廢棄混凝土再生微粉-水泥固化淤泥試驗(yàn)研究

黃輝，王文軍

（1.浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，浙江寧波 315100；2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 102627）

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，每年都會(huì)拆除大量老舊建筑，產(chǎn)生大批量的廢棄混凝土。目前，將破碎后的廢棄混凝土作為粗細(xì)骨料用于生產(chǎn)再生混凝土是常見的利用方法之一，實(shí)現(xiàn)了廢棄混凝土的循環(huán)再生利用，但廢棄混凝土在破碎、篩分的過(guò)程中，將產(chǎn)生一定量的粒徑小于0.16mm 的粉塵，這種微粉被稱為廢棄混凝土再生微粉，主要來(lái)源于硬化水泥石、粗骨料和細(xì)骨料研磨的粉末，有一定的活性，具備形成水化碳鋁酸鈣與水化碳硅酸鈣、作為水泥水化晶胚和繼續(xù)水化形成凝膠產(chǎn)物的能力，若運(yùn)用一定的處理方式進(jìn)一步激發(fā)再生微粉的活性，能夠用作膠凝材料，實(shí)現(xiàn)微粉的再生利用。

目前，對(duì)再生微粉特性以及應(yīng)用于砂漿和混凝土中的研究已經(jīng)較多，研究表明再生微粉能為水泥水化提供結(jié)核，合適的摻量范圍內(nèi)，再生微粉并不降低水泥的力學(xué)性能，甚至能略微提高水泥的力學(xué)性能，在低水膠比條件下，再生微粉能改善水泥膠砂的微觀結(jié)構(gòu)，提高膠砂的抗壓強(qiáng)度并對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度具有促進(jìn)效果[1-5]。借鑒再生微粉為砂漿和混凝土等水泥基材料中的應(yīng)用，可將其替代部分水泥作為高含水率淤泥的固化劑，不僅可以解決量大面廣的淤泥地基的處理難題，并且能有效節(jié)約自然資源，創(chuàng)造更好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

國(guó)內(nèi)外已有將破碎廢棄混凝土及其磨細(xì)粉用于土體改性方面的研究。趙光鵬，付亮等[6，7]對(duì)摻入廢棄混凝土（2～0.75mm）的水泥復(fù)合土的試驗(yàn)研究表明，在水泥摻入比相同的情況下，摻加廢棄混凝土的水泥土比普通水泥土強(qiáng)度提高20%左右。楊朝旭等[8]試驗(yàn)證明，堿渣和廢混凝土用于替代傳統(tǒng)改性材料改性淤泥質(zhì)土能滿足路用性能要求。栗霞等[9]將廢棄混凝土破碎為顆粒后過(guò)16mm 篩和水泥一起加入到粉質(zhì)黏土中，當(dāng)水泥摻量為15%時(shí)，摻20%廢棄混凝土水泥土的抗壓強(qiáng)度比單摻水泥的水泥土的抗壓強(qiáng)平均提高38.09%。馬嘯，陳四利等[10]將無(wú)篩分的廢棄混凝土顆粒（大部分為10～16mm 的中粗粒）摻入水泥土中，適宜的摻量下，抗壓強(qiáng)度在28～60d 齡期區(qū)間內(nèi)仍可保持較高增長(zhǎng)速度。Singh 等[11]研究表明，摻加40%廢棄混凝土細(xì)骨料，路基土CBR 提高345%。Shima 等[12]將熱激發(fā)和機(jī)械磨碎后的廢棄混凝土細(xì)粉用于土體固化，摻加細(xì)粉的水泥土的CO 排放減少。Kluge 等[13]研究指出，摻入土體中的CGR（concrete grinding residue）能夠提供必要的化學(xué)成分，改變土體PH 值，減小酸雨的影響。Yang 等[14]研究指出，CGR 微粉具有更高的CaO 含量和PH 值，其中的Ca2+、Mg2+等堿性陽(yáng)離子能夠與土體的弱陽(yáng)離子Na+、K+、H+交換，減少雙電層厚度，使得土體絮凝，進(jìn)而增加表面張力和土體強(qiáng)度。

