废弃混凝土再利用新技术—再生水泥
艾红梅 魏璩璩
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2010-01-15 00:00
摘要：废弃混凝土再利用长期以来一直是建筑行业和混凝土行业一个热门的研究课题。本文从材料过程工程学理论出发，指出利用废弃混凝土研发再生水泥的可行性，论述了废弃混凝土再生水泥的特性、适用范围、以及利用废弃混凝土制备再生水泥的技术路线。
关键词：材料过程工程学；废弃混凝土；再生水泥
0 引言
随着商品混凝土在我国的蓬勃发展，混凝土行业已然成为建筑材料领域的支柱行业。然而混凝土作为最大宗的人造工程材料，一旦建筑物或构筑物解体，它也会相应地成为建筑垃圾的“主力军”.目前在我国，每年混凝土废弃物的排放量就超过一亿吨，这些废弃混凝土在过去大多得不到较好的回收利用，同时还需要大量的场地来处理这些建筑垃圾（堆放或填埋）。
与此同时，水泥工业作为建材行业的支柱产业，在资源、能源消耗方面也是当之无愧的“大户”.这与2 1世纪资源短缺、能源匮乏的现状是相悖而行的。我国在《水泥工业发展专项规划》中明确指出水泥工业发展的指导思想：大力发展循环经济，保护生态环境，依靠技术进步实现水泥工业的可持续发展。
大连理工大学王立久教授提出“材料过程工程学”理论：通过对材料生命周期的多种单元过程进行优化重组，形成材料新的生命周期，以实现材料整个生命过程的低能耗、少污染，并能充分减量化利用资源。依据此理论看待上述水泥与混凝土工业存在的问题，将混凝土废弃物作为再生水泥的生产原料是一个很好的思路，既解决了废弃物处理占地的问题，又缓解了水泥生产所需原材料（石灰石和粘土）资源短缺的问题，实现了混凝土、水泥两大行业的优化与可持续发展。
1 混凝土胶凝材料“水泥”再生的构想
材料与生物一样，都有它的生命周期，它的本质是一个物质与能量积累和传递的过程。如何做到这一过程的低能耗、少污染，并能充分减量化利用资源，是材料设计的关键所在。基于材料学、环境材料学、过程工程学、系统工程学和生态学等相关理论，大连理工大学王立久教授提出了“材料过程工程学”（Material Process Engineering）--一种全新的材料学研究方法，其定义为：材料过程工程学是对材料由原生到被废弃的生命全过程及其相关过程进行优化或集成，以实现其对自然环境消耗低、污染少和充分利用不可再生资源的工艺和各种工程问题进行研究的方法。材料过程工程学是从过程的角度研究材料生产和使用过程中资源与能源的优化利用问题，目的是在总体上达成材料工业的技术及资源使用最优化，使以它为基础设计的材料更具有市场竞争力，同时能够更加经济、合理地利用能源和资源，实现材料工业的可持续发展。
以新型建材为例，从材料过程工程学观点考虑，将材料生命全过程进行分解（如图1所示）：源于地球一获取原材料一进行工艺加工一得到产品一应用于工程一产品解体、废弃一回到地球。这样，新型建材的概念就非常清晰了：在这一全过程中，任意单元过程或驻点发生改变所导致的新的材料的诞生，就是图中任何一个包括虚线的过程，其最终结果（产品）都可以称为新型建筑材料。例如原材料的改变、工艺过程的改变、产品性能的改变、甚至应用场合的不同，都会使新的材料诞生。我们完全可以根据“材料过程工程学”理论将废弃的混凝土通过新的工艺来加工成混凝土的各种原材料，如再生骨料，再生水泥等，也就是从“废弃”节点经“新工艺”节点向“产品”节点转化。其中“废弃混凝土”一“再生水泥”是一个崭新的研究方向，对于实现现代混凝土行业的循环、可持续发展有着重要的意义。
2 国外废弃混凝土再生水泥的研究状况
废弃混凝土的再利用最早开始于欧洲，1976年成立的“混凝土拆除和再利用技术委员会”,研究废弃混凝土的消化与再生利用，并且将废弃混凝土再生骨料用于高速道路等实际工程。随后日本也相继开始了对废弃混凝土再生利用的研究。美国从20世纪80年代开始研究将混凝土废弃物作为混凝土的粗、细骨料。
