建筑垃圾再生微粉對(duì)水泥凈漿性能的影響

王炳雷， 呂泊寧， 姚坤宇， 顏士榮

(1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院， 濟(jì)南 250061; 2. 泰安(山東大學(xué))城鄉(xiāng)固廢綜合利用研究院， 泰安 271000)

2020年9月，中國(guó)明確提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)限制高碳排放產(chǎn)業(yè)，水泥等建筑原材料生產(chǎn)受到影響。同時(shí)，城市化大規(guī)模的拆遷產(chǎn)生了大量建筑廢棄物，其中廢棄的混凝土占了很大比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界多數(shù)國(guó)家的建筑垃圾數(shù)量占城市垃圾的30%～40%[1]。中國(guó)每年產(chǎn)生的廢棄混凝土近億噸[2-3]。廢棄混凝土傳統(tǒng)的處理方式以填埋為主[4-7]，不僅未能充分利用廢棄資源，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[8]。目前國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者們對(duì)廢棄混凝土的再生利用主要分為兩種途徑[9-14]：一種是作為再生骨料使用，另一種是制備成再生微粉作為輔助膠凝材料以一定的比例替代水泥使用。而將廢棄混凝土破碎后作為再生骨料生產(chǎn)建筑材料的性能由于再生骨料的自身缺陷和內(nèi)部多重界面過(guò)渡區(qū)的復(fù)雜性，其力學(xué)性能、耐久性能等均有降低[15]，因此許多專家學(xué)者提出將廢棄混凝土研磨為再生微粉應(yīng)用于綠色建筑材料的研發(fā)與利用中。

Duan等[16]研究表明，廢棄混凝土資源化利用生產(chǎn)的再生微粉中含有的SiO2和Al2O3具有潛在的活性，且具有細(xì)度高、粒度分布良好的特點(diǎn)。馬郁[17]發(fā)現(xiàn)通過(guò)研磨的方式可以增大再生微粉的比表面積并將其中SiO2的晶體硅轉(zhuǎn)化為具有不穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)的無(wú)定型硅。田青等[18]通過(guò)加熱的方式可以使C—S—H凝膠[Ca5Si6O16(OH)·4H2O]、Ca(OH)2晶體脫水重新具有水化膠凝能力從而提高再生微粉的水化活性。呂雪源等[12]證明經(jīng)過(guò)煅燒過(guò)后的再生微粉活性強(qiáng)于普通再生微粉，水泥膠砂的強(qiáng)度比隨再生微粉熱處理溫度的升高而提高，當(dāng)熱處理溫度達(dá)到800 ℃時(shí)膠砂強(qiáng)度比明顯下降。華天星[19]采用多種測(cè)試手段探究了煅燒溫度對(duì)改性再生微粉在650～700 ℃下脫水相的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及活性，探明最佳煅燒溫度。 Schackow等[20]通過(guò)X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)和傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR)分析表明，粉末狀黏土磚廢料在700 ℃煅燒后形成脫羥基高嶺石和無(wú)定形二氧化硅，具有與火山灰材料相似的特征。

廢棄混凝土生產(chǎn)再生骨料技術(shù)已較為成熟，國(guó)家已頒布了相關(guān)使用規(guī)范。但基于再生微粉作為輔助膠凝材料[21-22]在實(shí)際工程中應(yīng)用還有待更加深入的研究。除以上學(xué)者對(duì)再生微粉最佳煅燒溫度和再生微粉水泥凈漿力學(xué)性能的試驗(yàn)，再生微粉在實(shí)際工程應(yīng)用中的工作性能、力學(xué)強(qiáng)度、水化過(guò)程中微觀形貌仍有待探究。

針對(duì)以上問(wèn)題，現(xiàn)設(shè)計(jì)普通再生微粉和700 ℃低溫煅燒再生微粉工作性能、力學(xué)強(qiáng)度和活性指數(shù)的測(cè)定，采用再生微粉強(qiáng)度活性指數(shù)作為兩種再生微粉膠凝能力的評(píng)價(jià)方式，并借助掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖從微觀角度說(shuō)明再生微粉煅燒及再生微粉取代率對(duì)水泥凈漿水化產(chǎn)物的影響，引入類(lèi)折壓比函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，為再生微粉的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用的水泥為明泉牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)用水為泰安市普通自來(lái)水。所用的再生微粉均為服役15年的橋梁構(gòu)件拆除產(chǎn)生的C40級(jí)混凝土，利用實(shí)驗(yàn)室小型反擊破碎機(jī)將之破碎成粗細(xì)骨料，再利用水泥試驗(yàn)?zāi)テ扑槟肽?，過(guò)篩后制備得再生微粉。對(duì)水泥和再生微粉進(jìn)行XRF分析，結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)水泥和再生微粉進(jìn)行了SEM和能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，水泥顆粒粒徑分布較為均勻，再生微粉顆粒表面凸起、裂紋較多，顆粒形狀尖銳鋒利。