以上這些研究表明，將廢棄混凝土用于土體加固具有可行性，現(xiàn)有的研究中，用于土體加固的廢棄混凝土顆粒相對(duì)較粗，大部分是直接利用或者僅將廢棄混凝土簡(jiǎn)單粗加工后應(yīng)用，用于道路路基填料的研究相對(duì)較多，總體上來(lái)說(shuō)，對(duì)廢棄混凝土特別是再生微粉應(yīng)用于土體加固的研究仍較少。文中針對(duì)廢棄混凝土再生微粉，在分析測(cè)試其物理化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，將其替代部分水泥，應(yīng)用于高含水率淤泥固化，分析再生微粉摻量對(duì)不同齡期淤泥固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律，并添加Ca（OH）2堿激發(fā)劑，探討其作用效果和作用機(jī)理，為再生微粉應(yīng)用于量大面廣的淤泥固化提供研究基礎(chǔ)，擴(kuò)展再生微粉的應(yīng)用范圍，提高廢棄混凝土的綜合利用水平。

1 再生微粉的物理化學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)所用廢棄混凝土再生微粉來(lái)源于寧波順達(dá)墻體材料廠。廢棄混凝土再生微粉的制備通常直接將工廠生產(chǎn)的再生骨料過(guò)0.16mm 篩后得到，但是這樣獲得的再生微粉比表面積小，活性低，常常為了提高再生微粉活性，將再生骨料進(jìn)行再次研磨或者采用微粉煅燒等方法。楊琳提出的微粉的最佳活化方法是微粉過(guò)篩后使用球磨機(jī)研磨60min，750℃煅燒2h[15]，但如此活化同時(shí)消耗了更多能源，增加了生產(chǎn)成本。張平等結(jié)合實(shí)際情況，考慮應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)為微粉的最佳球磨時(shí)間為60min[16]，因此，將再生微粉用球磨機(jī)如圖1 所示以1kW 功率進(jìn)行60min 球磨活化，然后測(cè)定再生微粉的物理化學(xué)性質(zhì)如圖2 所示。

圖1 球磨機(jī)活化微粉

圖2 制備的再生微粉

1.1 粒徑分布

采用馬爾文3000 激光粒度分析儀對(duì)再生微粉大小及粒徑分布進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 再生微粉粒徑累計(jì)分布圖

分析可得，獲得的再生微粉的平均粒徑為16.8μm。一般認(rèn)為，水泥顆粒在40μm 以下有較高活性，大于100μm 活性較低。試驗(yàn)的微粉40μm 以下含量約70%，有較高的活性。呂雪源等研究所用的微粉平均粒徑為30.4μm，試驗(yàn)采用研磨方法獲得的微粉平均粒徑相對(duì)更小。

1.2 密度與比表面積

參照GB/T 208-2014《水泥密度測(cè)定法》測(cè)得再生微粉的密度為2930kg/m3，堆積密度為644kg/m3，與文獻(xiàn)［17］中提及的微粉（密度一般在為2500～3000kg/m3之間，堆積密度一般為800 kg/m3）基本一致。

采用SBT-127 型數(shù)顯勃氏透氣比表面積儀，根據(jù)GB/T 8074-2008《水泥比表面積測(cè)定方法勃氏法》，測(cè)得微粉的比表面積為870m2/kg。

1.3 物質(zhì)組成

采用S8 TIGER 波長(zhǎng)色散X 射線熒光光譜儀，測(cè)得再生微粉的化學(xué)成分見表1。

表1 再生微粉的主要化學(xué)成分%

由表1 可以看出，再生微粉的主要化學(xué)成分均為SiO2和CaO，約占微粉含量74%，其次為Al2O3和Fe2O3占17.72%。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中所用微粉的Al2O3和Fe2O3常為5%～20%不等，表明再生微粉的成分含量因廢棄混凝土來(lái)源不同而存在一定的差異。

采用D8 ADVANCE 型高分辨XRD 儀器測(cè)定再生微粉的礦物成分如表2，分析表明，除了石英、鈉長(zhǎng)石、伊利石等主要礦物成分外，存在一定量的水化硅酸鈣凝膠以及未水化的硅酸二鈣，說(shuō)明微粉中的水泥顆粒尚未完全水化，具有一定活性。

表2 再生微粉的主要礦物成分%

1.4 膠砂流動(dòng)度

采用海螺P.O42.5 水泥、廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂以及室內(nèi)自來(lái)水制備砂漿，根據(jù)GBT 2419-2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》，測(cè)定摻加再生微粉的水泥砂漿的流動(dòng)度如圖4 所示，其中微粉摻量（替代水泥的質(zhì)量百分比，記為aw）分別為0%（純水泥膠砂，對(duì)照組）、10%、20%、30%。

