建筑垃圾再生微粉對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度影響研究①

□□ 焦曉飛 (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，每年將產(chǎn)生上億t的建筑垃圾，2020年我國(guó)建筑垃圾產(chǎn)生量將會(huì)突破30億t，其中以廢混凝土、砂漿、碎磚為主[1]。目前我國(guó)建筑垃圾的處理方法還停留在堆放和填埋階段[2]，資源化率僅在10%左右，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。為實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的資源化利用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，主要集中在再生骨料和再生微粉兩個(gè)研究領(lǐng)域，其中再生骨料的研究應(yīng)用技術(shù)較為成熟，用于部分或全部取代天然骨料制備再生混凝土、砂漿、墻體材料等，并已制定了相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于再生骨料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的約占總質(zhì)量的15%、粒徑<0.16 mm的再生微粉研究應(yīng)用還停留在試驗(yàn)研究階段[3]，剛剛頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 573—2020《混凝土和砂漿用再生微粉》于2020年8月1日起實(shí)施。由于再生微粉具有粒徑小，且有一定活性的特點(diǎn)，當(dāng)前研究最多的是作為礦物摻合料來(lái)代替膠凝材料[4]，考慮到再生微粉工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本和能耗因素，資源化利用程度較低，因此，如何有效激發(fā)再生微粉的活性，以最佳的比例代替膠凝材料，提高再生微粉的回收利用效率具有很高的研究?jī)r(jià)值。

再生微粉的制備工藝有三種[5]，第一種為實(shí)驗(yàn)室對(duì)廢棄的混凝土試塊進(jìn)行破碎、研磨制備得到的微粉，這種微粉數(shù)量少，性能波動(dòng)較大，不適合大規(guī)模使用；第二種為建材生產(chǎn)企業(yè)專業(yè)化設(shè)備生產(chǎn)得到的再生微粉，這種微粉性能穩(wěn)定，但是目前此類生產(chǎn)企業(yè)不多；第三種為再生骨料生產(chǎn)過(guò)程中收集的微細(xì)粉末副產(chǎn)品，生產(chǎn)成本低，數(shù)量多，目前工程應(yīng)用中以路基墊層為主。

再生微粉活性低，未經(jīng)活化處理前，不宜代替水泥使用，余小小等[6]研究發(fā)現(xiàn)：利用氣流粉碎機(jī)對(duì)再生微粉進(jìn)行機(jī)械力活化處理，得到的再生微粉活性高、粒徑分布范圍窄、粒形規(guī)整，替代水泥摻入砂漿中，該砂漿抗壓強(qiáng)度高于摻加振動(dòng)球磨機(jī)制備再生微粉的砂漿強(qiáng)度。此次試驗(yàn)利用氣流粉碎機(jī)激發(fā)建筑垃圾再生微粉活性，粉磨不同時(shí)間，再以不同比例替代水泥制備水泥膠砂試體，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算其強(qiáng)度活性指數(shù)，以分析再生微粉對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 原材料

水泥：太原獅頭中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥；

標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；

水：太原市生活飲用水；

再生微粉：某建筑垃圾處理企業(yè)制備再生骨料過(guò)程中產(chǎn)生的微粉。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

先對(duì)再生微粉的細(xì)度指標(biāo)和化學(xué)成分進(jìn)行分析，將再生微粉利用超微氣流粉碎機(jī)分別粉磨10 min(B組)、20 min(C組)、30 min(D組)、40 min(E組)，然后按照10%、20%、30%比例分別取代水泥并制備成40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試體，試驗(yàn)方案見表1，A組為不摻再生微粉的空白試驗(yàn)。強(qiáng)度檢驗(yàn)按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)至3 d、28 d齡期后測(cè)試其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算再生微粉28 d的活性指數(shù)。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 再生微粉的理化性能

再生微粉的表觀密度約為2 600 kg/m3，比表面積為450～750 m2/kg[7]，平均粒徑為30～50 μm，與P·O水泥相比，再生微粉粒徑大、內(nèi)部孔隙多、自然狀態(tài)下質(zhì)地疏松。按照GB/T 1345—2005《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法(篩析法)》中45 μm負(fù)壓篩析法進(jìn)行測(cè)試，篩析時(shí)間為3 min，測(cè)得再生微粉45 μm篩余量為32.4%，參考JG/T 573—2020《混凝土和砂漿用再生微粉》中的技術(shù)要求，該再生微粉細(xì)度達(dá)到Ⅱ級(jí)再生微粉技術(shù)指標(biāo)≤45.0%。

