废弃混凝土再生水泥技术的研究进展.pdf

2 0 1 2 年 第 7期 (总 第 2 7 3 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 2 ( T o m l No 2 7 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 7 0 1 9 废弃混凝土再生水泥技术的研究进展 艾红梅，卢普光。燕芳，韩立东，卢洪正 ( 大连理工大学 建设 工程学部 ，辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要： 利用废弃混凝土为原料煅烧熟料、 制备水泥是废弃混凝土资源化再生利用的有效途径。 介绍了全组分废弃混凝土再生水泥的概念 和国内外废弃混凝土再生水泥技术的最新研究现状。 针对废弃混凝土区别于普通水泥生料的特点， 提出再生水泥研究中亟待解决的问题。 关键词 ： 废 弃混凝土 ；再生水泥 ；硬化水泥石 ；结 晶态 S i O 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 5 8 0 2 Re s ea r c h pr ogr es s on r e c y c l e d c e m e n t pr od uc ed f r om was t e co nc r e t e AIHo n g - me i ， LUPu - gu a n g， YAN Fa n g， HAN Li d o n g， LU Ho n g- z he n g ( F a c u l t y o f I n f r a s t r u c t u reE n g i n e e r i n g ， D a l i a n Un i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Us i n g wa s t e c o n c r e t e a s a c o mp o n e n t t o c a l c i n e c l i n k e r s a n d ma ke e c o c e me n t i s an e ffe c t i v e wa y t o u t i l i z e wa s t e c o nc r e t e T he c o n c e p t i o n o f e c o - c e m e n t p r o d u c e d f r o m a l l c o mpo ne n t s o f wa s t e c o n c r e t e wa s i n t r o d u c e d， t h e r e s e a r c h s t a t u s of e c o c e me n t p r o d u c e d fr o m wa s t e c o n c r e t e i n Ch i n a a n d a b r o a d we r e a l s o i n tro d u c e d F o c u s e d o n the d i f f e r e n c e o f wa s t e c o n c r e t e a n d o r d i n a r y r a w ma t e r i a l s ， p r o b l e ms r e q uir e d t o s o l v e we r e p r o p o s e d Keywor ds ： wa s t e c o n c r e t e ； r e c y c l e d c e me n t ； h ard e n e dc e me n t pa s t e； S i 02 c r ys t a l s 0 引言 混凝土是世界范围内用量最大的建筑材料， 一旦废弃后同 样也是建筑垃圾的“ 主力军” 。 统计分析显示 ， 随着各类土木建 筑工程持续快速发展， 未来我国废弃混凝土数量将以每年 8 的速度增长， 预计 2 0 2 0年将达到 6 3 8亿 t 【 1 。 这些废弃混凝土 如果不能得到很好的再利用 ， 不仅破坏生态环境 ， 而且也是资 源的巨大浪费， 同时还将进一步加剧建材行业的生产负担。 