通過無規(guī)則形狀的Ca(OH)2和SiO2做為原材料制取出C-S-H，并通過高溫對C-S-H進行處理，得到了具有水化能力的C2S。潘國耀[25]對水化硅酸鈣脫水相進行了水化熱分析，發(fā)現(xiàn)水化硅酸鈣脫水相具備再水化的膠凝性。Guerrero[26]在水熱條件下利用粉煤灰和CaO反應(yīng)制備出水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣，并將水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣在700℃～900℃的溫度下進行煅燒，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物具有較強的水化膠凝性。鐘白茜[27]和楊南如[28]詳細研究了C-S-H脫水形成β-C2S的過程。其中發(fā)現(xiàn)CH在450℃左右分解為CaO，然后遇水重新水化生成Ca(OH)2。單硫型硫鋁酸鈣等鋁相物質(zhì)受熱脫水也會生成具有再次水化能力的產(chǎn)物，比如C12A7等。鄧洋[29]通過試驗發(fā)現(xiàn)用堿和鹽進行復(fù)合激發(fā)對廢棄混凝土膠凝材料的活性有明顯的提高。楊琳[30]提出了再生混凝土微粉的最佳活化方法和提高摻合料活性指數(shù)效果的順序，其最佳活化方法為：將再生混凝土細骨料初級研磨，然后過0.15 mm篩，使用球磨機研磨60 min，馬弗爐中750℃煅燒2 h；為提高摻合料的活性指數(shù)，與再生混凝土微粉混合制備復(fù)合摻合料，復(fù)合效果順序依次為：再生玻璃微粉＞凹凸棒石粘土＞納米SiO2＞再生粘土磚微粉。

1.3 再生膠凝材料的水化作用和流動性

孟姍姍[31]用廢棄混凝土的膠凝組分作為水泥原料進行煅燒，研究了熟料煅燒，水泥粉磨，水泥水化的作用機理。易超[32]用不同取代率的廢棄混凝土微粉制成再生膠砂，發(fā)現(xiàn)隨著廢棄混凝土微粉取代率的增加，再生膠砂的流動程度先減小后增加。取代率為20%和100%分別為再生膠砂流動程度的最低點和最高點。趙計輝[33]利用轉(zhuǎn)爐熱燜鋼渣制備了復(fù)合膠凝材料，并對材料的水化作用等性能進行了深入的研究，研究表明鋼渣粉對復(fù)合水泥的填充效應(yīng)隨粒徑的減小而增強，鋼渣粉的摻量和粒徑均對復(fù)合水泥的化學(xué)作用和水化程度有一定的影響，其規(guī)律表現(xiàn)為復(fù)合水泥的化學(xué)作用和水化程度隨鋼渣粉摻量的增加而增強，化學(xué)作用隨鋼渣粉粒徑的減小而增強。強衛(wèi)等[34]發(fā)現(xiàn)在保持制品蒸養(yǎng)、蒸壓強度不變，并用低流動性混凝土和易性的情況下，增大聚羧酸減水劑的摻量，可以相應(yīng)減少膠凝材料用量，降低混凝土的生產(chǎn)成本。陳瑾祥[35]基于可壓縮堆積模型建立了膠凝材料顆粒間隙指數(shù)BSF和用水量富余指數(shù)W來反映拌合用水填充混合料空隙后的富余程度和膠凝材料顆粒與骨料顆粒的緊密程度，水量富余指數(shù)與流動性的貢獻呈反比關(guān)系，膠凝材料顆粒間隙指數(shù)越大，則水化形成的結(jié)構(gòu)更加致密。