圖1 水泥和再生微粉SEM圖、EDS圖Fig.1 SEM and EDS of cement and recycled powder

表1 水泥性能指標(biāo)Table 1 Cement performance index

表2 水泥和再生微粉化學(xué)組成及物理性能Table 2 Chemical composition and physical properties of cement and recycled powder

試驗(yàn)參考《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》(GB/T 25176—2010)中對(duì)微粉的粒徑要求進(jìn)行控制，制備得到的試驗(yàn)用再生微粉粒徑均小于75 μm。再生微粉的細(xì)度試驗(yàn)參照《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 1345—2005)中45 μm負(fù)壓篩析法進(jìn)行，負(fù)壓篩析時(shí)間為3 min，以篩析之后的質(zhì)量和篩析之前的質(zhì)量之比確定細(xì)度。含水量試驗(yàn)參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)中附錄C進(jìn)行，將再生微粉在規(guī)定溫度下烘干至恒重，以烘干前后質(zhì)量差與烘干前的質(zhì)量比確定再生微粉的含水量。亞甲藍(lán)值試驗(yàn)參照《建設(shè)用砂》(GB/T 1468—2011)進(jìn)行。需水量比試驗(yàn)參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)中附錄A進(jìn)行，按《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)測(cè)定試驗(yàn)?zāi)z砂和對(duì)比膠砂的流動(dòng)度，二者達(dá)到規(guī)定流動(dòng)度范圍時(shí)的加水量之比為試樣的需水量比。再生微粉的基本性能見(jiàn)表3。

表3 再生微粉的基本性能Table 3 Basic properties of recycled powder

1.2 試驗(yàn)方案

普通再生微粉記為(recycled powder I，RPⅠ)，經(jīng)過(guò)700 ℃低溫煅燒處理的再生微粉記為(recycled powder II，RPⅡ)。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了8種取代率(0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%)，每種取代率共設(shè)置3、7、28 d齡期測(cè)試力學(xué)強(qiáng)度，每組制備3個(gè)立方體試件。普通再生微粉RPI和700 ℃煅燒的再生微粉RPII分別取代水泥，并進(jìn)行工作性能試驗(yàn)，配合比見(jiàn)表4。尺寸規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm。

表4 試驗(yàn)配合比Table 4 Mix proportions

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流動(dòng)度

再生微粉取代水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)根據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)進(jìn)行檢驗(yàn)，再生微粉種類(lèi)和再生微粉取代率對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響規(guī)律見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)。隨著取代率的增加，普通再生微粉RPI和700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII取代水泥凈漿流動(dòng)性降低，并且沒(méi)有出現(xiàn)流動(dòng)性急劇減小的情況。RPI取代率為70%時(shí)流動(dòng)度較水泥凈漿減小30.76%， RPII取代率為70%時(shí)流動(dòng)度較水泥凈漿減小32.3%，RPI與RPII兩種再生微粉的取代率對(duì)流動(dòng)度影響相差不大。這是因?yàn)橛绊懺偕⒎廴〈鄡魸{流動(dòng)度的主要因素是再生微粉的顆粒形貌和粒徑分布。再生微粉顆粒形貌較為鋒利粗糙，顆粒大小不規(guī)則，大部分再生微粉顆粒為不規(guī)則塊狀或薄片層狀，比表面積大，導(dǎo)致再生微粉取代水泥凈漿流動(dòng)度降低。

圖2 再生微粉取代率對(duì)流動(dòng)度的影響 Fig.2 Effect of substitution rate on flowability

2.2 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

再生微粉取代水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量試驗(yàn)根據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346—2012)進(jìn)行檢驗(yàn)，再生微粉種類(lèi)和再生微粉取代率對(duì)水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響規(guī)律見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨再生微粉取代率的增加而平緩增加，并且沒(méi)有出現(xiàn)用水量急劇增加的情況。普通再生微粉RPI取代率為70%時(shí)的需水量比水泥凈漿高16.2%，700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII取代率為70%時(shí)的需水量比水泥凈漿高20.3%。這是因?yàn)樵偕⒎垲w粒裂口鋒利，表面微裂紋較多，因此再生微粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨著取代率的增加而增加。煅燒過(guò)后的再生微粉失去了自由水和結(jié)合水，Ca(OH)2、含鋁氧化物和硅鋁礦物分解產(chǎn)物重新水化導(dǎo)致了700 ℃低溫煅燒再生微粉在同取代率下需水量高于普通再生微粉。

圖3 再生微粉取代率對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響Fig.3 Effect of substitution rate on standard consistency water consumption

