李聰，閆祥，馬銘宇，伊海赫

（山東理工大學，山東 淄博 255000）

20世紀后期我國城市化建設快速發(fā)展，民用與商用建筑也在不斷地增加，我國每年因工程建設需要消耗大約29 億m3的混凝土（骨料占混凝土體積的55%～80%），約開采天然砂石23 m3。而天然砂石大多掩埋于山體、地下和河流中，大量開采導致了植被破壞、砂石骨料資源短缺甚至引發(fā)自然災害等問題。為實現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，我國各地區(qū)出臺多項限采、禁采天然砂石的政策，但也間接導致了砂石骨料的市場需求同天然砂供應矛盾日益突出，骨料供應問題亟待解決。據(jù)不完全統(tǒng)計，2017年我國產(chǎn)生建筑垃圾約23.79 億t，僅有11 893 萬t 進行了資源化利用，目前其余95%的建筑固廢則是填埋或集中堆放，而在建筑垃圾中，廢舊混凝土的比例非常高，因此，為實現(xiàn)節(jié)約資源、建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標，將廢棄混凝土破碎生產(chǎn)骨料再利用是關鍵。

2021年，國務院印發(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》，提出以建筑垃圾、冶煉渣等大宗固廢為重點，支持大摻量、規(guī)?；⒏咧祷?。在國內外長期的工程實踐中發(fā)現(xiàn)廢舊混凝土處理后得到的再生骨料可以成為天然骨料的有力替代品，再生骨料目前已有多項研究成果，廣泛應用于建筑綠化、路基填料以及生態(tài)護坡等領域。再生骨料雖然可起到建筑固廢減排、保護環(huán)境的作用，但也存在顆粒棱角多、表面粗糙且附著舊水泥砂漿等諸多弊端，且在界面過渡區(qū)存在較多的毛細孔和微裂紋，從而導致其具有更高的孔隙率。

1 性能研究

1.1 再生骨料基本性能

近年來，國內外諸多學者研究結果表明，與天然骨料相比，再生骨料吸水率、空隙率與壓碎指標較高，且粒形較差，多棱角，密度表觀較低。白雷雷等人采用5～31.5 mm 連續(xù)級配天然碎石與不同來源的再生骨料作對比研究，結果表明不同成分的再生骨料與天然骨料相比，表觀密度低，吸水率與壓碎指標較高，性能較差。郭其杰等人采用鵝卵石、花崗巖等酸性石料的試驗研究表明，天然骨料與再生骨料相比，不同粒徑的再生骨料吸水率較高，表觀密度略低。

水中和等人用壓汞法測得天然骨料的孔隙率為1.6%，簡單破碎再生粗骨料的孔隙率為16.8%。Hendrik[1]等人的研究結果表明，再生骨料表面附著舊砂漿物的孔隙和微裂縫以及制備過程中的損傷導致了再生混凝土抗凍融性能降低。

1.2 界面過渡區(qū)（ITZ）

混凝土水泥基體和骨料之間存在一層厚20～100 μm的界面過渡區(qū)，其主要成分為水化硅酸鈣、氫氧化鈣和鈣礬石晶體。由天然骨料拌制而成的混凝土其界面過渡區(qū)微觀結構如圖1[2]所示。具有水灰比較大、孔隙率較高、微裂紋較多、強度較低等特點，在外力作用下極易出現(xiàn)新的裂紋，發(fā)生破壞，對混凝土力學性能影響較大，其界面結構如圖2所示。

圖1 界面過渡區(qū)形貌特征

圖2 再生骨料混凝土界面結構示意圖

2 去除附著舊砂漿

2.1 水洗研磨法

Katz[3]采用用水清洗再生去除松散附著舊砂漿的方法，還提出超聲浴處理有望改善混凝土的工程性能（抗壓強度提高7%）。研磨法利用摩擦效果去除再生骨料表面附著的舊砂漿，以提高其質量。將生骨料放置在旋轉研磨桶中，并勻速旋轉10～15 min，然后水洗去除其表面所有的疏松顆粒和灰塵。

2.2 加熱研磨法

Bayati[4]等分別設定250 ℃、350 ℃、500 ℃和750 ℃為再生骨料熱處理溫度，研究結果發(fā)現(xiàn)，熱處理溫度在350 ℃時再經(jīng)過短時機械處理后的再生骨料物理性能最佳，吸水率至少降低27%，但再生骨料在500 ℃和750 ℃等較高溫度下熱處理時會產(chǎn)生負面影響。