圖4 再生微粉摻量對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響

分析圖4 可知，隨著微粉摻量的增加，水泥膠砂流動(dòng)度逐步減小，當(dāng)aw為10%時(shí)，膠砂流動(dòng)度僅降低了3%，但當(dāng)aw超過(guò)20%時(shí)，摻微粉的膠砂流動(dòng)度降低的幅度較大，與未摻時(shí)相比，降低了14.5%。因此，今后在應(yīng)用微粉時(shí)，不能只增大摻量，需要考慮微粉對(duì)漿液流動(dòng)度的影響。

2 再生微粉對(duì)水泥固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)土取自于寧波鎮(zhèn)海的淤泥質(zhì)粘土，取樣深度2.5～10m，該土樣為灰色流塑態(tài)淤泥質(zhì)黏土，其基本性質(zhì)指標(biāo)見表3。

表3 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 配合比

主要考慮再生微粉摻量與齡期因素，故為減少試驗(yàn)組數(shù)，按照固化土工程常用固化劑摻量水平，試驗(yàn)中，將固化劑摻量（（水泥質(zhì)量+再生微粉質(zhì)量）/濕土質(zhì)量）統(tǒng)一設(shè)為定值15%，其中，再生微粉替代水泥的質(zhì)量比即摻量aw分別為0%（純水泥土為對(duì)照組），10%、15%、20%、25%和30%；淤泥初始含水率統(tǒng)一按照50%考慮，水灰比（水的質(zhì)量/固化劑質(zhì)量）為0.8；每組配比均考慮3個(gè)平行試樣。

2.3 固化土試樣制備與養(yǎng)護(hù)

先將土樣風(fēng)干磨碎過(guò)5mm 篩備用。制樣時(shí)，按照配合比稱取一定質(zhì)量的微粉和水泥與淤泥質(zhì)黏土粉末拌和均勻，然后加入拌合自來(lái)水，用水泥砂漿攪拌機(jī)攪拌15min 后制備70.7mm×70.7mm×70.7mm 的立方體固化土試塊，制樣時(shí)，分兩層振搗，每次放置于振動(dòng)臺(tái)震動(dòng)2min，最后刮平后將試樣連同試模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（20±5℃，濕度大于95%）養(yǎng)護(hù)，48h 后拆模，繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期7d 和28d。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)的試樣見圖5。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)的試樣

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

使用TYE-6 微機(jī)控制電子抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)測(cè)試各齡期固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu。對(duì)于每組3個(gè)平行試驗(yàn)，強(qiáng)度確定方法為：當(dāng)平行試樣qu差異小于20%時(shí)，取3個(gè)平行試樣的qu平均值；若三者qu差異大于20%時(shí)，則重新配制試樣。獲得的固化土qu隨再生微粉摻量aw的關(guān)系見圖6。

圖6 各齡期固化土強(qiáng)度與再生微粉的關(guān)系

分析圖6 可以看出，替代水泥后，摻加再生微粉的固化土強(qiáng)度均有不同程度的降低，下降程度與齡期和aw大小有關(guān)，7d 齡期，當(dāng)aw為10%～30%，固化土強(qiáng)度下降約21.5%～46.2%；28d 齡期，10%微粉摻量的固化土強(qiáng)度與純水泥土強(qiáng)度基本相同，微粉摻加15%～30%，固化土強(qiáng)度下降約14.5%～31.5%；與28d相比，7d 固化土強(qiáng)度隨微粉摻量的下降幅度較大，表明微粉對(duì)固化土早期強(qiáng)度的影響更大；無(wú)論是7d 還是28d，當(dāng)摻量較大時(shí)，強(qiáng)度下降幅度降低。

為更好判斷固化土強(qiáng)度發(fā)展隨再生微粉摻量的變化趨勢(shì)，繪制了aw（≥10%）與28d 固化土qu關(guān)系的擬合曲線，如圖7 所示。

圖7 再生微粉摻量與28d 固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系的擬合曲線

圖7 中看出，擬合曲線近似服從對(duì)數(shù)分布，擬合公式：

2.5 再生微粉在固化土體系中作用機(jī)理分析

盡管與水泥相比，固化土體系中，再生微粉的活性一般，摻加微粉替代部分水泥后的固化土強(qiáng)度均有不同程度的下降，但以28d 固化土強(qiáng)度為例，aw為10%時(shí)，固化土強(qiáng)度基本未下降，另即使aw為30%時(shí)，28d 固化土強(qiáng)度也已經(jīng)達(dá)到了1.13MPa，大于1.0MPa，固化效果良好，能滿足大部分工程所需。

