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周宏友 徐 亮
江苏省南京市94968部队 南京 210000
【摘 要】建筑垃圾再生利用是提高混凝土产业绿色节能化的一项有效技术措施，针对建筑垃圾再生微粉的制备方法与工艺及其对再生微粉的性能的影响，对机械细化、热处理及复合活化等技术的存在的优缺点进行了分析与讨论，并对再生微粉在混凝土工程中的推广和应用作出了展望。
【关键词】再生微粉；廢旧混凝土；建筑垃圾；机械细化；热处理；复合活化
目前我国处于大规模的城镇化进程中，城镇建设过程中需要拆除众多老旧混凝土建筑，导致近年来建筑垃圾剧增。目前，我国每年因拆除老旧建筑物所产生的建筑垃圾约1亿吨，其中约三分之一是混凝土废弃物。这些废弃混凝土若不加以适当利用，将会侵占大量的土地资源，并对环境产生严重污染，这已成不容忽视的社会与经济问题。节能减排、绿色环保、走可持续发展道路是建筑工业的方向。将废弃混凝土中粒径小于0.16mm的微细粉料替代部分水泥作为活性胶凝材料或矿物掺合料的再生微粉技术越来越受到国内外的重视，也开展了大量研究，但是我国还未制定相应的生产标准，再生微粉的分离工艺和处理方法也需要进一步分析比较，以期找到既经济又实用的再生微粉制备方法。目前再生微粉主要的强化技术包括三种：一是机械细化，将收集到的粉料用球磨机磨到一定细度再利用；二是复合活化处理技术，选择矿渣、硅粉和粉煤灰等与再生微粉进行不同比例复合，根据混合材料的活性决定胶凝材料与矿物掺合料的最优配合比；三是加热处理技术，选择不同加热工艺参数对再生微粉进行活化处理。
1 再生微粉的制备方法
李建勇[1]介绍了建筑垃圾再生微粉生产技术的四个主要步骤：（1）使用大型破碎机初级破碎大块废弃混凝土，并将破碎物进行混合均化；（2）通过磁选、风选或人工分检等工艺对经初级均化的混凝土碎块进行处理，剔除玻璃碎片、塑料等杂物，并进行筛分、水洗等，然后进行二次混合均化，得到较洁净的废弃混凝土处理品；（3）对洁净废弃混凝土料进行二次破碎，并通过筛分装置分离出再生粗骨料和细骨料；（4）将再生骨料烘干处理后，经配料计量和三次混合均化，进行细碎和粉磨，通过选粉机分离出再生微粉。这里所生产的再生微粉的主要组成材料包括水泥石粉、石灰石粉和粘土砖粉，及少量的石英粉。再生微粉的化学成分主要有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO。与砖瓦粘土相比，再生微粉中的SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量较低，但CaO和MgO的含量偏高。这表明，再生微粉中除含有粘土砖材料外，还含有石灰石粉和水泥石粉。
再生微粉也可通过颗粒整形技术获得[2]。在整形过程中，骨料相互碰撞，其棱角和附着在骨料表面的砂浆被冲击，粒径较大的颗粒，通过筛分，成为粒形较好的再生粗骨料；在撞击过程中形成的粒径<0.16mm的微粉，通过引风机的作用，随气流进入除尘器并被收集，成为再生微粉。再生微粉的质量约占原料总质量的1/7～1/5。再生微粉的主要成分是SiO2，衍射图中难以发现硅酸钙、铝酸钙等晶体的衍射峰，表明再生微粉中的水泥已基本完成水化。