2.3 顆粒整形法

青島理工大學的李秋義等提出再生骨料顆粒整形法，有效改善了骨料粒形與堆積密度等性能，但再生骨料在高速自擊研磨情況下也可能會產(chǎn)生二次損傷。毛高峰、秦原等人將顆粒整形法產(chǎn)生的再生粗骨料同簡單破碎骨料的各項性能指標進行對比分析發(fā)現(xiàn)其各項性能均有所改善，并通過試驗對比，研究了不同再生骨料取代率對混凝土塌落度的影響。

2.4 酸處理法

Hasan Katkhuda[5]使用0.1 mol/L 的HCl 溶液對再生骨料表面處理，低濃度的HCl 去除了再生骨料表面上松散的粘附砂漿，從而增強了混凝土的機械性能。Tam[6]采用鹽酸、硫酸和磷酸預浸泡處理再生骨料，而后進行淋洗、干燥等工序，與再生骨料表面附著舊水泥砂漿產(chǎn)生化學反應以除去附著物。

3 化學方法改性附著舊砂漿

3.1 聚合物溶液改性

Kou[7]等人將再生骨料浸入聚乙烯醇溶液，發(fā)現(xiàn)浸泡處理改性后的再生骨料壓碎指標和吸水率較噴淋處理顯著下降，表觀密度明顯上升。Valerie Spaeth[8]采用基于聚二有機硅氧烷（PDMS）和烷基烷氧基硅烷（硅烷）的處理方法，對再生骨料吸水性和抗破碎性性能進行表征，其結論是適當?shù)木酆衔锘幚韺υ偕炷凉橇闲阅苡幸欢ǔ潭鹊奶岣撸色@得較低的吸水率和較好的抗破碎性。

3.2 礦物添加劑改性

Hai-bo Hu[9]采用CH 漿料預涂、沸石粉-水泥（ZPC）漿料預涂、CH 溶液預浸泡和ZP-C 溶液預浸泡4 種方法改性再生骨料，研究結果表明，4 種方法在一定程度上改善了再生骨料的基本性能。再生骨料經(jīng)ZP-C漿料預涂法處理后，吸水率與壓碎值分別降低了19.8%、30.4%，表觀密度增加了1.5%。

3.3 化學試劑改性

Xiaoliang Fang[10]利用混凝土攪拌站富含Ca2+的廢水與CO2碳化法比較了天然骨料、再生骨料、CO2碳化處理再生骨料，以及經(jīng)廢水與CO2碳化處理的再生骨料密度及吸水率，通過試驗結果分析富鈣廢水對再生骨料進行預處理可進一步提高CO2碳化對再生骨料的強化效果。Xianfeng Wang 采用結晶劑處理強化再生骨料砂漿層，并研究了不同處理方案對再生骨料密度、吸水率、礦物組成和微觀結構的影響。

3.4 碳化處理改性

Long Li[11]研究比較了加壓固碳（PC）、流通氣固碳（FC）、濕法碳化（WC）、納米二氧化硅（NS）噴涂和PC與NS 聯(lián)合噴涂（PCNS）5 種再生骨料處理方法提高粗細再生骨料的效果。結果表明，PC 法和PCNS 法處理后，再生骨料的吸水率大幅降低，且對骨料表觀密度也有所提高。Vivian W·Y·Tam[12]深入探討了碳調節(jié)和碳固化兩種技術強化再生骨料和再生骨料混凝土的性能差異，并對其實用性進行了對比研究。

Kaiyun Wu[13]采用不同的碳酸化壓力（0.05 MPa、0.1 MPa、0.2 MPa 和0.4 MPa）、再生骨料初始含水量（1.00%、1.81%和3.00%）和碳酸化持續(xù)時間（1 h、3 h和12 h）強化再生骨料，對于含水量為1.81%的再生骨料最佳的碳化處理條件為碳化時間3 h，碳化壓力0.1 MPa。Bao Jian Zhan 采用濃度為100%，壓力為0.1 MPa 的CO2對再生骨料進行碳化處理后發(fā)現(xiàn)，該處理方法增強了RCA 與新材料之間的界面粘合性能，并對再生骨料界面過渡區(qū)顯微硬度有所改善，但對其的厚度影響不大。

