建筑垃圾再生微粉在泡沫混凝土中的應(yīng)用研究 ①

□□ 王朝霞 (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

近年來，我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，市政基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，舊建筑大面積拆除，建筑垃圾產(chǎn)量逐年增加。我國每年產(chǎn)生建筑垃圾>35億t，建筑垃圾的堆存總量已>200億t，既浪費(fèi)資源且污染環(huán)境，又增加碳排放，造成了嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)，解決好這些伴隨發(fā)展而來的“副產(chǎn)品”是建設(shè)綠色低碳、和諧宜居新型城鎮(zhèn)的重要課題[1]。2022年，我國建筑垃圾處理行業(yè)市場容量將突破1 200億元，但資源化利用率不足10%，遠(yuǎn)不及德國、韓國等國90%以上的資源化利用率，巨量的建筑垃圾倒逼建筑垃圾資源化利用水平的持續(xù)提高。

建筑垃圾中舊建筑拆除產(chǎn)生的垃圾占58%左右，新建筑施工產(chǎn)生的垃圾占36%左右。建筑垃圾處理技術(shù)路線是，先對建筑垃圾進(jìn)行分類，回收鋼筋、鋁等有價(jià)物質(zhì)，再對剩余建筑垃圾進(jìn)行處理，生產(chǎn)骨料、混凝土等再生建筑制品[2]。建筑垃圾去除雜質(zhì)后，在破碎、篩分制備再生骨料的過程中伴隨產(chǎn)生的粒徑<75 μm的顆粒稱為再生微粉，約占原料質(zhì)量的10%～20%，含有大量的SiO2和Al2O3，具有良好的火山灰效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)，可作為礦物摻合料代替水泥生產(chǎn)水泥基建筑制品[3]。

水泥基輕質(zhì)保溫材料具有較高孔隙率、較小導(dǎo)熱系數(shù)和良好阻燃性，市場前景廣闊。隨著我國建筑節(jié)能政策的實(shí)施，泡沫混凝土以其質(zhì)量輕、保溫隔熱性能好、隔聲耐火等特性越來越受到人們的關(guān)注[4]，廣泛用于節(jié)能墻體、屋面保溫層、公路工程、生態(tài)工程等領(lǐng)域[5]，使用后可使建筑物節(jié)能效果提升40%～70%。劉香等[6]將水泥、再生微粉、粉煤灰按照70∶15∶15的比例制備泡沫混凝土，制備出A3.5級的泡沫混凝土。張肖明等[7]制備了不同再生微粉取代率的泡沫混凝土，隨著取代率的增加，泡沫混凝土的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低。詹炳根等[8]在泡沫混凝土中加入一定量的玻璃纖維，能有效提升泡沫混凝土的強(qiáng)度和韌性，并能改善早期干縮開裂情況。

為解決泡沫混凝土中再生微粉摻量低、強(qiáng)度不高、易開裂、干燥收縮大等問題[9]，需將再生微粉的活性進(jìn)行激發(fā)，并添加適量的增強(qiáng)纖維，以改善其性能。試驗(yàn)擬利用超微氣流粉碎機(jī)對建筑垃圾再生微粉進(jìn)行活性激發(fā)，再代替部分水泥制備泡沫混凝土，研究再生微粉摻量對泡沫混凝土性能的影響，并加入一定量的聚丙烯纖維，研究纖維長度和摻量對泡沫混凝土強(qiáng)度的提升效果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：由太原獅頭中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)P·O 42.5，物理性能指標(biāo)和化學(xué)成分見表1和表2。

表1 普通硅酸鹽水泥物理性能指標(biāo)

表2 水泥和再生微粉的主要化學(xué)成分 %

再生微粉：選自某建筑垃圾處理企業(yè)生產(chǎn)再生骨料過程中產(chǎn)生的再生微粉，經(jīng)超微氣流粉碎機(jī)粉磨25 min進(jìn)行活性激發(fā)。其主要成分為SiO2，活性激發(fā)后再生微粉的比表面積為408 m2·kg-1，需水量比為103%，28 d強(qiáng)度活性指數(shù)為77%。

發(fā)泡劑：由廈門金質(zhì)建材有限公司生產(chǎn)的JZ-1型復(fù)合水泥發(fā)泡劑，按照與水質(zhì)量比為1∶60對發(fā)泡劑進(jìn)行稀釋。

增強(qiáng)纖維：由廊坊三力節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維。

1.2 泡沫混凝土制備

先將膠凝材料(再生微粉和水泥按一定比例混合)干拌2 min，加水后再攪拌3 min，再生微粉的摻量分別為：0、10%、20%、30%、40%。將預(yù)制好的泡沫按漿體的70%(體積比)加到漿體中，繼續(xù)攪拌3 min得到泡沫混凝土。澆注到試模中，刮平抹平表面，在溫度(20±5)℃、相對濕度>50%的室內(nèi)靜置24 h后，拆模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.3 試驗(yàn)儀器和方法

泡沫混凝土的干表觀密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率依據(jù)JC/T 2357—2016《泡沫混凝土制品性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢測。干表觀密度、抗壓強(qiáng)度、吸水率檢測試件的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，采用YH-40B標(biāo)準(zhǔn)水泥混凝土養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行試件養(yǎng)護(hù)，采用DHG-9070B型電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行試件的干燥，設(shè)定溫度為105 ℃。采用WDW-20A微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測。導(dǎo)熱系數(shù)檢測試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，采用DRCD3030智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生微粉摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