利用热处理与机械粉细化相结合的技术措施亦可进行废弃混凝土的骨料与砂浆的分离[3]。将废弃混凝土在150℃～500℃下进行热处理，然后分别在球磨机和振动磨中粉碎。结果表明，随着热处理温度的提高，分离效率明显提高；热处理的温度较低时，相对于振动粉碎，球磨粉碎的分离效率较高；但是经500℃热处理后，振动粉碎的分离效率要高于球磨粉碎。因此再生微粉制备过程中可以考虑在二次破碎与筛分之前将骨料加热到300℃以上。Yu等[4]，将再生混凝土细骨料以及它所含的水化水泥浆（HCP）在火炉中加热到500℃，然后继续加热1小时，轻微粉磨之后过75μm的筛可以将砂子和HCP分离开。
综上所述，可直接采用颗粒整形技术，也可将再生骨料加热至300℃左右，再放入颗粒整形设备来制备微粉，这样既能提高再生微粉产率，也能得到高质量的再生骨料。
2.机械细化对再生微粉性能的影响
机械细化再生微粉由于所用的球磨机型号及球磨时间不同，所磨出粉料的细度有差异。
细度的控制通过改变粉磨时间和磨粉机的配置来达到[5]。粉料在粉磨过程中只用中心圆柱棒进行粉磨10min，有85%通过75μm筛；额外加钢球粉磨10或20min，有85%通过45μm筛。
马纯滔[6]用球磨机将细粉磨细为2种不同细度的细粉-再生混凝土微粉和再生砖微粉，其比表面积均大于400m2/kg。孙岩[7]为了确定球磨时间对再生微粉细度的影响，测定不同球磨时间下75μm筛的通过率。在球磨的过程中，随着球磨时间不断延长，75μm筛的通过率不断增大，这充分表明，经过球磨机球磨后再生混凝土微粉的粒径不断减小，呈变细的趋势，当球磨时间为150分钟时，再生微粉通过75μm筛的通过率达78%，已满足我国有关标准规范对矿粉的粒径的要求。如果要再继续增加球磨时间，再生混凝土微粉的通过率一定会继续提高，但是由于球磨时间越长，再生混凝土微粉就会更加的细，球磨效率也就会越低，同时还会消耗电能，使得成本增高，经济效益降低。因此，综合考虑以上各个因素，确定最佳的球磨时间为150分钟，能够满足我国规范要求。
综上所述，再生微粉的粉磨细化存在以下问题：1）粉磨设备不同导致粉磨时间有差异，实际应用时还需有针对性的确定粉磨工艺；2）粉磨原料不同，所需粉磨时间也不一样，这样实际应用中还需根据实际所用原料来确定粉磨工艺；3）从实际水泥粉磨工艺来看，有添加助磨剂这种措施来提高粉磨效率，所以微粉制备过程中也可考虑添加助磨剂来缩短所需粉磨时间。
3.热处理工艺对再生微粉性能的影响
热处理工艺不同，脱水水泥浆的物相也有所变化。Alonso[8]等将水泥净浆加热到不同温度，用XRD分析其物相组成的变化。当其加热到450℃时，XRD图谱显示含有C2S，Ca（OH）2，Ca4Al2Fe2O10和CaCO3；当期加热到750℃时，增加了物相石灰CaO，而碳酸钙消失。潘国耀[9]研究水化硅酸钙在200℃～800℃脱水过程中发生的组成和结构的变化和其脱水相再水化，发现C-S-H在400℃～800℃之间脱水，生成脱水相的结构为无定形结构，处于介稳状态；脱水相具有非常大的比表面积，其中400℃时脱水相的比表面积最大；随着温度的增高，比表面积开始减小，脱水温度在800℃时，比表面积锐减。400℃～800℃之间的脱水相再次水化时具有一定胶凝能力；脱水的温度越高，水化放热速率和水化速度越快。 水泥石在受热分解过程中C-S-H中相当部分[SiO4]四面体链断裂，形成孤立的[SiO4]四面体，并且脱水相中f-CaO含量有效降低，并生成了β-C2S[10]。这是因为：一方面，水泥石受热分解产生的f-CaO会与具有高反应活性的C-S-H结构解体中间相生成具有水化胶凝能力的β-C2S；另一方面，采用湿混方法处理的原材料可以使水泥石中的Ca（OH）2与高活性硅质原料反应，生成更多的C-S-H，同时，由于反应消耗了水泥石中的部分Ca（OH）2，一定程度上降低了再生胶凝材料中CaO的含量，并且混合料中更多的C-S-H会在煅烧过程中产生更多的β-C2S。而且煅烧温度会影响再生微粉的再水化的速率，当煅烧温度为600°C～700°C时，脱水相都具有较高的水化活性，而且改性再生胶凝材料早期水化放热速率随煅烧温度的提高而降低，后期水化放热速率随着煅烧温度的提高而提高，但是，当煅烧温度为750°C时，脱水相水化活性会有所降低。这里最优加热温度为700℃。