从发 展循环经济的角度出发 ， 在追求混凝土材料功能多样化、 品质 高性能化的同时， 应更多关注混凝土在生命周期的终点废 弃后， 对资源的贡献率以及对自然环境的影响。 废弃物资源化有两种方式： 原级资源化和次级资源化， 原级 资源化是指直接利用废弃物生产同类新产品， 对再生资源的利 用率最高。 以废弃混凝土为原料生产再生骨料和水泥属于废弃 物的原级资源化利用 ， 将两类再生产品重新用于混凝土， 可以 实现混凝土材料的完全循环利用【2 】 。 近年来， 国内外相关研究多 集中于再生骨料。 但是， 受废弃混凝土成分复杂性以及骨料与硬 化砂浆分离技术的限制， 我国现阶段再生骨料生产成本较高而 产品性能有限， 直接影响其应用3 。 此外 ， 再生骨料技术主要利 用的是废弃混凝土中的粗骨料 ， 而成本更高的砂浆 、 尤其是水 泥石部分没有被有效的利用嗍 。 我国水泥产量一直居世界首位， 2 0 1 1年产量达到 2 O 6 3亿 t ， 增速 1 6 1 2 嘲 ； 与此同时， 水泥生 产所需的石灰石、 黏土等原材料却面临资源匮乏的局面。 利用废 弃混凝土制备再生水泥， 通过水泥混凝土材料的闭路循环， 一 方面可以直接减少整个混凝土生产系统的废弃物， 实现废弃 混凝土的高附加值再生利用 ； 另一方面， 能够有效缓解水泥工 业的生产压力 ， 减少对不可再生资源的消耗， 真正实现循环过 程的 自给 自足 。 1 废 弃混凝土再生水泥的研 究现状 以废弃混凝土为原料煅烧水泥， 目前的技术途径主要有2种： 一 种是利用废弃混凝土中的粗骨料取代部分天然石灰石作为 水泥钙质原料； 另一种是利用废弃混凝土破碎后的微粉、 含砂硬 化水泥石或者砂浆部分作为水泥生料组分。 石灰石是混凝土中常用的粗骨料品种， 同时也是水泥生产 的主要钙质原料。 重庆大学 万朝 均等将废弃混凝 土破碎 、 分离 ， 获得以石灰石为主的颗粒( 粒径 5 2 0 mm) ， 取代天然石灰石煅 烧熟料， 所制备的水泥 3 d强度偏低、 2 8 d强度可达到 5 2 5 级水 泥的技术要求闸。 该技术已于 2 0 0 9年获得专利授权。 武汉理工 大学万惠文等同样利用废弃混凝土代替部分石灰石烧制水泥， 取代率为 6 0 时煅烧出正常的熟料， 强度达到 4 7 4 MP a tn 。 废弃混凝土制备再生骨料过程中， 残留5 左右的细小微粒 ， 主要成分为水泥石。 C h a n g ， C h e n g - f e n g将废弃混凝土破碎 ， 经 低温热处理、 多次磨碎 、 分次筛分后， 利用粒径小于 0 1 5 mm的 微粉煅烧水泥， 其 2 8 d抗压强度与波特兰 I 型水泥一致嗍 。 捷克 研究人员用回收的 0 1 6 n l l n粒径的混凝土微粉作为波特兰水 泥生料组分， 掺人富钙石灰石、 铁质校正原料以及 C a F ： 矿化剂， 在 1 4 3 0煅烧熟料， 所制备的水泥强度略高于普通原料生产 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 1 - 0 2 基金项 目：辽宁省大连市科学技术基金( 2 0 1 1 J 2 1 DW0 0 2 ) ； 沈 阳建筑大学省级重点实验室开放基金( c L 广 2 0 0 9 0 7 ) 58 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的 C E M I 4 2 5 R水 泥侧 。 经破碎的废弃混凝土中， 水泥石与砂紧密黏接、 不易分离 ， 有研究者利用这种含砂的硬化水泥石、 或直接利用废砂浆为原 料煅烧水泥。 山东大学陶珍东等采用热处理或者三乙醇胺 ( T E A) 处理 ， 并结合机械粉碎， 将废弃混凝土中的基质胶凝组 分( 含部分细骨料的硬化水泥浆体 ， F WC) 分离出来作为水泥原 料 ； F WC掺量 2 0 时， 熟料强度与常规生料煅烧的熟料相差不 大。 同济大学王培铭等利用废弃混凝土中分离出的废砂浆为 原料， 分别按照高 C ， S 、 高 C S和普通硅酸盐水泥 3 种典型配料 煅烧熟料 ， 所制备的水泥性能满足相关标准要求； 熟料矿物组 成及水化产物与普通水泥无根本差异【 l 1 。 以含砂废弃混凝土组分为原料煅烧水泥熟料 ， 存在一个关 键性的技术难题结晶态 S i O 的活化。 