再生微粉的化學(xué)成分見表2。主要成分為CaO、SiO2、Al2O3，與硅酸鹽水泥和粉煤灰基本一致，只是含量不同，因此，再生微粉具有潛在活性，活性激發(fā)后替代膠凝材料是可行的。從化學(xué)成分推斷，該再生微粉為混凝土和粘土磚的混合再生微粉。

表2 再生微粉的化學(xué)成分

2.2 水泥膠砂強(qiáng)度分析

摻再生微粉的水泥試體3 d、28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表3。不同粉磨時(shí)間、不同再生微粉摻量對(duì)試體3 d和28 d強(qiáng)度影響分析如圖1所示。

表3 水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

圖1 不同粉磨時(shí)間、不同再生微粉摻量對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度影響

從圖1可以看出，隨著再生微粉摻量的增加，水泥膠砂試體3 d和28 d抗壓強(qiáng)度值均有所降低。當(dāng)摻量為30%時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度≥17.0 MPa。這是由于再生微粉在水化早期可以較快的消耗水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2，使其具有較高的早期活性[8]，但28 d抗壓強(qiáng)度均不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度≥42.5 MPa。摻量為20%時(shí)，粉磨時(shí)間在20 min以上的再生微粉28 d抗壓強(qiáng)度才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值；摻量為10%時(shí)，粉磨20 min，28 d的抗壓強(qiáng)度為44.6 MPa，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值；當(dāng)摻量>20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)急劇下降。因此，再生微粉采用超微氣流粉碎機(jī)活性激發(fā)的粉磨時(shí)間宜在20 min以上，且替代水泥摻量不宜超過(guò)20%。

以20%再生微粉摻量為例，不同粉磨時(shí)間對(duì)水泥膠砂試體強(qiáng)度的影響如圖2所示。

圖2 不同粉磨時(shí)間對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，再生微粉的活性逐漸增大，水泥膠砂試體3 d和28 d強(qiáng)度值均所提高，這是由于機(jī)械力活性激發(fā)使得再生微粉中α-SiO2的正四面體結(jié)構(gòu)畸變?yōu)闊o(wú)定形SiO2，增加了再生微粉活性，促進(jìn)水泥水化。

2.3 強(qiáng)度活性指數(shù)

按照J(rèn)G/T 573—2020《混凝土和砂漿用再生微粉》中再生微粉活性指數(shù)測(cè)定方法，再生微粉以30%比例替代水泥制備水泥膠砂試體，養(yǎng)護(hù)28 d齡期后測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，計(jì)算28 d的活性指數(shù)。上述粉磨不同時(shí)間的四組再生微粉試樣28 d活性指數(shù)分別為：66.5%、70.8%、74.2%、75.2%，不同粉磨時(shí)間強(qiáng)度活性指數(shù)的變化如圖3所示。

圖3 不同粉磨時(shí)間強(qiáng)度活性指數(shù)變化情況

從圖3可以看出，再生微粉活性指數(shù)隨粉磨時(shí)間延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，粉磨10 min可達(dá)到Ⅱ級(jí)再生微粉活性指數(shù)技術(shù)指標(biāo)≥60%，粉磨20 min可以達(dá)到Ⅰ級(jí)再生微粉活性指數(shù)技術(shù)指標(biāo)≥70.0%，但粉磨30 min以后，活性指數(shù)的增進(jìn)率略有下降，綜合考慮再生微粉的生產(chǎn)成本，利用超微氣流粉碎機(jī)激發(fā)再生微粉活性的粉磨時(shí)間宜控制在25～30 min。

3 結(jié)論

3.1 建筑垃圾再生微粉具有潛在活性，經(jīng)過(guò)氣流粉碎機(jī)活化處理，可有效提高其活性，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，活性逐漸增大，最佳粉磨時(shí)間宜控制在25～30 min。

3.2 再生微粉作為輔助膠凝材料替代水泥制備水泥膠砂試體，相同粉磨時(shí)間條件下，隨著再生微粉摻量增加，水泥膠砂強(qiáng)度逐漸下降，替代水泥摻量宜控制在20%以下。