3.5 水泥漿改性

Hongru Zhang[14]采用磺胺鋁酸鹽水泥漿料對再生骨料進行表面處理，與未經(jīng)處理的再生骨料進行對比分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)磺胺鋁酸鹽水泥漿料處理后的再生骨料吸水率下降了16.70%，表觀密度沒有顯著變化，但壓碎值有所增高。Ali S·Alqarni 水泥-硅粉漿處理、硅酸鈉溶液處理和洛杉磯磨損處理經(jīng)過改性的再生骨料吸水率有所降低，并增強了再生混凝土的抗壓強度和拉伸強度。

3.6 火山灰材料改性

Wafaa Mohamed Shaban[15]提出用火山灰材料浸泡漿料改性再生骨料。粉煤灰與水泥（F&C），粉煤灰與硅粉（F&S）和納米二氧化硅（NS）以漿料的形式用于處理RCA，研究證明F&S 漿料可有效改善再生混凝土強度，這是由于二氧化硅的高火山灰反應性與CH 反應并形成C-S-H，從而改善砂漿和骨料之間的鍵。

3.7 硅灰與納米二氧化硅改性

Amnon Katz 研究了通過浸漬硅灰溶液和超聲波清洗對再生骨料的處理，在硅粉處理后，在7 d 和28 d時觀察到再生混凝土抗壓強度增加了15%和30%。超聲波處理改善了7%?？椎掠竦热朔謩e采用硅粉、礦渣以及粉煤灰漿液3 種材料預浸處理再生骨料，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過處理后再生骨料性能有所改善，曹芷杰在研究碳化處理與火山灰漿液處理再生骨料對砂漿性能的影響表明，硅灰漿浸泡處理方法改善效果最佳。

4 生物方法改性附著舊砂漿

4.1 假堅強芽孢桿菌改性

Wu 等[16]利用基于假堅強芽孢桿菌（DSM8715）的生物沉積法，通過呼吸作用誘導碳酸鈣沉淀。結果表明，生物沉積處理后的再生骨料吸水率和壓碎指標均有所下降（分別為10%和15%）。朱亞光等人利用H4嗜堿芽孢桿菌和假堅強芽孢桿菌處理再生粗骨料，其吸水率和壓碎指標與未處理的粗再生骨料相比分別降低了40.38%和19.76%，與未處理的混凝土相比，經(jīng)強化的再生骨料混凝土的坍落度和28 d 抗壓強度分別增加了115%和25.3%。

4.2 脲酶菌改性

Vandevyvere[17]等人采用噴涂和浸泡處理方法將球形芽孢桿菌液對再生骨料進行處理，發(fā)現(xiàn)強化再生骨料表層得到有效強化，吸水率平均降低約24%，抗壓強度提高28%。L·P·Singh 研究了納米二氧化硅、脲解（巴氏芽孢桿菌）和非脲解（科氏芽孢桿菌）細菌對再生骨料吸水率的改性作用。改性后再生骨料吸水率降低（非脲解菌為43%，脲解菌為64%，納米SiO2改性為21%），且浸泡法比直接混合法改善效果更好。Zhangyao Feng 研究證明利用巴氏芽孢桿菌碳酸鹽沉淀可改善再生細骨料的性質，增強了再生細骨料澆注砂漿試樣的抗彎強度和抗壓強度。

4.3 碳酸酐酶菌改性

Dingxiang Zhuang 研究了蠟狀芽孢桿菌在不同鈣離子濃度下誘導生物方解石的特性。在本研究中，pH 值的升高不僅與蠟樣芽孢桿菌MRR2 釋放的氨有關，還與碳酸酐酶有關。Varenyam Achal[18]研究了脲酶和碳酸酐酶細菌的篩選及其在生物鈣化過程中的作用，研究發(fā)現(xiàn)微生物脲酶和碳酸酐酶可以有效地沉淀方解石以修復建筑結構中的缺陷。Chunxiang Qian[19]碳酸酐酶菌改性方法可以顯著提高再生骨料性能，當碳酸酐酶菌含量為1.0%時，再生粗骨料吸水率降低為8%，降低了21.2%，表觀密度提高至2 620 kg/m3，提高了2.8%；壓碎值降低為12%，降低了50.0%。并且可完全礦化骨料表面氫氧化鈣，碳酸鈣含量提高了10.09%。Ruixing Wang 采用直接浸泡法與真空浸漬法對比研究了巴氏芽孢桿菌和膠質芽孢桿菌對再生骨料的改性效果，研究結果表明，巴氏芽孢桿菌在直接浸泡法處理下對再生骨料質量增加較大（28 d 時為12%），吸水率降低較多（28 d 時為-33%），但膠質芽孢桿菌的固碳效果較好，相對來說更為環(huán)保。

