廢棄混凝土再利用新技術—再生水泥
摘要：廢棄混凝土再利用長期以來一直是建筑行業和混凝土行業一個熱門的研究課題。本文從材料過程工程學理論出發，指出利用廢棄混凝土研發再生水泥的可行性，論述了廢棄混凝土再生水泥的特性、適用范圍、以及利用廢棄混凝土制備再生水泥的技術路線。
關鍵詞：材料過程工程學；廢棄混凝土；再生水泥
0 引言
隨著商品混凝土在我國的蓬勃發展，混凝土行業已然成為建筑材料領域的支柱行業。然而混凝土作為最大宗的人造工程材料，一旦建筑物或構筑物解體，它也會相應地成為建筑垃圾的“主力軍”.目前在我國，每年混凝土廢棄物的排放量就超過一億噸，這些廢棄混凝土在過去大多得不到較好的回收利用，同時還需要大量的場地來處理這些建筑垃圾（堆放或填埋）。
與此同時，水泥工業作為建材行業的支柱產業，在資源、能源消耗方面也是當之無愧的“大戶”.這與2 1世紀資源短缺、能源匱乏的現狀是相悖而行的。我國在《水泥工業發展專項規劃》中明確指出水泥工業發展的指導思想：大力發展循環經濟，保護生態環境，依靠技術進步實現水泥工業的可持續發展。
大連理工大學王立久教授提出“材料過程工程學”理論：通過對材料生命周期的多種單元過程進行優化重組，形成材料新的生命周期，以實現材料整個生命過程的低能耗、少污染，并能充分減量化利用資源。依據此理論看待上述水泥與混凝土工業存在的問題，將混凝土廢棄物作為再生水泥的生產原料是一個很好的思路，既解決了廢棄物處理占地的問題，又緩解了水泥生產所需原材料（石灰石和粘土）資源短缺的問題，實現了混凝土、水泥兩大行業的優化與可持續發展。
1 混凝土膠凝材料“水泥”再生的構想
材料與生物一樣，都有它的生命周期，它的本質是一個物質與能量積累和傳遞的過程。如何做到這一過程的低能耗、少污染，并能充分減量化利用資源，是材料設計的關鍵所在。基于材料學、環境材料學、過程工程學、系統工程學和生態學等相關理論，大連理工大學王立久教授提出了“材料過程工程學”（Material Process Engineering）--一種全新的材料學研究方法，其定義為：材料過程工程學是對材料由原生到被廢棄的生命全過程及其相關過程進行優化或集成，以實現其對自然環境消耗低、污染少和充分利用不可再生資源的工藝和各種工程問題進行研究的方法。材料過程工程學是從過程的角度研究材料生產和使用過程中資源與能源的優化利用問題，目的是在總體上達成材料工業的技術及資源使用最優化，使以它為基礎設計的材料更具有市場競爭力，同時能夠更加經濟、合理地利用能源和資源，實現材料工業的可持續發展。
以新型建材為例，從材料過程工程學觀點考慮，將材料生命全過程進行分解（如圖1所示）：源于地球一獲取原材料一進行工藝加工一得到產品一應用于工程一產品解體、廢棄一回到地球。這樣，新型建材的概念就非常清晰了：在這一全過程中，任意單元過程或駐點發生改變所導致的新的材料的誕生，就是圖中任何一個包括虛線的過程，其最終結果（產品）都可以稱為新型建筑材料。例如原材料的改變、工藝過程的改變、產品性能的改變、甚至應用場合的不同，都會使新的材料誕生。我們完全可以根據“材料過程工程學”理論將廢棄的混凝土通過新的工藝來加工成混凝土的各種原材料，如再生骨料，再生水泥等，也就是從“廢棄”節點經“新工藝”節點向“產品”節點轉化。其中“廢棄混凝土”一“再生水泥”是一個嶄新的研究方向，對于實現現代混凝土行業的循環、可持續發展有著重要的意義。
2 國外廢棄混凝土再生水泥的研究狀況
廢棄混凝土的再利用最早開始于歐洲，1976年成立的“混凝土拆除和再利用技術委員會”,研究廢棄混凝土的消化與再生利用，并且將廢棄混凝土再生骨料用于高速道路等實際工程。隨后日本也相繼開始了對廢棄混凝土再生利用的研究。美國從20世紀80年代開始研究將混凝土廢棄物作為混凝土的粗、細骨料。
