水泥摻量對再生水泥砂漿力學性能的影響

闞濤,李俠,周曉靜,張愛勤

(1.山東交通學院 山東省高校路面結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，山東 濟南　250357;2.山東省威海公路勘察設(shè)計院，山東 威?！?64200)

隨著城市化推進與城市規(guī)模的不斷擴展，舊建筑物拆除過程中產(chǎn)生大量的建筑垃圾。截至2014年底，我國建筑垃圾排放質(zhì)量占城市垃圾總量的40%以上[1]，據(jù)相關(guān)部門推測，我國每年20億m3以上的工程量仍將持續(xù)10～15 a，建筑垃圾將以約6億t的年排放量繼續(xù)增加[2]。巨大的建筑垃圾儲量給研究者提出了新的方向?，F(xiàn)階段對建筑垃圾再生粗骨料的回收研究取得了一定成果，但再生破碎工序中產(chǎn)生的大量細粒料的利用率僅達到建筑垃圾回收利用總量的10%[3]。為解決我國土木工程建設(shè)砂石資源嚴重枯竭與建筑垃圾細渣料再生利用率低的問題，本文主要利用建筑垃圾再生砂替代天然砂配制再生水泥砂漿，研究水泥摻量對其強度與變形性能的影響。這對解決砂資源短缺和治理環(huán)境污染等問題具有重要的現(xiàn)實意義。

1　原材料

1.1　建筑垃圾再生砂

建筑垃圾原料主要以拆除的混凝土為主，對其進行破碎、篩分、二次破碎篩分處理后，得到建筑垃圾再生砂。再生砂成分較為復雜，主要有水泥水化產(chǎn)物、碎石塊、碎磚塊、木料等其他雜物[4-6]。建筑垃圾再生砂與天然砂基本性能指標試驗結(jié)果見表1、2。

表1　建筑垃圾再生砂與天然砂的性能指標

對比分析表1，建筑垃圾再生砂與天然砂的基本性能指標存在一定差異。再生砂顆粒內(nèi)部微裂紋多，空隙率大，開口且連通的孔隙多，粉料含量高，比表面積大[7]。

表2　砂篩分結(jié)果(累計篩余)　%

計算得，建筑垃圾再生砂細度模數(shù)為2.44，天然砂細度模數(shù)為2.77，屬于中砂。篩分結(jié)果基本符合機制砂與天然砂顆粒級配要求[8]，但建筑垃圾再生砂偏細。

1.2　水泥

采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理力學性能指標見表3。經(jīng)檢測水泥各項指標均符合相關(guān)的技術(shù)要求[9]。

表3　P.O42.5普通硅酸鹽水泥性能指標

2　試驗

2.1　試驗方案

用建筑垃圾再生砂全部代替天然砂，制作建筑垃圾再生水泥砂漿，研究水泥摻量對再生水泥砂漿抗折強度、抗壓強度和干燥收縮性能的影響。傳統(tǒng)水泥砂漿強度試驗的灰砂比采用1:3或1:4[10]。由于建筑垃圾再生砂來源復雜，綜合分析其應(yīng)用狀況與適應(yīng)性，適當擴大灰砂比的范圍，確定采用灰砂比為1:9、1:4、1:2.3、1:1.5、1:1五個配合比進行研究，即全部固體材料中水泥的質(zhì)量分數(shù)(摻量)分別為10%、20%、30%、40%、50%，用水量則根據(jù)水泥砂漿稠度達到一定合理的范圍(20～30 mm)確定[11]。普通水泥砂漿對照試驗采用相同的灰砂比，用水量確定方法與再生水泥砂漿用水量確定方法相同。

2.2　成型及養(yǎng)護方法

再生水泥砂漿和普通水泥砂漿的抗折強度和抗壓強度試驗采用ISO法，測定各水泥摻量的再生水泥砂漿7、28、60 d 3個齡期的抗壓強度和抗折強度。采用振動成型，標準試件為40 mm×40 mm×160 mm，試件在(20±1)℃、相對濕度大于95%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h拆模，拆模后放入(20±1)℃水中養(yǎng)護至上述齡期。

再生水泥砂漿的干縮采用砌墻磚干燥收縮試驗方法[12]，干縮試件采用振動成型，用各水泥摻量的再生水泥砂漿制作3個兩端帶有收縮頭、尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的標準試件，24 h拆模后放入恒溫水槽養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為(20±1)℃。

3　試驗結(jié)果與分析

3.1　水泥摻量對抗壓強度的影響

分別采用再生砂與天然砂按標準方法制備水泥砂漿試件，水中養(yǎng)護至7、28、60 d齡期，進行抗壓強度試驗，加載速率為2.4 kN/s。水泥砂漿抗壓強度試驗結(jié)果見表4。在水泥砂漿稠度基本相同的條件下，對比分析再生水泥砂漿與普通水泥砂漿的抗壓強度。