結(jié)合再生微粉的粒度以及成分分析，將固化土體系的中微粉作用機(jī)理歸納分析為以下幾個(gè)方面：

（1）火山灰反應(yīng)。微粉中較小顆粒的比表面積大，自身有一定活性，和水泥類似，硅酸二鈣等成分可以產(chǎn)生火山灰反應(yīng)：2（2CaO·SiO2）+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2

（2）促進(jìn)水泥水化。再生微粉顆粒中的較小成分能夠誘導(dǎo)水泥水化，一般認(rèn)為10μm 以下的微粒能夠較好地促進(jìn)C3S 和C3A 的水化，且能提高有效結(jié)晶產(chǎn)物的含量。由表1 可知，試驗(yàn)測(cè)得再生微粉粒徑小于10μm 占40%以上，不僅能夠促進(jìn)水泥顆粒的水化速度，而且微粒的分散作用夠增大水泥顆粒的水化程度。

（3）促進(jìn)離子交換。粘土顆粒中含有少量具有活性的SiO2和Al2O3，這些活性氧化物在堿性環(huán)境下將與Ca2+離子產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，稱為“二次反應(yīng)”或者“硬凝反應(yīng)”，這種反應(yīng)在消耗Ca2+離子的同時(shí)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)。摻加再生微粉，水化使得體系中的Ca2+離子濃度提高，有利于提高體系中黏土顆粒的離子交換效應(yīng)和“二次反應(yīng)”的發(fā)揮程度，有利于土體的團(tuán)?；?。

（4）填充效應(yīng)。未參與化學(xué)反應(yīng)的再生微粉顆粒，可以直接“物理”填充固化土中的孔隙，能改善和增強(qiáng)固化土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高勻質(zhì)性和致密性。同時(shí)也可被水泥水化產(chǎn)物包裹，增大水化物的強(qiáng)度，增強(qiáng)膠結(jié)作用，同時(shí)若顆粒較大，可以充當(dāng)砂粒，在膠凝材料作用下膠合連接，起到骨架作用，能提高淤泥固化土強(qiáng)度。

（5）吸附水效應(yīng)。再生微粉顆粒比表面積大，表面有較多棱角空隙，易吸附水。將其摻入到高含水率淤泥中，可以吸附土中的孔隙水，從而影響土中黏土顆粒-水的作用機(jī)制，影響結(jié)合水的存在形態(tài)，有利于降低自由水含量，進(jìn)而提高土體強(qiáng)度。

試驗(yàn)中所用微粉中的主要活性成分硅酸二鈣僅為5%，固化淤泥的效果仍可以進(jìn)一步提升，下一步還需要對(duì)微粉進(jìn)行機(jī)械活性提高處理，并考慮摻加堿激發(fā)劑，提高其固化淤泥的效果。此外，關(guān)于微粉摻量與固化土強(qiáng)度關(guān)系研究，仍需要設(shè)計(jì)更多的微粉摻量水平以及更多的齡期如60、90d 等，以全面了解再生微粉對(duì)高含水率淤泥的固化處理效果。

3 堿激發(fā)劑對(duì)再生微粉-水泥固化土的影響研究

3.1 試驗(yàn)概況

在再生微粉膠砂和混凝土中，常摻加堿激發(fā)劑以提高再生微粉的潛在活性，常見的如CaO、Na2SO4、NaOH、Ca（OH）2、NaHCO3、Na2SiO3·9H2O 等，這些成分能夠加速微粉的水化硬化。為了探討堿激發(fā)劑在摻加再生微粉的水泥固化土中的作用效果，選取了Ca（OH）2，摻加在再生微粉-水泥-淤泥固化體系中，探討其作用效果。

采用的為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析級(jí)純度Ca（OH）2，其摻量Ca（OH）2質(zhì)量/（微粉和水泥的質(zhì)量）分別為1.0%、2.0%和3.0%，考慮到試樣組數(shù)，將再生微粉摻量aw設(shè)定為15%。其余試驗(yàn)材料以及試樣制備方法同文中3.1。同樣考慮3個(gè)平行試驗(yàn)，共制備18個(gè)試樣。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

獲得的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu隨Ca（OH）2摻量的關(guān)系見圖8。

圖8 Ca（OH）2 摻量對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

分析圖8 可以看出，堿激發(fā)劑Ca（OH）2對(duì)7d 和28d 齡期固化土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不同，7d 齡期下，隨著Ca（OH）2摻量增加，固化土強(qiáng)度均略有增加，且摻量越大，效果越明顯，摻量3%時(shí)，強(qiáng)度增大8.7%；而28d 齡期下，Ca（OH）2摻量為2%的效果最佳，比不摻Ca（OH）2的固化土強(qiáng)度提高了7.1%，而摻加1%和3%時(shí)強(qiáng)度反而降低了5.7%和17.7%。總體上分析認(rèn)為，再生微粉-水泥-淤泥固化體系中，作為堿激發(fā)劑的Ca（OH）2的增強(qiáng)效果一般，且不同齡期下的影響規(guī)律不同，存在最佳摻量。