利用廢棄混凝土生產再生水泥的研究起步較早的是日本。70年代后期，日本出現了一些以處理混凝土廢棄物為對象的再生利用工廠，其中，規模較大的工廠可以每小時處理100噸廢棄物。例如名古屋市，1990年，利用經過處理的混凝土廢棄物生產再生路面基層材料多達10萬多噸。日本的小野田水泥公司對以離心方式成型混凝土制品所產生的廢棄物進行了再利用研究，開發了“標準淤渣”回收系統。這個回收系統，利用連續式離心分離機，將廢棄物淤泥經過脫水分離后得到淤渣和水。通過向淤渣中加入延緩劑等外加劑來保持其中水泥的活性，從而使它可以作為混凝土的原材料被再次利用。這種再生水泥基本上由淤渣中所含的水泥水化物微粒與高爐水淬礦渣微粒所組成。通過電子顯微鏡照片和X射線衍射分析，可以確認該水泥水化的生成物及其成長過程類似于礦渣水泥。經日本混凝土工業協會的試驗結果，使用再生原材料制成的產品，其物理性能與原產品沒有區別。
近年來，韓國一家名為“利福姆系統”的裝修公司成功的從廢棄混凝土中分離出水泥，使其再生利用。該公司從2005年下半年開始批量生產這種再生水泥。他們首先把廢棄混凝土中的水泥與石子、鋼筋等分離開來，然后在700℃的高溫下對水泥進行加熱處理，再添加特殊的物質，就能生產出再生水泥。據報道每100噸廢棄混凝土就能夠獲得30t左右的再生水泥，這種再生水泥的強度與普通水泥幾乎一樣，有些甚至更好，符合韓國的相關標準。同時，這種再生水泥的生產成本僅為普通水泥的一半，而且生產過程中不產生二氧化碳，有利于環境保護。[Page]
3 國內再生水泥研究的新動態
在我國，由于混凝土生產所需原材料短缺的現象尚未凸顯，同時大量混凝土結構物的廢棄、解體的高峰期還沒有到來，因此對于廢棄混凝土的研究起步較晚。近年研究較多的是利用廢棄混凝土生產再生骨料。再生骨料混凝土由于性能所限，只局限于中、低強度等級；應用面也較窄，大多用于道路面層和墊層。對于廢棄混凝土再生水泥，我國目前的研究還僅僅停留在理論上，遠遠還沒有達到實際應用的水平，以致廢棄混凝土中成本最高的“精華”部分--水泥石沒有得到有效的回收利用。
隨著建筑垃圾的增多，能源、資源形勢的日益緊迫，再生水泥的研究勢在必行，它所表現出的環境友好性、資源節約性以及經濟高效性等特征完全符合“節約、友好”型社會經濟發展的客觀要求，有著非常廣闊的應用前景以及重要的社會價值。
在理論方面，基于水泥石組分在高溫下可以重新生成水泥熟料礦物的理論，我國學者研究的主要方向是水泥石的分解，主要是對C-S-H凝膠、Ca(OH)2和鈣礬石(Aft)等水泥水化產物高溫下的變化進行研究。
（1）C-S-H凝膠
C-S-H凝膠在水泥石中約占70%,是最重要的水化產物，對它的研究也最多。圖2為C-S-H凝膠的TG-DTA圖譜，從圖可見：
①在40~150℃有個寬化的吸熱谷，此時C-S-H凝膠開始失重。
②400℃左右，凝膠中的水已經大部分脫去（脫水量約占總脫水量的89%~94%左右，C-S-H凝膠中水的結合方式不同，脫水溫度有所不同），C-S-H凝膠的結構在該溫度下完全解體。③700℃后，C-S-H凝膠中物理吸附水及層間水大量逸出，結構變形收縮，同時供給凝膠分子很大的能量，使其足以脫離凝膠間的分子引力，改變鍵合勢，使原來網狀結構的接觸結點大大減少，整個結構出現嚴重不足。因此，700℃是一個關鍵的溫度點，C-S-H凝膠結構在此點破壞以待重新組建。
④當溫度上升到約800℃以后出現明顯的放熱峰，表明新相開始形成，C/S為1.0和1.3時，其放熱峰分別在810℃和823℃。
（2）Ca(OH)2在500℃時，水泥石中的Ca(OH)2大量分解，幾乎不再有完整的Ca(OH)2層狀大晶體，原來結晶完整的六方層狀結構變得殘缺不全；700℃后，Ca(OH)2數量很少，完整的Ca(OH)2六方片狀結構不再存在。
（3）鈣礬石（AFt）在加熱時首先發生脫水反應。85℃以前，發生緩慢的脫水，使鈣礬石特征衍射峰消失，但還不影響晶體結構的穩定性；87℃開始明顯吸熱，到135℃出現吸熱小臺階，此后呈平滑走勢，87℃~159℃，鈣多面體中的配位水全部失去，至220℃溝槽中的兩個緊密結晶水也失去。自此，以分子形式存在的26個水全部脫去，從220℃~700℃，以OH-形式結合在鋁柱中的水緩慢失去，鈣礬石發生進一步的收縮配位，由原來的Al-OH和Ca-OH面網脫水變為A1-O-A1.和Ca-O-Ca面網，到700℃左右，全部結合水失去，同時產生A12O3兩膠體和CaO.也有研究認為，AFt在300℃發生分解反應，生成C12A7和Ca(OH)2.后一種說法得到了大連理工大學鄭芳宇的驗證。[Page]