胡曙光[11]将所分离的再生微粉分别在400℃、600℃和800℃温度下进行锻烧处理，在再生微粉锻烧过程中，原有的各种水化产物均逐步分解。400℃时，钙矾石会完全分解，CH和C-S-H凝胶会部分分解；600℃时，CH己完全分解，C-S-H凝胶也基本分解完毕，而当煅烧温度超过800℃后，C-S-H凝胶分解产物产生了晶型转变，水化活性提高。
吕林女[12]研究了水泥石粉在400℃、650℃及900℃下煅烧并保温30min后的产物活性。结果表明，水泥石粉在400℃、650℃温度下经过煅烧后，重新具备了水化活性，经650℃处理的产物的水化活性最高，温度升至900℃后，煅烧产物水化活性降低。
Shui[13]等人研究了水化水泥浆（HCP）在不同脫水温度下的胶凝特征。水化水泥浆粉末在300℃～900℃之间不同温度加热。每种再水化水泥浆（DCP）的胶凝性能通过标准稠度用水量、凝结时间、水化程度、抗压强度和微结构演变来表征。具体加热条件为从室温以10℃/min加热到所需的温度，然后保持2.5h，之后在火炉中冷却到室温。HCP加热脱水温度越高，DCP保持标准稠度的需水量越大，DCP的凝结时间越短，而且DCP的微结构逐渐变得更密实。DCP的胶凝性能很大程度上取决于HCP的加热脱水温度。
吕雪源[14]将颗粒整形过程收集到的再生微粉分别在200℃、400℃、600℃和800℃进行热处理，发现随热处理温度的提高，再生微粉的活性显著提高，在热处理温度为600℃时，再生微粉的活性达到最高，但当热处理温度到800℃后，其活性又显著降低。
上述处理方法存在以下问题：1）再生微粉来源不同，其最优处理温度也不同。所以实际应用过程首先搞清楚微粉的来源，再根据其成分和实际实验结果来确定最优热处理温度。2）热处理工艺还需要考虑生产成本，所以温度不宜过高，同时又需要保证微粉具有较高的活性，这就需要权衡性价比来做出较好的选择。
4.复合活化处理对再生微粉性能的影响
Shui[15]研究利用脱水水泥净浆（DCP）激活粉煤灰的实用性。低钙粉煤灰用DCP激活，DCP在650℃加热，达到此温度后继续在炉中放置6h，然后快速冷却到室温。XRD发现DCP的主要晶相是方解石、CaO、Ca3SiO5、β-Ca2SiO4和α′-Ca2SiO4。采用粉煤灰与DCP不同比例来配制样品，测试发现活化粉煤灰/DCP浆体强度取决于混合物的理论钙硅比。当理论钙硅比为理想值0.953时，浆体强度为60.8MPa。XRD和SEM测试结果显示，当理论钙硅比为理想值时粉煤灰可完全与DCP反应，得到密实的微结构。
Lv[16]比较了水泥浆脱水相与火山灰质掺合料混合胶凝材料的性能，发现添加粉煤灰（FA）或粒化高炉矿渣（GGBFS）能够提高再生胶凝材料（RBM）浆体的工作性，GGBFS对RBM浆体强度有积极影响。RBM与FA和GGBFS相互发生火山灰质反应。由于RBM中存在高活性f-CaO，RBM对FA和GGBFS的激活作用比P·O 32.5水泥对其的激活作用较大，特别是早期。由于RBM和火山灰质掺合料存在协同效应，可以将它们结合起来