1.4 再生膠凝材料的抗碳化性

肖建莊等[36]研究了國內(nèi)外大量的再生膠凝材料文獻，提出再生混凝土抗碳化性能可能低于同水灰比的普通混凝土，而同強度等級的再生混凝土與普通混凝土的抗碳化性能可能較接近。Otsuki等[37]通過試驗證明了隨水灰比的增加，再生膠凝材料的碳化深度不斷增大，且采用二次攪拌工藝也可提高再生膠凝材料的抗碳化性能。孫麗蕊[38]發(fā)現(xiàn)混凝土的抗碳化性隨著再生混凝土微粉的增加而逐漸降低。呂雪源[39]對混凝土碳化深度進行了定量研究，發(fā)現(xiàn)再生混凝土微粉產(chǎn)量低于30%時，28 d時的混凝土碳化深度不超過1 mm，120 d時的混凝土碳化深度不超過2 mm。王忠星等[40]研究了再生粗骨料強化處理方式對膠凝材料抗碳化性能的影響，發(fā)現(xiàn)膠凝材料的抗碳化性能隨顆粒整形次數(shù)的增加而增強，并逐漸接近天然骨料制備的普通混凝土的抗碳化性能；再生粗骨料顆粒整形的次數(shù)一定，經(jīng)過有機硅烷浸漬會進一步增強膠凝材料的抗碳化性能，并且三類顆粒整形有機硅烷浸漬的再生粗骨料混凝土抗碳化性能均高于天然骨料制備的普通混凝土的抗碳化性能。

1.5 再生膠凝材料的抗?jié)B抗凍性

呂雪源等[41]用不同摻量的廢棄混凝土微粉對水泥砂漿的抗?jié)B性進行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)混凝土微粉摻量為10%時，在一定程度上可以提高水泥砂漿的抗?jié)B性能；當(dāng)混凝土微粉摻量大于30%時，水泥砂漿的抗?jié)B性能顯著下降。李建勇[42]通過試驗發(fā)現(xiàn)摻有再生微粉的C30混凝土抗凍能力降低，但可以達到F250的標(biāo)準(zhǔn)。Gokce等[43]對再生混凝土試塊進行凍融試驗，發(fā)現(xiàn)原始混凝土是否引氣對再生混凝土的抗凍性能有著很大影響，其中，由非引氣混凝土破碎而成的再生粗集料配制的再生混凝土引氣后,其抗凍性能明顯低于普通混凝土，而由引氣混凝土破碎而成的再生粗集料配制的再生混凝土的抗凍性能則優(yōu)于普通混凝土。劉發(fā)明等[44]通過改變膠凝材料中的粉煤灰和再生粗骨料的取代率研究其抗凍性,發(fā)現(xiàn)再生混凝土在受到凍融破壞時，粉煤灰能起到一定的改善作用；再生粗骨料的取代率主要影響再生混凝土的質(zhì)量損失率、抗壓強度損失率和相對動彈性模量下降率。王晨霞等[45]對膠凝材料在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強度和質(zhì)量損失率進行了研究，建立了考慮再生粗骨料取代率、粉煤灰摻量因素的凍融循環(huán)作用下膠凝材料抗壓強度指數(shù)衰減規(guī)律預(yù)測模型，研究發(fā)現(xiàn)再生粗骨料取代率對試塊的抗凍性影響高于粉煤灰摻量。劉天奇[46]以建筑廢棄混凝土制作的再生混凝土砌塊為研究對象，進行了凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量在15%～25%時，抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而增強，再生粗骨料摻量在35%～55%時，抗凍性隨再生粗骨料的增加而減弱。

1.6 制備再生膠凝材料的需水量

孫巖[47]對再生混凝土微粉粒徑與球磨時間的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)球磨時間150 min后，微粉在0.075 mm的通過率為78%，能夠達到規(guī)范要求；時間繼續(xù)增長，球磨效率會降低，導(dǎo)致成本增加。華天星[48]對廢棄混凝土中硬化水泥石相制備再生膠凝材料過程中需水量大，產(chǎn)物中含有較多的f-CaO的問題進行深入研究，發(fā)現(xiàn)用部分高活性硅質(zhì)原料取代部分水泥石粉，加入適量水進行水化，之后將其放入烘箱烘干，最后將混合料放入600℃～750℃溫度下煅燒2 h，采用此方法制備的再生膠凝材料中f-CaO較低，具有水化膠凝性能的β-C2S含量較高，從而很好的解決了再生膠凝材料生產(chǎn)過程中需水量大的問題。彭春元[49]通過試驗發(fā)現(xiàn)再生膠凝材料的需水量，活性指數(shù)，流動程度滿足GB/T1596-2005中關(guān)于用二級粉煤灰制備混凝土的相關(guān)要求。劉鳳利[50]發(fā)現(xiàn)陶瓷的棱角粒型能增強骨料之間的咬合摩擦力，提高強度，將廢陶瓷用于膠凝材料的制備，并通過將陶瓷再生骨料與特細砂有效級配的方法，解決了陶瓷再生骨料因多孔性，需水量多的問題。王金邦[51]利用廢棄的可循環(huán)混凝土制備了再生水泥，發(fā)現(xiàn)廢棄混凝土再生膠凝材料的抗?jié)B性能影響因素主要有水灰比、粉煤灰、硅灰，當(dāng)水灰比與設(shè)計強度等級相同時，再生膠凝材料的抗?jié)B性比普通混凝土的抗?jié)B性能強，水灰比降低時，再生膠凝材料的抗?jié)B性增強，當(dāng)添加粉煤灰、硅灰時，可提高再生膠凝材料的抗?jié)B性，最佳摻量分別為30%、15%。