砂的主要矿物成分为 石英 ， 所提供 的 S i O ： 结晶度较高 ， 在水泥煅烧时不易解聚出 S i O 4 ( 反应活性体) 与 C a O结合形成 C S ， 进而影响生料易烧 性； 另外， 由于硬度大、 难磨， 砂中 S i O 晶体的颗粒较粗 ， 对熟料 中硅酸盐矿物( c S 、 C ， S ) 的组成和晶型晶貌有不利影响。 万惠 文等的研究表明： 随着废弃混凝土取代石灰石比例的上升， 熟 料中f - C a O含量增加 、 熟料质量下降同 ； 陶珍东等的研究也存在 类似问题： F WC配制的生料易烧性较差， 且随着 F WC掺量增加 ， 生料易烧性更差 ， 熟料强度降低； 王晓波利用以废弃混凝土和 废砖为主的建筑垃圾为原料煅烧熟料， 随建筑垃圾掺量增加 ， 熟料抗压强度呈下降趋势 12 】 。 以上研究者均将试验现象归因于 废弃混凝土原料中含有的惰性 S i O 。 2 全 组分废 弃混凝 土再 生水 泥的研 究进展 目前 ， 利用废弃混凝土制备再生水泥的方法大都需要对原 料进行组分分离 ， 不仅使废弃混凝土材料利用率偏低， 而且增 加再生产品的生产成本和能耗。 废弃混凝土中含有石灰石( 粗 骨料) 和硅质原料( 砂) ， 硬化水泥石高温下脱水形成的氧化物 成分与水泥生料基本相同， 理论上完全可以利用废弃混凝土中 所有组分作为原料制备再生水泥。 这种方式突出的优点是 ： 废 弃混凝土无需分离处理 ， 可以降低再生水泥成本 ， 实现废弃混 凝土的完全资源化利用 ； 对原料加工要求精度低 ， 适于大批量 生产； 废弃混凝土中的硬化水泥石、 未水化水泥颗粒以及杂质 离子可以促进熟料烧成 ， 降低烧成能耗； 以废弃混凝土中细骨 料作为硅质原料， S i O： 含量高， 通过适宜的活化技术， 提高其反 应活性 ， 可用于制备高性能水泥熟料。 日本的F u mi n o r i 教授进行过类似的试验研究， 将普通混凝 土粉碎后， 直接补加一些含氧化硅、 氧化铝和氧化铁的原料， 共 同配制生料、 煅烧熟料【 l3 。 研究表明： 烧成熟料制备的水泥力学 性能与普通水泥相当， 胶砂强度达到 4 4 MP a ； 相同水灰比下， 用再生水泥配制的普通混凝土和高强混凝土的强度与普通水 泥配制的混凝土无差别。 国内方面， 万惠文等虽然也采用未经 分离的废弃混凝土为原料， 但在配料时是以废弃混凝土按不同 比例取代石灰石原料； 当取代率超过 6 0 时， 煅烧的熟料质量 很差啊 。 笔者基于材料过程工程学理论 ， 提出“ 全组分废弃混凝土 再生水泥” 的概念： 利用以石灰岩为粗骨料的废弃水泥混凝土 中的全部组分取代黏土和部分石灰石， 再添加一定量的石灰石 和少量校正原料 ， 配料后烧制再生水泥熟料 。 研究表 明： 这种再 生水泥熟料的主要矿物成分为 C S 、 B C S 、 c 3 A、 c A J P 等； 废弃混 凝土中含有的各种微量离子的助熔作用 ， 使阿利特和贝利特的出 现提前， 熟料烧成温度可降低至 1 3 3 0左右； 除抗压强度以外， 再生水泥熟料其他陛能满足硅酸盐水泥熟料的技术要求1 4 1 。 进一 步， 采用粒化高炉矿渣粉作为晶种进行了试验研究： 净浆 2 8 d抗 压强度达到 6 6 MP a ； 掺 5 扣8 的矿渣作为晶种能降低熟料烧结 温度 5 0 1 0 0； 烧成熟料与工业生产的熟料相比， 矿物组分基本 相同， 除了少量的Mg O和C A， 衍射峰的位置也基本相同嗍。 废弃混凝土原料区别于普通水泥生料的特点有两个 ： 存在 硬化水泥石、 由砂提供结晶度较高的 S i O 作为硅质原料。 因此， 相关研究中首先需要明确硬化水泥石和结晶态 S i O 对熟料烧 成过程的影响， 以指导再生水泥配料、 确定相关工艺参数 ； 另一 方面， 需探索提高结晶态 S i O 反应活性的技术措施， 以降低熟 料烧成能耗、 提高再生水泥质量。 全组分废弃混凝土再生水泥的前期试验中， 并未出现由于 砂中惰性 S i O： 所导致的“ 熟料难烧” 问题。 分析其原因， 主要是 硬化水泥石对熟料烧成过程的促进作用。 有研究指出： 熟料煅 烧过程中， 原料中未水化的水泥颗粒可以起到“ 晶种” 作用， 而 水泥水化产物脱水相可促进熟料矿物相的低温生成、 提高反应 速率 n 】 。 但是， 目前关于硬化水泥石对熟料烧成过程的作用机 理尚缺乏系统的研究和明确的结论。 