5 結果與討論

5.1 預浸研磨法

預浸法有兩個基本限制：只能去除一小部分松散附著的砂漿或灰塵顆粒，用于清洗骨料的水在與水泥、粉塵和其他雜質混合后需要適當回收。相對來說預浸研磨法比預浸法更有優(yōu)勢，因為這種方法能夠去除附著砂漿，但也只能分離一小部分附著砂漿。且由于再生骨料表面仍存在附著舊砂漿，因此該方法對再生骨料的耐久性沒有明顯改善。

5.2 加熱研磨法

再生骨料質量受加熱溫度和研磨參數(shù)的影響，且兩者可同時使用，高質量再生骨料可采用低溫長時（或高強）研磨或高溫短時（或低強）研磨方式來制備。然而，由于集料、水泥砂漿、界面和熱微裂縫中礦物的相變，會導致再生骨料性能在高溫（如500～550 ℃）下產(chǎn)生不良影響。高溫加熱耗能大，污染嚴重。

5.3 顆粒整形法

試驗結果表明，與簡單破碎再生粗骨料混凝土相比，顆粒整形再生骨料混凝土用水量低、工作性好。缺點是在改性的再生骨料表面產(chǎn)生中微裂紋和裂縫，這可能會使再生骨料的機械和耐久性能降低。

5.4 酸處理法

研究結果表明，未經(jīng)處理的再生骨料表面粗糙、多孔，醋酸等弱酸可有效處理對界面過渡區(qū)（ITZ）砂漿側的C-S-H，處理后的表面相對均勻，附著的砂漿較少。雖然該方法在改善再生骨料物理特性方面是有效的，但磷酸與再生骨料的反應產(chǎn)物不穩(wěn)定，硫酸與再生骨料中部分反應產(chǎn)物容易結晶，再生骨料經(jīng)酸液處理后吸水率顯著降低，但酸根離子會對混凝土的耐久造成不良影響。

5.5 聚合物溶液改性

聚合物溶液處理可通過形成的聚合物膜覆蓋填充再生骨料表面孔隙及裂縫達到有效降低其吸水率的目的，且有膠凝作用，固化時間短，具有疏水性。但該方法對再生骨料混凝土抗壓強度無明顯改善作用，甚至會有所降低。

5.6 礦物添加劑改性

Hai-bo Hu 等人采用CH 漿料預涂、沸石粉-水泥（ZP-C）漿料的結合有效地改善了再生骨料的基本性能，CH 漿料預涂方法可有效改善再生骨料界面過渡區(qū)的微裂紋，使水泥基質的氣孔顯著減少，內部微結構變得致密。

5.7 化學試劑改性

與聚合物乳液處理相似，水玻璃溶液處理也稱為水玻璃處理或氣孔堵塞表面處理，硅酸鈉處理可以阻斷混凝土表面的毛細孔。然而研究表明，對再生骨料進行硅酸鈉處理并不能改善再生混凝土氯離子滲透性。且水玻璃與氫氧化鈣之間的反應可導致混凝土中堿含量較高，可能會引起堿和二氧化硅反應從而損害再生混凝土耐久性。Xianfeng Wang 的研究結果表明，該結晶劑通過提高密度和水化硅酸鈣（C-S-H）含量顯著改善了再生骨料整體性能，有效地增強了再生骨料與新舊砂漿界面過渡區(qū)的性能，再生骨料的孔隙并對微裂縫被新形成的C-S-H 所填充，最終使再生骨料的致密性有所提高。

5.8 碳化處理改性

利用CO2加速碳化再生骨料可使骨料表面砂漿產(chǎn)生碳化反應生成CaCO3和硅膠，填充骨料內部孔隙，測試結果表明，CO2增強了再生骨料的密度、吸水率，界面過渡區(qū)孔隙孔徑減小，過渡區(qū)厚度降低，也起到了降低骨料pH 值、氯離子結合能力的作用。但應注意合理控制碳化時間、壓力及濃度以達到最佳強化效果。試驗結果表明正壓狀態(tài)下骨料增重率普遍比負壓狀態(tài)更大，負壓與零壓力下的骨料增重率差別不大。當碳化壓力增加時，二氧化碳通過骨料表面孔隙和裂縫中從而增加碳化產(chǎn)物，達到更好的強化效果。