江苏省南京市94968部队 南京 210000
【摘 要】建筑垃圾再生利用是提高混凝土产业绿色节能化的一项有效技术措施，针对建筑垃圾再生微粉的制备方法与工艺及其对再生微粉的性能的影响，对机械细化、热处理及复合活化等技术的存在的优缺点进行了分析与讨论，并对再生微粉在混凝土工程中的推广和应用作出了展望。
【关键词】再生微粉；廢旧混凝土；建筑垃圾；机械细化；热处理；复合活化
目前我国处于大规模的城镇化进程中，城镇建设过程中需要拆除众多老旧混凝土建筑，导致近年来建筑垃圾剧增。目前，我国每年因拆除老旧建筑物所产生的建筑垃圾约1亿吨，其中约三分之一是混凝土废弃物。这些废弃混凝土若不加以适当利用，将会侵占大量的土地资源，并对环境产生严重污染，这已成不容忽视的社会与经济问题。节能减排、绿色环保、走可持续发展道路是建筑工业的方向。将废弃混凝土中粒径小于0.16mm的微细粉料替代部分水泥作为活性胶凝材料或矿物掺合料的再生微粉技术越来越受到国内外的重视，也开展了大量研究，但是我国还未制定相应的生产标准，再生微粉的分离工艺和处理方法也需要进一步分析比较，以期找到既经济又实用的再生微粉制备方法。目前再生微粉主要的强化技术包括三种：一是机械细化，将收集到的粉料用球磨机磨到一定细度再利用；二是复合活化处理技术，选择矿渣、硅粉和粉煤灰等与再生微粉进行不同比例复合，根据混合材料的活性决定胶凝材料与矿物掺合料的最优配合比；三是加热处理技术，选择不同加热工艺参数对再生微粉进行活化处理。
1 再生微粉的制备方法
李建勇[1]介绍了建筑垃圾再生微粉生产技术的四个主要步骤：（1）使用大型破碎机初级破碎大块废弃混凝土，并将破碎物进行混合均化；（2）通过磁选、风选或人工分检等工艺对经初级均化的混凝土碎块进行处理，剔除玻璃碎片、塑料等杂物，并进行筛分、水洗等，然后进行二次混合均化，得到较洁净的废弃混凝土处理品；（3）对洁净废弃混凝土料进行二次破碎，并通过筛分装置分离出再生粗骨料和细骨料；（4）将再生骨料烘干处理后，经配料计量和三次混合均化，进行细碎和粉磨，通过选粉机分离出再生微粉。这里所生产的再生微粉的主要组成材料包括水泥石粉、石灰石粉和粘土砖粉，及少量的石英粉。再生微粉的化学成分主要有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO。与砖瓦粘土相比，再生微粉中的SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量较低，但CaO和MgO的含量偏高。这表明，再生微粉中除含有粘土砖材料外，还含有石灰石粉和水泥石粉。
再生微粉也可通过颗粒整形技术获得[2]。在整形过程中，骨料相互碰撞，其棱角和附着在骨料表面的砂浆被冲击，粒径较大的颗粒，通过筛分，成为粒形较好的再生粗骨料；在撞击过程中形成的粒径<0.16mm的微粉，通过引风机的作用，随气流进入除尘器并被收集，成为再生微粉。再生微粉的质量约占原料总质量的1/7～1/5。再生微粉的主要成分是SiO2，衍射图中难以发现硅酸钙、铝酸钙等晶体的衍射峰，表明再生微粉中的水泥已基本完成水化。