由于粒径在 4 5 p , m以上的结晶态 S i O 才会对水泥熟料的 烧成产生影11 o 6 ， 因此 ， 提高砂中S i O 的细度、 改变其反应活性 是改善高结晶态 S i O 含量水泥生料易烧性和熟料性能的关键。 沙建奇采用机械力活化方法处理废弃混凝土， 通过粉磨使 S i O ： 晶格发生畸变， 进而增加砂的活性 。 但是 ， 这种方法粉磨时间 长( 1 2 2 4 h ) 、 能耗高、 实用性较差 ； 而且活化后 S i O 无定形化 效果并不明显。 王尉和等根据高温煅烧一急冷使石英晶体内部 产生微裂纹、 进而碎裂的原理， 采用煅烧后再机械粉磨的方法细 化天然石英的粒度 。 这种方法煅烧温度较高( 1 3 0 0 1 4 6 0) ， 无法应用于废弃混凝土生料预处理。 蒋永惠等研究了不同矿化 剂对砂岩( 石英晶体) 生料易烧性的影响， 结果表明： 某些碳 酸盐和硼酸盐能使部分 O t 石英在较低温度下转变为化学活性 稍高的 方石英 ， 从而改善生料易烧性【 l 9 】 。 王晓波采用 Na O H 等碱性激发剂提高 S i O 活性 ： 在一定范围内， 熟料矿物的形成 质量及力学性能与激发剂的掺入量和碱性高低呈正比【 l 2 】 。 王海 霞等对砂质煤矸石活性影响因素的研究表明： 石灰和石膏作蚀 变剂可以促进石英表面晶体化学键断裂， 解体产生活性 S i O 2 o 1 。 3结语 进入新世纪以来 ， 我国水泥工业发生了突破性的变化， 一 个显著的特点是从资源耗费型转向资源节约型， 从数量扩张型 转向更多依靠发展循环经济和技术进步来获取水泥工业的经 济增长。 其中， 废渣资源化利用是水泥工业发展的主流趋势之一。 废弃混凝土再生水泥技术， 将废弃混凝土处理问题与绿色水泥 生产相结合， 通过对废弃混凝土的原级资源化利用， 既减少了 混凝土一次性消耗给环境和水泥行业造成的负担， 又能够极大 地缓解水泥生产原料资源紧张的局面。 目前， 废弃混凝土再生水 泥的研究尚处于起步阶段。 但是 ， 鉴于这种再生水泥所表现出的 环境友好性、 资源节约性以及经济高效性 ， 从混凝土和水泥行 业可持续发展的角度 ， 其必将成为今后水泥混凝土技术研究的 热点， 具有广阔的应用前景。 下转第 7 0页 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 冻 融次数 图 6 引气混凝土冻融循环后试件质量变化 1 0 0 9 5 9 0 皿 吲 8 5 需 80 7 5 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 冻融次数 图 7 引气 混凝土动弹模量变化 高了 3 3 以上 。 ( 4 ) 硅烷浸渍能够提高混凝土的抗渗性能和抗冻性能， 当 实际应用在寒冷地区机场道面混凝土时， 要根据现场条件的差 异， 做好室外试验， 合理选择硅烷浸渍材料。 参考文献 【 1 孙学志， 陈海虎， 戴立成 影响 中国 上接第 5 9页 参考文献 ： 1 S HI J i a n g u a n g ， XU Y u e z h o u E s t i m a t i o n a n d f o r e c a s t i n g o f c o n c r e t e d e b ri s a m o u n t i n C h i n a J Re s o u r c e s ， C o n s e r v a t i o n a n d R e c y c l i n g ， 2 0 0 6 ， 4 9 ( 2 ) ： 1 4 7 2 2 王子明， 黄显智， 裴学东 混凝土材料完全循环利用的探讨 建筑材 料学报 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 2 ) ： 2 0 5 2 1 0 3 】水中和， 玄东兴 ， 曹蓓蓓 热一 机械力分离制备高品质再生骨料的研 究 J 】 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 6 0 6 2 4 】王程 ， 施惠生 废弃混凝土再生利用技术的研究进展f J 1 材料导报 ， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 2 