2.3 凝結(jié)時(shí)間

再生微粉取代水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)根據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346—2012)進(jìn)行檢驗(yàn)，再生微粉種類(lèi)和再生微粉取代率對(duì)水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響規(guī)律見(jiàn)圖4。普通再生微粉RPI取代率為70%使水泥凈漿初凝時(shí)間減少了44 min，700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII取代率為70%使水泥凈漿初凝時(shí)間減少了41 min。研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，再生微粉取代后水泥凈漿初凝時(shí)間縮短，終凝時(shí)間變化較小。引起這樣變化的原因有兩點(diǎn)，再生微粉相比于水泥顆粒較為粗糙，含有較多孔隙，在制備過(guò)程中吸收大量水分使水化體系中的游離水含量減少。與水泥相比，再生微粉發(fā)生水化反應(yīng)的活性SiO2、Al2O3數(shù)量不同，活性顆粒水化使游離的水含量減少，導(dǎo)致再生微粉水泥基材料的工作性降低[23-24]。相同再生微粉取代率下，RPII取代水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間均低于普通再生微粉，這是由于RPII活性較高、膠凝能力較強(qiáng)，水化速度較普通再生微粉快，凝結(jié)時(shí)間縮短[25]。

圖4 再生微粉取代率對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.4 Effect of recycled powder substitution rate on setting time

2.4 抗折強(qiáng)度

再生微粉取代水泥凈漿試件不同取代率下各齡期的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行，再生微粉取代水泥凈漿試件3、7、28 d抗折強(qiáng)度見(jiàn)圖5，誤差條是再生微粉取代水泥凈漿抗折強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。在同種取代率下700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII取代水泥凈漿的抗折強(qiáng)度均大于普通再生微粉RPI取代水泥凈漿抗折強(qiáng)度。當(dāng)RPI取代率不超過(guò)30%時(shí)，水泥凈漿的3 d抗折強(qiáng)度可達(dá)到4.4 MPa。在RPII試驗(yàn)組中，10%、20%和30%取代率的3 d抗折強(qiáng)度均大于5.2 MPa。試驗(yàn)證明，通過(guò)煅燒處理的方法，對(duì)于再生微粉取代水泥凈漿早期的抗折強(qiáng)度的提高非常明顯，尤其在3 d齡期時(shí)，RPⅡ60比RPⅠ60的抗折強(qiáng)度提高了45%；在7 d齡期時(shí)，RPⅡ60比RPⅠ60的抗折強(qiáng)度提高了52%。這是由于高溫?zé)峄罨軌蚱茐脑偕⒎壑蟹€(wěn)定形態(tài)的硅鋁體結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)[19]，激發(fā)再生微粉的潛在活性，從而提高膠凝能力。

2.5 抗壓強(qiáng)度

再生微粉取代水泥凈漿試件不同取代率下各齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行，再生微粉取代水泥凈漿試件3、7、28 d抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖6，誤差條是再生微粉取代水泥凈漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。由圖6可見(jiàn)，隨著取代率的增加抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，當(dāng)取代率超過(guò)30%抗壓強(qiáng)度下降幅度較大。3 d齡期時(shí)RPⅠ40抗壓強(qiáng)度比RPⅠ30抗壓強(qiáng)度下降了約26%，7 d齡期下降了約23%，28 d齡期下降了約18%；而3 d齡期時(shí)RPⅠ30抗壓強(qiáng)度比RPⅠ20抗壓強(qiáng)度下降了約12%，7 d齡期下降了約9%，28 d齡期下降了約7%，說(shuō)明取代率超過(guò)30%的普通再生微粉對(duì)于水泥凈漿早期的抗壓強(qiáng)度影響較大。

圖6 再生微粉取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of recycled powder substitution rate on compressive strength

在同種再生微粉取代率下，RPII試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度均大于RPI試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度。對(duì)于早期的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)取代率不超過(guò)30%時(shí)兩種再生微粉水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度相差不大。當(dāng)再生微粉取代率超過(guò)30%后，RPⅡ試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度明顯高于RPⅠ試驗(yàn)組。這是由于當(dāng)再生微粉取代率較小時(shí)，水泥在膠凝材料中占比較大，水泥的膠凝作用提供了大部分水泥凈漿的強(qiáng)度，當(dāng)再生微粉取代率超過(guò)30%后，水泥含量降低導(dǎo)致膠凝能力降低對(duì)強(qiáng)度的影響大于再生微粉提供的膠凝能力增加。3 d和7 d齡期的RPⅡ60試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度比RPⅠ60試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度分別提高了50%和48%。說(shuō)明700 ℃煅燒后的再生微粉具有一定的膠凝能力，能夠彌補(bǔ)再生微粉取代水泥帶來(lái)的強(qiáng)度損失。

2.6 強(qiáng)度活性指數(shù)