2 再生膠凝材料在應(yīng)用中存在的問題

2.1 再生膠凝材料制備工藝落后

廢棄混凝土中的膠凝材料重新處理后具有水化膠凝的潛質(zhì)，利用廢棄混凝土的微粉制備再生膠凝材料在技術(shù)上是可行的。不同廢棄混凝土因成分不同而具有不同活性，再生混凝土微粉的活化有機械化，復(fù)合化和熱處理三種方式。對于具有一定活性的廢棄混凝土膠凝材料，可直接采用機械化處理把材料球磨到一定細度進行利用。而對于活性較低的廢棄混凝土膠凝材料，除了球磨到一定細度之外，還要采用復(fù)合化處理（采用活性礦渣和粉煤灰等與再生微粉進行不同比例復(fù)合利用），或者采用熱處理（對再生微粉進行不同工藝的加熱處理）來提高再生膠凝材料的活性。而目前沒有一個明確的廢棄混凝土膠凝材料活性分類的界定，且缺少系統(tǒng)的制備工藝體系，能夠根據(jù)廢棄混凝土的活性，選定最優(yōu)的處理方法及相關(guān)參數(shù)，從而有效提升再生膠凝材料制備效率和質(zhì)量。

2.2 再生膠凝材料生產(chǎn)設(shè)備有待更新

目前，日本小野田水泥公司研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)淤渣回收系統(tǒng)，能將廢棄物淤泥通過連續(xù)式離心分離機脫水分離后得到淤渣和水，并加入外加劑來保持其活性[52]。韓國的利福姆系統(tǒng)，能先將建筑垃圾中混凝土和鋼筋分離，再將水泥成分和骨料分離，提取水泥成分。在已提取的水泥成分中添加特殊反應(yīng)物質(zhì)，經(jīng)過700℃的煅燒生產(chǎn)再生水泥[53]。整體來看，目前再生水泥加工系統(tǒng)由于智能化較低，兼容性較差，并不能實現(xiàn)對不同廢棄混凝土制定不同的制備方案，所以回收系統(tǒng)的應(yīng)用由于材料來源不同所受局限性較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率較低。例如利福姆系統(tǒng)生產(chǎn)再生水泥的轉(zhuǎn)化率為30%，平均1 t廢棄膠凝能生產(chǎn)0.3 t再生水泥。而且該系統(tǒng)只能對不含或含有少量摻合料的廢棄混凝土加工生產(chǎn)再生水泥，但當(dāng)廢棄混凝土中含有大量粉煤灰、硅灰、礦渣等一些摻合料時，該系統(tǒng)生產(chǎn)的再生膠凝材料活性較低，拌合的混凝土不能達到工程的要求。此外，骨料與膠凝材料的高效分離技術(shù)也有待于提高[54-55]。

2.3 再生膠凝材料的性能研究有待深入

目前國內(nèi)外大部分研究主要集中在再生膠凝材料的力學(xué)性能方面，而活性、流動性、抗碳化性、抗?jié)B性、抗凍性等其他相關(guān)性能的研究報道較少。再生膠凝材料的性能是解釋其作用機理及應(yīng)用范圍的關(guān)鍵所在，因此需要對再生膠凝材料混凝土的活性、流動性、抗碳化性、抗?jié)B抗凍性、穩(wěn)定性、耐久性等性能全面深入地開展研究，以滿足研究和應(yīng)用要求。