0 1 2 4 【 5 h t t p ： ww w a s k c i c o m n e w s 2 0 1 2 0 1 3 1 9 2 3 3 8 _ 0 5 s h t m l O L 6 】万朝均， 等 废弃混凝土代替天然石灰石煅烧水泥熟料试验f J 1 重庆 大学学报， 2 0 0 8 ， 3 1 ( 9 ) ： 1 0 1 2 1 0 1 7 【 7 】万惠文， 钟祥凰， 水中和 利用废弃 外建材科技， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 2 ) ： 1 - 1 1 J 】 国 【 8 C H AN G C h e n g - f e n g Me t h o d f o r r e c y c l i n g c o n c r e t e w a s t e ： U n i t e d S t a t e s ， 7 2 5 8 7 3 7 I P 2 0 0 7 - 0 8 - 2 1 h t t p ： w w w 9 王善拔用回收混凝土组分作波特兰水泥生料组分叨 水泥， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 4 4 1 0 】 孟姗姗， 陶珍东， 吴波， 等废弃混凝土中基质胶凝组分作原料煅烧 水泥熟料的研究【 J J 水泥工程， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 1 - 5 【 l 1 】 单建明， 王培铭 废砂浆配料煅烧水泥熟料的研究【 J 】 建筑材料学报 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 5 ) ： 5 7 0 5 7 5 【 l 2 】 王晓波 建筑垃圾在水泥生产中的再利用研究【 D 】 山东 ： 济南大学 ， 7 0 水运 ， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 2 1 3 2 1 4 【 2 P R E Z Z I M， G E Y S K E NS P H， MO N T E I R O P J M R e l i a b i l i t y a p p r o a c h t o s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e e x p o s e d t o ma r i n e e n v i ron me n t s 叨 A C I Ma t e r i a l J o u r n al， T e c h n i c al p a p e r ， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 6 ) ： 5 4 4 - 5 5 2 【 3 】 朱淮军 硅烷浸渍技术在高性能混凝土中的防腐保护效果 J 】 混凝 土 ， 2 0 0 9 ( 1 0 ) ： 1 2 6 1 2 8 【 4 熊建波， 王胜年 圭 烷浸渍剂对混凝土保护作用的研究 J 】 混凝土， 2 0 0 4 ( 9 ) ： 6 3 6 5 5 5 朱岩， 陈雨， 甘万强 有机硅烷浸渍高性能海工混凝土防腐蚀性能的 研究 J 混凝土， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 7 7 8 0 6 6 廉慧珍， 陈恩义 原材料和配合比对高强与高性能混凝土性能的影 响 J 】 _混凝土， 2 0 0 1 ( 7 ) ： 2 2 3 0 7 】S H AH S P ， WA NG K Mi c r o s t r u c t u r e ， mi c r o c r a c k i n g ， p e r m e a b i l i t y ， a n d m i x d e s i g n c ri t e ri a o f c o n c r e t e C y P roc 5 t h I n t C o n f o n S t u r c u t r e F a i l u r e ， Du r ab i l i t y a n d Re t r o fi t t i n g， 1 9 9 7： 2 6 