利用废弃混凝土生产再生水泥的研究起步较早的是日本。70年代后期，日本出现了一些以处理混凝土废弃物为对象的再生利用工厂，其中，规模较大的工厂可以每小时处理100吨废弃物。例如名古屋市，1990年，利用经过处理的混凝土废弃物生产再生路面基层材料多达10万多吨。日本的小野田水泥公司对以离心方式成型混凝土制品所产生的废弃物进行了再利用研究，开发了“标准淤渣”回收系统。这个回收系统，利用连续式离心分离机，将废弃物淤泥经过脱水分离后得到淤渣和水。通过向淤渣中加入延缓剂等外加剂来保持其中水泥的活性，从而使它可以作为混凝土的原材料被再次利用。这种再生水泥基本上由淤渣中所含的水泥水化物微粒与高炉水淬矿渣微粒所组成。通过电子显微镜照片和X射线衍射分析，可以确认该水泥水化的生成物及其成长过程类似于矿渣水泥。经日本混凝土工业协会的试验结果，使用再生原材料制成的产品，其物理性能与原产品没有区别。
近年来，韩国一家名为“利福姆系统”的装修公司成功的从废弃混凝土中分离出水泥，使其再生利用。该公司从2005年下半年开始批量生产这种再生水泥。他们首先把废弃混凝土中的水泥与石子、钢筋等分离开来，然后在700℃的高温下对水泥进行加热处理，再添加特殊的物质，就能生产出再生水泥。据报道每100吨废弃混凝土就能够获得30t左右的再生水泥，这种再生水泥的强度与普通水泥几乎一样，有些甚至更好，符合韩国的相关标准。同时，这种再生水泥的生产成本仅为普通水泥的一半，而且生产过程中不产生二氧化碳，有利于环境保护。[Page]
3 国内再生水泥研究的新动态
在我国，由于混凝土生产所需原材料短缺的现象尚未凸显，同时大量混凝土结构物的废弃、解体的高峰期还没有到来，因此对于废弃混凝土的研究起步较晚。近年研究较多的是利用废弃混凝土生产再生骨料。再生骨料混凝土由于性能所限，只局限于中、低强度等级；应用面也较窄，大多用于道路面层和垫层。对于废弃混凝土再生水泥，我国目前的研究还仅仅停留在理论上，远远还没有达到实际应用的水平，以致废弃混凝土中成本最高的“精华”部分--水泥石没有得到有效的回收利用。
随着建筑垃圾的增多，能源、资源形势的日益紧迫，再生水泥的研究势在必行，它所表现出的环境友好性、资源节约性以及经济高效性等特征完全符合“节约、友好”型社会经济发展的客观要求，有着非常广阔的应用前景以及重要的社会价值。
在理论方面，基于水泥石组分在高温下可以重新生成水泥熟料矿物的理论，我国学者研究的主要方向是水泥石的分解，主要是对C-S-H凝胶、Ca(OH)2和钙矾石(Aft)等水泥水化产物高温下的变化进行研究。
（1）C-S-H凝胶
C-S-H凝胶在水泥石中约占70%,是最重要的水化产物，对它的研究也最多。图2为C-S-H凝胶的TG-DTA图谱，从图可见：
①在40~150℃有个宽化的吸热谷，此时C-S-H凝胶开始失重。
②400℃左右，凝胶中的水已经大部分脱去（脱水量约占总脱水量的89%~94%左右，C-S-H凝胶中水的结合方式不同，脱水温度有所不同），C-S-H凝胶的结构在该温度下完全解体。③700℃后，C-S-H凝胶中物理吸附水及层间水大量逸出，结构变形收缩，同时供给凝胶分子很大的能量，使其足以脱离凝胶间的分子引力，改变键合势，使原来网状结构的接触结点大大减少，整个结构出现严重不足。因此，700℃是一个关键的温度点，C-S-H凝胶结构在此点破坏以待重新组建。
④当温度上升到约800℃以后出现明显的放热峰，表明新相开始形成，C/S为1.0和1.3时，其放热峰分别在810℃和823℃。
（2）Ca(OH)2在500℃时，水泥石中的Ca(OH)2大量分解，几乎不再有完整的Ca(OH)2层状大晶体，原来结晶完整的六方层状结构变得残缺不全；700℃后，Ca(OH)2数量很少，完整的Ca(OH)2六方片状结构不再存在。
（3）钙矾石（AFt）在加热时首先发生脱水反应。85℃以前，发生缓慢的脱水，使钙矾石特征衍射峰消失，但还不影响晶体结构的稳定性；87℃开始明显吸热，到135℃出现吸热小台阶，此后呈平滑走势，87℃~159℃，钙多面体中的配位水全部失去，至220℃沟槽中的两个紧密结晶水也失去。自此，以分子形式存在的26个水全部脱去，从220℃~700℃，以OH-形式结合在铝柱中的水缓慢失去，钙矾石发生进一步的收缩配位，由原来的Al-OH和Ca-OH面网脱水变为A1-O-A1.和Ca-O-Ca面网，到700℃左右，全部结合水失去，同时产生A12O3两胶体和CaO.也有研究认为，AFt在300℃发生分解反应，生成C12A7和Ca(OH)2.后一种说法得到了大连理工大学郑芳宇的验证。[Page]