3.3 Ca（OH）2 的作用機(jī)理分析

再生微粉-水泥-淤泥固化體系中，摻入的Ca（OH）2的作用機(jī)理復(fù)雜，整個(gè)體系的Ca2+離子濃度以及酸堿度既表現(xiàn)正面效應(yīng)，也存在負(fù)面效應(yīng)，而效應(yīng)的發(fā)揮與摻入Ca（OH）2量的多少有關(guān)，且在水泥水化硬化各個(gè)階段的作用程度不同。摻加Ca（OH）2，部分溶解后產(chǎn)生Ca2+離子以及OH-，會(huì)影響水化的水化、微粉的活性發(fā)揮以及黏土顆粒表面的離子交換與團(tuán)?；取．?dāng)整個(gè)體系的堿性增強(qiáng)，可以破壞微粉表面的Si-O-Si 和Si-O-Al 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的雙重保護(hù)層，激發(fā)微粉中的活性SiO2和Al2O3的水化反應(yīng)，促進(jìn)黏土顆粒表面少量具有活性的SiO2和Al2O3的“二次反應(yīng)”，參與形成水化硅酸鈣類膠凝物質(zhì)，改善固化土的物質(zhì)成分與組成結(jié)構(gòu)。另一方面，摻加Ca（OH）2，可以補(bǔ)充再生微粉中CaO 的含量，對(duì)水泥中的C3A，C3S 的水化有促進(jìn)作用。而當(dāng)Ca（OH）2摻量過(guò)大時(shí)，負(fù)面效應(yīng)較為明顯，Ca（OH）2晶體本身的強(qiáng)度很高，但是它們常以層狀結(jié)構(gòu)存在，疏松多孔，穩(wěn)定性差，在酸性環(huán)境下極易遭侵蝕，故Ca（OH）2往往構(gòu)成水泥石結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)過(guò)多的摻量會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)程中在水泥和再生微粉顆粒表面會(huì)形成Ca（OH）2薄膜，阻礙水熱反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，因此，不同的水泥摻量、不同的再生微粉摻量下，有一個(gè)合理的堿激發(fā)劑摻量范圍。針對(duì)再生微粉-水泥-淤泥固化體系，由于土體加入，堿激發(fā)劑的作用機(jī)理以及最佳摻量仍需要結(jié)合一些微觀測(cè)試深入探討。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）再生微粉化學(xué)成分中，Al2O3和Fe2O3含量差異較大。除石英、鈉長(zhǎng)石、伊利石等主要礦物成分外，存在一定量的水化硅酸鈣凝膠以及未水化的硅酸二鈣。隨著微粉摻量的增加，水泥膠砂流動(dòng)度逐步減小，當(dāng)摻量超過(guò)20%時(shí)，流動(dòng)度降低了14.5%，因此工程應(yīng)用中需要考慮微粉摻量對(duì)漿液流動(dòng)度的影響。

（2）摻加再生微粉的水泥固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，再生微粉摻量為10%～30%，7d 固化土強(qiáng)度下降約21.5%～46.2%；再生微粉摻量10%時(shí)，28d 固化土強(qiáng)度與純水泥土強(qiáng)度基本相同；與28d 相比，7d 固化土強(qiáng)度隨微粉摻量的下降幅度較大，表明微粉對(duì)固化土早期強(qiáng)度的影響更大；無(wú)論是7d 還是28d，當(dāng)摻量較大時(shí)，強(qiáng)度下降幅度降低。盡管摻加再生微粉的固化土強(qiáng)度大部分呈現(xiàn)不同程度的下降，但再生微粉替代水泥量為30%時(shí)，28d 固化土強(qiáng)度也已經(jīng)達(dá)到了1.13MPa，達(dá)到了較好的固化效果。

（3）當(dāng)再生微粉摻量為15%時(shí)，摻加1%～3%的Ca（OH）2，7d 齡期固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而略有增加；28d 固化土，摻加1%和3%時(shí)強(qiáng)度反而降低，摻加2%時(shí)強(qiáng)度提高7.1%；再生微粉-水泥-淤泥固化體系中，作為堿激發(fā)劑的Ca（OH）2的增強(qiáng)效果一般，且不同齡期下的影響規(guī)律不同。