利用热处理与机械粉细化相结合的技术措施亦可进行废弃混凝土的骨料与砂浆的分离[3]。将废弃混凝土在150℃～500℃下进行热处理，然后分别在球磨机和振动磨中粉碎。结果表明，随着热处理温度的提高，分离效率明显提高；热处理的温度较低时，相对于振动粉碎，球磨粉碎的分离效率较高；但是经500℃热处理后，振动粉碎的分离效率要高于球磨粉碎。因此再生微粉制备过程中可以考虑在二次破碎与筛分之前将骨料加热到300℃以上。Yu等[4]，将再生混凝土细骨料以及它所含的水化水泥浆（HCP）在火炉中加热到500℃，然后继续加热1小时，轻微粉磨之后过75μm的筛可以将砂子和HCP分离开。
综上所述，可直接采用颗粒整形技术，也可将再生骨料加热至300℃左右，再放入颗粒整形设备来制备微粉，这样既能提高再生微粉产率，也能得到高质量的再生骨料。
2.机械细化对再生微粉性能的影响
机械细化再生微粉由于所用的球磨机型号及球磨时间不同，所磨出粉料的细度有差异。
细度的控制通过改变粉磨时间和磨粉机的配置来达到[5]。粉料在粉磨过程中只用中心圆柱棒进行粉磨10min，有85%通过75μm筛；额外加钢球粉磨10或20min，有85%通过45μm筛。
马纯滔[6]用球磨机将细粉磨细为2种不同细度的细粉-再生混凝土微粉和再生砖微粉，其比表面积均大于400m2/kg。孙岩[7]为了确定球磨时间对再生微粉细度的影响，测定不同球磨时间下75μm筛的通过率。在球磨的过程中，随着球磨时间不断延长，75μm筛的通过率不断增大，这充分表明，经过球磨机球磨后再生混凝土微粉的粒径不断减小，呈变细的趋势，当球磨时间为150分钟时，再生微粉通过75μm筛的通过率达78%，已满足我国有关标准规范对矿粉的粒径的要求。如果要再继续增加球磨时间，再生混凝土微粉的通过率一定会继续提高，但是由于球磨时间越长，再生混凝土微粉就会更加的细，球磨效率也就会越低，同时还会消耗电能，使得成本增高，经济效益降低。因此，综合考虑以上各个因素，确定最佳的球磨时间为150分钟，能够满足我国规范要求。
综上所述，再生微粉的粉磨细化存在以下问题：1）粉磨设备不同导致粉磨时间有差异，实际应用时还需有针对性的确定粉磨工艺；2）粉磨原料不同，所需粉磨时间也不一样，这样实际应用中还需根据实际所用原料来确定粉磨工艺；3）从实际水泥粉磨工艺来看，有添加助磨剂这种措施来提高粉磨效率，所以微粉制备过程中也可考虑添加助磨剂来缩短所需粉磨时间。
3.热处理工艺对再生微粉性能的影响
热处理工艺不同，脱水水泥浆的物相也有所变化。Alonso[8]等将水泥净浆加热到不同温度，用XRD分析其物相组成的变化。当其加热到450℃时，XRD图谱显示含有C2S，Ca（OH）2，Ca4Al2Fe2O10和CaCO3；当期加热到750℃时，增加了物相石灰CaO，而碳酸钙消失。潘国耀[9]研究水化硅酸钙在200℃～800℃脱水过程中发生的组成和结构的变化和其脱水相再水化，发现C-S-H在400℃～800℃之间脱水，生成脱水相的结构为无定形结构，处于介稳状态；脱水相具有非常大的比表面积，其中400℃时脱水相的比表面积最大；随着温度的增高，比表面积开始减小，脱水温度在800℃时，比表面积锐减。400℃～800℃之间的脱水相再次水化时具有一定胶凝能力；脱水的温度越高，水化放热速率和水化速度越快。 水泥石在受热分解过程中C-S-H中相当部分[SiO4]四面体链断裂，形成孤立的[SiO4]四面体，并且脱水相中f-CaO含量有效降低，并生成了β-C2S[10]。这是因为：一方面，水泥石受热分解产生的f-CaO会与具有高反应活性的C-S-H结构解体中间相生成具有水化胶凝能力的β-C2S；另一方面，采用湿混方法处理的原材料可以使水泥石中的Ca（OH）2与高活性硅质原料反应，生成更多的C-S-H，同时，由于反应消耗了水泥石中的部分Ca（OH）2，一定程度上降低了再生胶凝材料中CaO的含量，并且混合料中更多的C-S-H会在煅烧过程中产生更多的β-C2S。而且煅烧温度会影响再生微粉的再水化的速率，当煅烧温度为600°C～700°C时，脱水相都具有较高的水化活性，而且改性再生胶凝材料早期水化放热速率随煅烧温度的提高而降低，后期水化放热速率随着煅烧温度的提高而提高，但是，当煅烧温度为750°C时，脱水相水化活性会有所降低。这里最优加热温度为700℃。