废弃混凝土再生水泥研究的技术路线是：首先将废弃混凝土进行破碎，然后使用机械方法将粗集料和水泥石组分分离（但是一般细集料难以和水泥石完全分离），取水泥石部分进行再次的破碎和粉磨，之后将这些粉磨后的水泥石和无法分离的细集料一起进行热处理，在一定温度下使得这些已经水化了的水泥石再次分解并生成新的水泥熟料。热处理的温度可能会由于掺料、细集料黏附程度和工艺等的不同而有所不同。但一般都比生产水泥熟料的温度要低得多。
4 废弃混凝土再生水泥的特性及应用
目前，再生水泥所用的原料依废弃物的种类不同有两种类型：I型，混凝土工厂淤渣+水淬矿渣+石膏；Ⅱ型：废弃混凝土砂+水淬矿渣+石膏。
I型水泥的特点：混凝土淤渣是在低温下干燥的，它同水淬矿渣细粉之间的反应速度很慢。因此，进行干燥时应把温度提高到200℃左右并以较短的时间完成干燥过程，使淤渣中的水化物钙矾石脱水分解而非晶质化，加快它与水淬矿渣细粉之间的水化反应速度。
Ⅱ型水泥的特点：混凝土碎砂是用破碎机把废弃混凝土破碎到30毫米以下，其破碎物再过5毫米筛，利用其通过部分作为混凝土细砂。如同混凝土工厂淤渣那样不需高温干燥处理，只需一般的干燥和粉磨就可与水淬矿渣细粉发生水化。作为原料的废弃混凝土，其水化物的数量越多越好，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废材等。Ⅱ型水泥较I型水泥的凝结时间更慢；比表面积略小些（比矿渣水泥高）。
研究表明，再生水泥与普通水泥和矿渣水泥相比，具有以下特点：
（1）不经高温烧成。如前所述，韩国生产的再生水泥的温度只在700℃左右；生水泥的硬化是混凝土废弃物或商品混凝土工厂的废泥浆中占据大多数的水泥水化物与高炉矿渣之间产生的水化反应。
（2）比表面积值大，但砂浆和混凝土的硬化干燥收缩略小些。
（3）与矿渣水泥相比，相同28d强度时所需水泥用量大；长期强度增长率大；若按长期强度设计，可以不增加水泥量。
（4）硬化干燥收缩与用含矿渣30%--60%的矿渣水泥（日本规范中的B种矿渣水泥）配制的同强度混凝土相近。
（5）与B种矿渣水泥相比，抗冻性差。按ASTMC一666进行试验，冻融后I型、Ⅱ型与B种矿渣水泥相比，动弹模下降稍大。
（6）水化热低。根据JIS（日本工业协会标准）标准测定水泥的平均发热量，结果如表1所示。表2是28d相同强度混凝土的相对水化热比（以每立方米混凝土的发热量计，并以硅酸盐水泥混凝土为100）。
由表1可见，无论是溶解热还是水化热，再生水泥相比传统意义的水泥都要低很多。甚至较中热水泥的水化热也小很多，尤其是早期（3d）水化热约减小了50%.这对于大体积混凝土来说无疑是非常有利的。由表2可见，相同强度的混凝土，再生水泥混凝土相比矿渣水泥和硅酸盐水泥混凝土，在各龄期的发热量都更低得多，与中热硅酸盐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、基础、桩及大体积混凝土。因为这些部位的混凝土一般不要求非常高的强度，而对水化热都有较高的要求。
5 结语
根据“材料过程工程学”理论，利用废弃混凝土开发研制再生水泥是完全可行的，国外成功的应用案例也让我们看到了此项技术的光明前景。目前，利用再生水泥生产的混凝土主要用于地下混凝土、基础、桩及大体积混凝土等，其更广泛的应用还有待进一步研究。另外，混凝土再生水泥制作过程中，还有一些关键性的技术问题有待解决，例如细集料的粉磨、水泥石较低温度的热处理等。随着研究的深入、技术水平的提高，废弃混凝土再生水泥将成为未来绿色胶凝材料的主要发展方向，为混凝土行业的可持续发展提供一条有效的途径。
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