0 - 2 7 2 8 】刘志国 混凝土二氯甲烷渗透系数与直流电量相关性研究【 D 】 哈尔 滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 2 ： 1 - 6 9 】冯乃谦 ， 邢锋 高性能混凝土的氯离子渗透性和导电量 J 1 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 1 1 ) ： 3 - 7 【 1 0 T A T 1 ER R S A L L G H， B A NF i l P F G T h e r h e o l o g y o f f r e s h c o n c r e t e lM P i t ma n Bo o k s L t d。 2 0 0 3： 5 6 6 0 作者简介： 徐桑振( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士生， 助理工程师。 联系地址： 西安市空军工程大学工程学院研究生 1 2 队( 7 1 0 0 3 8 ) 联系电话 ： 1 8 6 8 1 8 1 7 9 3 7 2 0l 1 【 1 3 F UMI NO R I T T o w a r d s c o mp l e t e l y r e c y c l abl e c o n c r e t e - D e v e l o p m e n t o f e c o c o n c r e t e J C e m e n t C o n c r e t e 1 9 9 5 ( 5 7 8 ) ： 1 - 8 1 4 A I H o n g - me i ， WEI J i n g ， B A I J u n - y i n g ， e t a1P r o p e r t i e s o f r e c y c l e d c e me n t p r o d u c e d f r o m w a s t e c o n c r e t e J Ad v a n c e d Ma t e ri a l s R e s e a r c h ， 2 0 1 1 ( 1 9 4 1 9 6 ) ： 1 1 7 0 1 1 7 5 【 1 5 A I H o n g- m e i ， WE I J i n g ， B A I J u n- y i n g ， e t a 1 Ut i l i z a t i o n o f g r o u n d gra n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s e e d - c r y s t a l i n e c o - e e m e n t J A d v a n c e d Ma - t e r i a l s R e s e a r c h ， 2 0 1 1 ( 2 5 0 2 5 3 ) ： 8 7 0 8 7 4 1 6 S N 戈什 ， 著 水泥技术进展【 M 】 杨南如， 等译校 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 8 6 1 7 】 沙建奇 混凝土水泥机械力化学生成研究【 D 大连 ： 大连理工大学， 2 o o8 【 1 8 】 王尉和， 刘开平， 赵鹏 高温煅烧制作石英纳米粉体的研究 J 】 应用化 工 ， 2 0 0 7， 3 6 ( 7 ) ： 6 3 6 6 3 7 1 9 蒋永惠， 袁小林， 胡静， 等 提高砂岩配料生料易烧性的研究 J 】 水泥， 2 0 0 O ( 6 ) ： 1 - 4 【 2 O 】 王海霞， 倪文， 姜涛， 等 房山砂质煤矸石热活化的影响因素分析 化工学报， 2 0 1 1 ， 6 2 ( 6 ) ： 1 7 3 6 1 7 4 1 作者简 介 联 系地址 ： 联 系电话 ： 艾红梅( 1 9 7 4 一 ) ， 女， 博士 ， 讲师， 主要从事新型建筑材料 研究 。 辽宁省大连市甘井子区凌工路 2 号( 1 1 6 0 0 2 4 ) 0 4l 1 8 4 7 0 71 7 1 2 O 矗 m 、 嘟瞧_+ 嘿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m