5.9 水泥漿改性

前人的研究結果表明，再生骨料經(jīng)水泥漿涂層處理后孔隙率顯著減少，從而降低其吸水率，提高表觀密度，最終達到改善使混凝土的物理、機械和耐久性能的目的。但與附著的舊砂漿相比，水泥漿的滲透性更高，壓碎指標也沒有得到有效改善，甚至會有所提高。

5.10 火山灰材料改性

將由火山灰活性礦物摻合料、水泥、水按配合比拌制火山灰漿液，將再生骨料在漿液中進行預浸泡、干燥等處理，研究結果表明，火山灰漿液可有效改善再生骨料表面孔隙及微裂縫結構，并且活性礦物摻合料可與附著舊砂漿發(fā)生反應亦可填充再生骨料孔隙。

5.11 硅灰與納米二氧化硅改性

納米材料可以改善再生骨料的微觀結構，提高其基本性能。經(jīng)硅灰漿液浸泡處理后的再生骨料的基本性能均好于未經(jīng)處理再生骨料。且納米材料微粒子可包裹并填充再生骨料孔隙和微裂紋，提高再生骨料表觀密度，降低其孔隙率，從而達到對再生骨料顆粒改性效果。

5.12 假堅強芽孢桿菌

假堅強芽孢桿菌對堿性環(huán)境有著較好的適應能力，代謝活動生成CaCO3晶體沉淀，在RCA 表面上形成致密防水層降低再生骨料的基本性能，其沉淀效率取決于pH 值、溫度、鈣離子濃度和細菌濃度。為減小堿性環(huán)境對細菌造成損害，在生物沉積過程中需加緩沖劑調節(jié)pH 值，但鋼筋混凝土結構的耐久性也會因pH 值過低而受到影響。

5.13 脲酶菌改性

脲酶菌同樣可在礦化沉積過程中促進界面過渡區(qū)（ITZ）的砂漿水化并改善其致密性，碳酸鹽沉淀速率一般在pH 值為9.5 左右時達到峰值，并因pH 值較高而急劇下降，酶活性和尿素水解速率在較高溫度下增強。細菌濃度和鈣量會增加CaCO3沉淀，可以通過噴灑和浸泡來施用細菌溶液，浸泡法處理效率更高，但反應產(chǎn)生的氨氣會造成環(huán)境污染。

5.14 碳酸酐酶菌改性

雖然尿素分解沉淀系統(tǒng)比碳酸酐酶菌礦化沉淀速率更高，但碳酸酐酶菌捕獲和存儲CO2方法（圖3）更為環(huán)保，因此提高碳酸酐酶菌沉積速率仍值得進一步研究。

圖3 碳酸酐酶催化CO2 水合反應機理示意圖

近年來，微生物礦化沉積技術改性再生骨料的方法受到國內外學者的廣泛關注，但對其相關研究方式方法有待完善，在實際應用當中的多因素耦合作用對再生骨料仍需在今后的研究中做進一步探索。

6 結束語

綜上所述，再生骨料雖然存在一定的缺陷,但依舊具有相對不錯的宏觀和微觀性能，國內外學者通過不同方法對再生骨料性能強化進行了研究，一是去除舊砂漿；二是加固強化舊砂漿。雖然采取的方法有所差異，但均在不同程度上再生骨料性能達到了優(yōu)化改進的目的。對比研究再生骨料強化方法后發(fā)現(xiàn)仍存有需要改進和完善之處。

目前利用微生物礦化沉積改善再生骨料基本性能的研究還處于初始階段，將微生物改性再生骨料應用于混凝土中具有良好的社會經(jīng)濟價值，但在以往微生物強化再生骨料的研究中大多以單一菌類對骨料進行改性強化試驗，對復合微生物改性再生骨料的研究較少。

因此，在未來的研究中應以復合微生物改性再生骨料為重點，從單因素的改性再生骨料研究逐步轉化為考慮實際應用環(huán)境的多因素耦合作用下的研究，進而有效改善再生骨料基本性能和微觀結構，最終達到有效改善再生混凝土的力學性能與耐久性的目的。