廢棄混凝土再生水泥研究的技術路線是：首先將廢棄混凝土進行破碎，然后使用機械方法將粗集料和水泥石組分分離（但是一般細集料難以和水泥石完全分離），取水泥石部分進行再次的破碎和粉磨，之后將這些粉磨后的水泥石和無法分離的細集料一起進行熱處理，在一定溫度下使得這些已經水化了的水泥石再次分解并生成新的水泥熟料。熱處理的溫度可能會由于摻料、細集料黏附程度和工藝等的不同而有所不同。但一般都比生產水泥熟料的溫度要低得多。
4 廢棄混凝土再生水泥的特性及應用
目前，再生水泥所用的原料依廢棄物的種類不同有兩種類型：I型，混凝土工廠淤渣+水淬礦渣+石膏；Ⅱ型：廢棄混凝土砂+水淬礦渣+石膏。
I型水泥的特點：混凝土淤渣是在低溫下干燥的，它同水淬礦渣細粉之間的反應速度很慢。因此，進行干燥時應把溫度提高到200℃左右并以較短的時間完成干燥過程，使淤渣中的水化物鈣礬石脫水分解而非晶質化，加快它與水淬礦渣細粉之間的水化反應速度。
Ⅱ型水泥的特點：混凝土碎砂是用破碎機把廢棄混凝土破碎到30毫米以下，其破碎物再過5毫米篩，利用其通過部分作為混凝土細砂。如同混凝土工廠淤渣那樣不需高溫干燥處理，只需一般的干燥和粉磨就可與水淬礦渣細粉發生水化。作為原料的廢棄混凝土，其水化物的數量越多越好，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廢材等。Ⅱ型水泥較I型水泥的凝結時間更慢；比表面積略小些（比礦渣水泥高）。
研究表明，再生水泥與普通水泥和礦渣水泥相比，具有以下特點：
（1）不經高溫燒成。如前所述，韓國生產的再生水泥的溫度只在700℃左右；生水泥的硬化是混凝土廢棄物或商品混凝土工廠的廢泥漿中占據大多數的水泥水化物與高爐礦渣之間產生的水化反應。
（2）比表面積值大，但砂漿和混凝土的硬化干燥收縮略小些。
（3）與礦渣水泥相比，相同28d強度時所需水泥用量大；長期強度增長率大；若按長期強度設計，可以不增加水泥量。
（4）硬化干燥收縮與用含礦渣30%--60%的礦渣水泥（日本規范中的B種礦渣水泥）配制的同強度混凝土相近。
（5）與B種礦渣水泥相比，抗凍性差。按ASTMC一666進行試驗，凍融后I型、Ⅱ型與B種礦渣水泥相比，動彈模下降稍大。
（6）水化熱低。根據JIS（日本工業協會標準）標準測定水泥的平均發熱量，結果如表1所示。表2是28d相同強度混凝土的相對水化熱比（以每立方米混凝土的發熱量計，并以硅酸鹽水泥混凝土為100）。
由表1可見，無論是溶解熱還是水化熱，再生水泥相比傳統意義的水泥都要低很多。甚至較中熱水泥的水化熱也小很多，尤其是早期（3d）水化熱約減小了50%.這對于大體積混凝土來說無疑是非常有利的。由表2可見，相同強度的混凝土，再生水泥混凝土相比礦渣水泥和硅酸鹽水泥混凝土，在各齡期的發熱量都更低得多，與中熱硅酸鹽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、基礎、樁及大體積混凝土。因為這些部位的混凝土一般不要求非常高的強度，而對水化熱都有較高的要求。
5 結語
根據“材料過程工程學”理論，利用廢棄混凝土開發研制再生水泥是完全可行的，國外成功的應用案例也讓我們看到了此項技術的光明前景。目前，利用再生水泥生產的混凝土主要用于地下混凝土、基礎、樁及大體積混凝土等，其更廣泛的應用還有待進一步研究。另外，混凝土再生水泥制作過程中，還有一些關鍵性的技術問題有待解決，例如細集料的粉磨、水泥石較低溫度的熱處理等。隨著研究的深入、技術水平的提高，廢棄混凝土再生水泥將成為未來綠色膠凝材料的主要發展方向，為混凝土行業的可持續發展提供一條有效的途徑。
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