2.4 再生膠凝材料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范有待完善

德國和蘇聯(lián)在二戰(zhàn)之后率先嘗試從廢棄混凝土中得到再生骨料，拉開了再生骨料混凝土研究的序幕[56]。再生骨料的研究經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)十分成熟，在許多國家的實際工程中應(yīng)用廣泛。比如美國、加拿大、日本等國家在工程中充分利用再生骨料混凝土作回填材料和路基材料，甚至在建筑結(jié)構(gòu)材料中使用再生骨料混凝土[57-58]。各國也相繼制定了相關(guān)技術(shù)規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。日本是亞洲最早制定廢棄混凝土再生骨料相關(guān)規(guī)定的國家。日本在2005、2006、2007年分別制定了高、低、中品質(zhì)的再生骨料混凝土國家標(biāo)準(zhǔn)。即：《混凝土用再生骨料 H》（JIS A 5021），《使用再生骨料L的混凝土》（JIS A 5023）和《使用再生骨料M的混凝土》（JIS A 5022）。在日本之后，韓國的交通部和環(huán)境部分別制定了《建筑廢棄物再利用要領(lǐng)》《再生骨料最大值數(shù)以及雜志含量限定》，對廢棄混凝土的不同用途，廢棄混凝土骨料的粒徑，雜質(zhì)含量進行了詳細的界定。丹麥、德國、荷蘭、美國等一些歐美國家也都很早制定了再生骨料混凝土的技術(shù)規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用范圍[59]。我國于2011年制定了《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T240-2011），再生膠凝材料仍缺少相應(yīng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等相關(guān)準(zhǔn)則。

3 再生膠凝材料應(yīng)用的展望

結(jié)合國內(nèi)外再生膠凝材料的研究成果和我國發(fā)展實際，針對存在的問題，為再生膠凝材料今后的研究發(fā)展方向提出建議，具有一定的現(xiàn)實意義。

3.1 優(yōu)化再生膠凝材料制備工藝

不同膠凝材料具有不同的成分和含量，以廢棄混凝土膠凝材料為例，不同種類的廢棄混凝土的處理方式不同，對于某種廢棄混凝土膠凝材料的處理方式可能是單一或者是多種的。綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)保、高效和快捷，構(gòu)建不同廢棄混凝土再生膠凝材料最佳制備工藝體系，提出明確的廢棄混凝土膠凝材料活性分類的界定，為不同活性的廢棄混凝土膠凝材料選定對應(yīng)的制備方法，并根據(jù)制備方法給定合理的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，例如，機械處理中的球磨時間，復(fù)合處理中的活性材料的比例，熱處理中的溫度等。優(yōu)化再生膠凝材料最佳制備工藝，構(gòu)建再生膠凝材料最佳制備工藝體系，能為再生膠凝材料生產(chǎn)、加工及應(yīng)用提供技術(shù)保障。

3.2 改進再生膠凝材料生產(chǎn)設(shè)備

不同再生膠凝材料最佳制備工藝的研究成熟以后，用于其生產(chǎn)的設(shè)備系統(tǒng)也要及時更新。再生膠凝材料生產(chǎn)系統(tǒng)要高效的分離，收集骨料和再生微粉。同時要兼容不同的活化處理方式，能夠?qū)υ偕⒎圻M行單一或復(fù)合處理。從而高效地利用不同廢棄混凝土，大量、快速、一體化地生產(chǎn)符合工程要求的再生膠凝材料。再生膠凝材料生產(chǎn)的一體化機械設(shè)備是再生膠凝材料廣泛運用的核心。

3.3 深入研究再生膠凝材料的性能

再生膠凝材料混凝土的宏觀性能與作用機理、影響因素有著緊密的聯(lián)系。對再生膠凝材料混凝土活性、流動性、抗碳化性、抗?jié)B抗凍性、穩(wěn)定性、耐久性等性能全面深入的開展研究，應(yīng)從宏觀和微觀相結(jié)合入手，將再生膠凝材料和普通混凝土進行相關(guān)性能的對比研究，對現(xiàn)有的模型參數(shù)進行修正或者建立新的模型，并詳細分析差異性產(chǎn)生的機理。為今后再生膠凝材料在實際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3.4 完善再生膠凝材料的技術(shù)規(guī)范

隨著再生膠凝材料研究和發(fā)展日趨成熟，再生膠凝材料相關(guān)的技術(shù)規(guī)程，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用范圍趨于完善。在研究分析國內(nèi)外再生膠凝材料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從再生膠凝材料的研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等各方主體對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的實際需要出發(fā)，制定相關(guān)準(zhǔn)則，技術(shù)規(guī)程，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用范圍，為再生膠凝材料在工程中得到廣泛推廣和應(yīng)用提供重要依據(jù)。