強(qiáng)度活性指數(shù)是試驗(yàn)?zāi)z砂與對(duì)比膠砂在規(guī)定齡期的抗壓強(qiáng)度之比。再生微粉取代水泥凈漿強(qiáng)度活性指數(shù)試驗(yàn)根據(jù)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)，水泥凈漿強(qiáng)度活性指數(shù)如圖7所示。普通再生微粉RPⅠ試驗(yàn)組與700 ℃低溫煅燒再生微粉RPⅡ試驗(yàn)組不同齡期的抗折強(qiáng)度活性指數(shù)和抗壓強(qiáng)度活性指數(shù)見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，RPⅡ試驗(yàn)組強(qiáng)度活性指數(shù)普遍大于同種取代率的RPⅠ試驗(yàn)組強(qiáng)度活性指數(shù)，說(shuō)明了低溫煅燒的方法可以有效地提升再生微粉的活性。當(dāng)再生微粉取代率不超過(guò)40%時(shí)，RPⅠ試驗(yàn)組與RPⅡ試驗(yàn)組7 d強(qiáng)度活性指數(shù)是最高的，說(shuō)明再生微粉取代率不超過(guò)40%時(shí)再生微粉中期的強(qiáng)度活性較高，與不摻再生微粉水泥凈漿的強(qiáng)度更為接近。齡期超過(guò)7 d后再生微粉取代水泥凈漿強(qiáng)度較小，與水泥凈漿的差距越來(lái)越大。取代率為10%和20%的RPⅡ試驗(yàn)組28 d抗折和抗壓強(qiáng)度的活性指數(shù)達(dá)到75%以上。而RPⅠ試驗(yàn)組只有取代率為10%的試驗(yàn)組28 d抗折和抗壓強(qiáng)度活性指數(shù)達(dá)到75%的以上，其余取代率的抗折和抗壓強(qiáng)度的活性指數(shù)都低于75%。

圖7 再生微粉取代率對(duì)強(qiáng)度活性指數(shù)的影響Fig.7 Effect of recycled powder substitution rate on strength activity index

2.7 水化產(chǎn)物的SEM分析

圖8(a)和圖8(b)分別為取代率60%普通再生微粉RPI和取代率為60%的700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII的3 d齡期的凈漿SEM圖。RPI 3 d SEM圖與RPII 3 d SEM圖相比，RPI水泥凈漿中結(jié)晶體較少且晶粒較為粗大，C—S—H凝膠粒子較少，相比RPII取代水泥石的結(jié)構(gòu)較為疏松。60% RPII的3 d齡期的凈漿SEM圖可見(jiàn)大量Ca(OH)2結(jié)晶體縱橫連接，呈層狀分布定向排列成晶簇。這是由于RPI活性較RPII低，導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)疏松，抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和活性指數(shù)均低于700 ℃低溫煅燒再生微粉水泥凈漿試件。

圖8(c)和圖8(d)分別為取代率60%普通再生微粉RPI 28 d試件和700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII 28 d齡期試件SEM圖。在兩種再生微粉28 d齡期的SEM圖中可以看到大量短針狀鈣礬石(AFt)晶體的形成，相較于3 d齡期SEM圖，凝膠數(shù)量變多且與Ca(OH)2晶體結(jié)合得較好。說(shuō)明隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥凈漿中膠凝材料繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)，生成各水化產(chǎn)物橋聯(lián)搭接緊密，使得漿體強(qiáng)度有所提升。

圖8 再生微粉取代水泥凈漿不同齡期下SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM of cement paste replaced by recycled powder at different ages

2.8 類(lèi)折壓比

圖9 再生微粉類(lèi)折壓比擬合Fig.9 Fitting of similar flexure and compression ratio of recycled powder

表5 Exponential函數(shù)、Polynomial函數(shù)類(lèi)折壓比擬合結(jié)果Table 5 Similar flexure and compression’s ratio of recycled powder

3 結(jié)論

(1)隨著再生微粉取代率增加，普通再生微粉和700 ℃低溫煅燒再生微粉取代水泥凈漿的流動(dòng)度均勻減小，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間均勻增加，沒(méi)有出現(xiàn)隨著取代率的增加工作性能劇烈變化的現(xiàn)象。再生微粉取代水泥凈漿的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度活性指數(shù)均下降，抗壓強(qiáng)度的損失較抗折強(qiáng)度大。

(2)700 ℃低溫煅燒再生微粉取代水泥凈漿各齡期的力學(xué)強(qiáng)度和強(qiáng)度活性指數(shù)均高于普通再生微粉取代水泥凈漿試件，水化產(chǎn)物數(shù)量更多，微觀結(jié)構(gòu)更密實(shí)。原因是煅燒過(guò)后再生微粉活性變強(qiáng)，水硬膠凝能力提高，總體活性優(yōu)于普通再生微粉。