表4　水泥砂漿抗壓強度試驗匯總

由表4可知，再生水泥砂漿和普通水泥砂漿7、28、60 d齡期抗壓強度均隨水泥摻量增加而提高，且強度變化的整體趨勢相同。再生水泥砂漿和普通水泥砂漿抗壓強度從7～28 d增長較快， 28～60 d增長緩慢。不同水泥摻量的再生水泥砂漿7～28 d的抗壓強度增長幅度為3.1～11.6 MPa，而28～60 d的抗壓強度增長幅度為1.6～3.3 MPa，可見，再生水泥砂漿早期強度較高，后期強度增長緩慢。當水泥摻量較大時，7 d的抗壓強度再生水泥砂漿比普通水泥砂漿大，而當試件養(yǎng)護到28 d和60 d時，再生水泥砂漿的抗壓強度小于普通水泥砂漿?？傮w分析認為，再生水泥砂漿較普通水泥砂漿的抗壓強度普遍降低，但相差不大，且隨著水泥摻量的增加，強度差距逐漸縮小。

再生水泥砂漿28 d抗壓強度為9.8 ～57.5 MPa。目前我國現(xiàn)行規(guī)范劃分建筑砂漿等級為M5～M30[13]，可見，當水泥摻量不超過30%時均可滿足砂漿的強度等級要求。當水泥摻量大于30%時，可配置更高強度的再生水泥砂漿，如M40、M50以滿足建筑砂漿實際工程需求。

3.2　水泥摻量對抗折強度的影響

將再生水泥砂漿試件置于砂漿抗折儀上，試驗加載速率為0.05 kN/s，試件受彎拉力折斷后的試驗結(jié)果見表5。

表5　水泥砂漿抗折強度試驗結(jié)果

由表5可知，再生水泥砂漿和普通水泥砂漿7、28、60 d抗折強度均隨水泥摻量的增加而提高，其抗折強度與水泥摻量大致呈線性關(guān)系。當水泥摻量從10%增加到50%時，再生水泥砂漿7、28、60 d抗折強度增加較快，7～28、28～60 d抗折強度平均增幅分別為1.0、0.6 MPa，可見，各水泥摻量再生砂漿的早期抗折強度較后期增長較快。除水泥摻量為10%的再生水泥砂漿較普通水泥砂漿抗折強度高以外，其它水泥摻量的普通水泥砂漿較再生水泥砂漿各齡期的抗折強度均高，但相差較小。

分析導致上述現(xiàn)象的原因，砂漿強度取決于砂與水泥接觸界面水泥漿的數(shù)量和性質(zhì)，水泥摻量越大，接觸界面水泥漿的數(shù)量越多，接觸界面越牢固，水泥砂漿7、28、60 d強度均隨水泥摻量的增加而提高[14]。由于建筑垃圾再生砂中有一定含量的未水化水泥和活性粉料，在試件養(yǎng)護前期，這些組分可以產(chǎn)生具有黏結(jié)作用的水化產(chǎn)物，提高再生水泥砂漿的早期抗壓強度[15]。養(yǎng)護到28 d和60 d時，抗壓強度主要由水泥水化產(chǎn)物和砂粒提供，未水化水泥和活性粉料繼續(xù)水化的產(chǎn)物的比例減少，黏結(jié)作用相對減小，而且建筑垃圾再生砂內(nèi)部的微裂紋多，從而降低再生水泥砂漿的抗壓強度[16-17]。

3.3　水泥摻量對干縮的影響

標準試件養(yǎng)護4 d，測量原始長度，然后放入溫度為(50±1)℃、濕度以飽和氯化鈣控制的鼓風干燥箱中干燥，每隔1 d測量一次長度，直至2 d讀數(shù)相差不大于0.01 mm。干燥收縮變化如圖1所示。

a)再生水泥砂漿　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b)普通水泥砂漿圖1　不同水泥摻量砂漿干燥收縮變化規(guī)律

由圖1知，再生水泥砂漿和普通水泥砂漿的干燥收縮均隨著水泥摻量的增加而增大。水泥摻量從10%增加到50%，干燥收縮增加0.28 mm/m，水泥摻量每增加10%,干燥收縮平均增加0.07 mm/m。再生水泥砂漿干燥試件0～3 d齡期時干燥收縮增長最快，3～5 d收縮略有降低，齡期大于5 d時，其干燥收縮平穩(wěn)。再生水泥砂漿水泥摻量越大，其干燥收縮達到穩(wěn)定的齡期越長。對比分析可以看出，再生水泥砂漿干燥收縮大于普通水泥砂漿的干燥收縮，但差距很小。

分析原因認為，砂在水泥砂漿中可以起到一定的骨架作用，隨著水泥摻量增加，砂的用量減少，因而骨架作用減小，砂漿抵抗收縮的能力減弱[18]，干燥收縮增大。水泥在水化反應(yīng)時體積收縮，水泥摻量越大，水泥水化引起的收縮越大，干燥收縮也越大。建筑垃圾再生砂存在裂縫，導致其承載能力較天然砂低，減弱了再生砂顆粒在砂漿中的骨架作用，也是增大干燥收縮量的原因之一[19-21]。

4　結(jié)語

1)隨著水泥摻量的增加，再生水泥砂漿的抗壓強度、抗折強度與普通水泥砂漿的變化規(guī)律基本相似，均隨水泥摻量的增加而提高。

2)再生水泥砂漿在水泥摻量≤30%時，其抗壓強度可滿足M5～M30的要求，增大水泥摻量可配置M40～M50較高強度等級的再生水泥砂漿。

3)再生水泥砂漿干燥收縮大于普通水泥砂漿干燥收縮，且隨水泥摻量的增加而增大，干燥穩(wěn)定所需要的齡期隨水泥摻量的增大而延長。

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