胡曙光[11]将所分离的再生微粉分别在400℃、600℃和800℃温度下进行锻烧处理，在再生微粉锻烧过程中，原有的各种水化产物均逐步分解。400℃时，钙矾石会完全分解，CH和C-S-H凝胶会部分分解；600℃时，CH己完全分解，C-S-H凝胶也基本分解完毕，而当煅烧温度超过800℃后，C-S-H凝胶分解产物产生了晶型转变，水化活性提高。
吕林女[12]研究了水泥石粉在400℃、650℃及900℃下煅烧并保温30min后的产物活性。结果表明，水泥石粉在400℃、650℃温度下经过煅烧后，重新具备了水化活性，经650℃处理的产物的水化活性最高，温度升至900℃后，煅烧产物水化活性降低。
Shui[13]等人研究了水化水泥浆（HCP）在不同脫水温度下的胶凝特征。水化水泥浆粉末在300℃～900℃之间不同温度加热。每种再水化水泥浆（DCP）的胶凝性能通过标准稠度用水量、凝结时间、水化程度、抗压强度和微结构演变来表征。具体加热条件为从室温以10℃/min加热到所需的温度，然后保持2.5h，之后在火炉中冷却到室温。HCP加热脱水温度越高，DCP保持标准稠度的需水量越大，DCP的凝结时间越短，而且DCP的微结构逐渐变得更密实。DCP的胶凝性能很大程度上取决于HCP的加热脱水温度。
吕雪源[14]将颗粒整形过程收集到的再生微粉分别在200℃、400℃、600℃和800℃进行热处理，发现随热处理温度的提高，再生微粉的活性显著提高，在热处理温度为600℃时，再生微粉的活性达到最高，但当热处理温度到800℃后，其活性又显著降低。
上述处理方法存在以下问题：1）再生微粉来源不同，其最优处理温度也不同。所以实际应用过程首先搞清楚微粉的来源，再根据其成分和实际实验结果来确定最优热处理温度。2）热处理工艺还需要考虑生产成本，所以温度不宜过高，同时又需要保证微粉具有较高的活性，这就需要权衡性价比来做出较好的选择。
4.复合活化处理对再生微粉性能的影响
Shui[15]研究利用脱水水泥净浆（DCP）激活粉煤灰的实用性。低钙粉煤灰用DCP激活，DCP在650℃加热，达到此温度后继续在炉中放置6h，然后快速冷却到室温。XRD发现DCP的主要晶相是方解石、CaO、Ca3SiO5、β-Ca2SiO4和α′-Ca2SiO4。采用粉煤灰与DCP不同比例来配制样品，测试发现活化粉煤灰/DCP浆体强度取决于混合物的理论钙硅比。当理论钙硅比为理想值0.953时，浆体强度为60.8MPa。XRD和SEM测试结果显示，当理论钙硅比为理想值时粉煤灰可完全与DCP反应，得到密实的微结构。
Lv[16]比较了水泥浆脱水相与火山灰质掺合料混合胶凝材料的性能，发现添加粉煤灰（FA）或粒化高炉矿渣（GGBFS）能够提高再生胶凝材料（RBM）浆体的工作性，GGBFS对RBM浆体强度有积极影响。RBM与FA和GGBFS相互发生火山灰质反应。由于RBM中存在高活性f-CaO，RBM对FA和GGBFS的激活作用比P·O 32.5水泥对其的激活作用较大，特别是早期。由于RBM和火山灰质掺合料存在协同效应，可以将它们结合起来