不同再生微粉摻量對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。從圖1(a)可以看出，再生微粉經(jīng)超微氣流粉碎機(jī)粉磨后，活性顯著提高，活性激發(fā)前后28 d強(qiáng)度活性指數(shù)由65%提高到77%，提高了20.0%。圖1(b)為活性激發(fā)后，再生微粉摻量對不同齡期泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度影響曲線，可以看出，對于3 d和7 d早期強(qiáng)度而言，未摻入再生微粉時(shí)，泡沫混凝土強(qiáng)度相對較高，摻入再生微粉后，強(qiáng)度均有不同程度降低，且隨著再生微粉摻量的增加，早期強(qiáng)度逐漸下降。28 d抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與早期強(qiáng)度有所不同，當(dāng)再生微粉摻量為10%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度由未摻再生微粉的3.1 MPa提高到3.6 MPa，相比提高了16.1%，由此可見，適量的再生微粉摻入，能有效提高泡沫混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)再生微粉摻量為20%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度與未摻再生微粉時(shí)基本持平，即在保證強(qiáng)度不變的情況下，再生微粉的摻量可增加到20%。

圖1 再生微粉摻量對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

余小小等[10]關(guān)于機(jī)械力粉磨對再生微粉性能影響的研究表明：超微氣流粉碎能夠使再生微粉粒度分布窄，顆粒表面光滑，活性增大，少量再生微粉填充在砂漿中能夠改善漿體的和易性和內(nèi)部孔隙，生產(chǎn)出高強(qiáng)度的水泥砂漿。張松等[11]研究表明：少量10～60 μm再生微粉的摻入可緩解水泥水化集中放熱產(chǎn)生的微裂縫，并提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)再生微粉摻量為10%時(shí)，泡沫混凝土28 d抗壓強(qiáng)度得到提高，但隨著摻量的增多，由于經(jīng)超微氣流粉碎機(jī)激發(fā)后再生微粉的活性仍比水泥活性低很多，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度逐漸下降。

2.2 再生微粉摻量對干表觀密度的影響

再生微粉摻量對泡沫混凝土干表觀密度的影響如圖2所示。當(dāng)再生微粉摻量<10%時(shí)，泡沫混凝土的干表觀密度隨再生微粉摻量的增加逐漸增大，干表觀密度在再生微粉摻量10%時(shí)達(dá)到710 kg·m-3，相對于未摻再生微粉提高了2.6%；當(dāng)再生微粉摻量>10%時(shí)，泡沫混凝土的干表觀密度逐漸下降，變化規(guī)律與28 d抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。

圖2 再生微粉摻量對泡沫混凝土干表觀密度的影響

由此可見，少量再生微粉的摻入可使泡沫混凝土干表觀密度有所提高，這是由于經(jīng)過超微氣流粉碎機(jī)粉磨后，再生微粉的細(xì)度顯著提高，和水泥混合在一起后，不同級配的顆粒相互填充，使泡沫混凝土骨架的密實(shí)度得到提高，干表觀密度增大，抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)提高。隨著再生微粉摻量的增加，膠凝體系顆粒級配間的平衡被打破，膠凝作用減弱，導(dǎo)致泡沫混凝土骨架部分疏松，干表觀密度和抗壓強(qiáng)度也隨之降低。

2.3 再生微粉摻量對導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率的影響

再生微粉摻量對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率的影響如圖3所示?？梢钥闯觯偕⒎蹞搅康脑黾訉ε菽炷翆?dǎo)熱系數(shù)的影響與干表觀密度的變化基本一致，隨著干表觀密度的增大，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸提高。當(dāng)再生微粉摻量<10%時(shí)，泡沫混凝土的吸水率隨著摻量增加逐漸降低，這是由于磨細(xì)再生微粉的摻入能提高泡沫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，形成的開口孔和連通孔的數(shù)量減少，進(jìn)而降低吸水率；當(dāng)再生微粉摻量>10%時(shí)，隨著再生微粉摻量增加，吸水率逐漸上升，這是由于過量再生微粉的摻入會(huì)使膠凝材料體系的流動(dòng)性變差，泡沫上浮，泡沫混凝土表面開口孔增多，吸水率增大。

圖3 再生微粉摻量對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率的影響

2.4 聚丙烯纖維摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

選用上述再生微粉摻量為30%的膠凝材料，分別摻入不同長度、不同比例的聚丙烯纖維制備泡沫混凝土，纖維長度分別為：6 mm、9 mm、12 mm，纖維摻入比例分別為：0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，進(jìn)一步研究纖維長度和摻量對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖4所示。可以看出：聚丙烯纖維的摻入可以有效提高泡沫混凝土28 d抗壓強(qiáng)度，同一纖維長度下，纖維摻量越多，抗壓強(qiáng)度越大，同一纖維摻量下，纖維長度越長，抗壓強(qiáng)度越大。纖維長為12 mm、摻量為0.4%時(shí)制備的泡沫混凝土強(qiáng)度比未摻纖維的試件提高了45.8%，這說明聚丙烯纖維均勻分布在泡沫混凝土中，并呈三維亂向分布，能有效解決泡沫混凝土早期硬化干縮問題，可改善泡沫混凝土受力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，防止泡沫混凝土微裂縫的產(chǎn)生，提高了制品的強(qiáng)度、抗裂性和韌性。

圖4 不同長度、不同摻量纖維對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

3.1 建筑垃圾再生微粉經(jīng)超微氣流粉碎機(jī)粉磨后，細(xì)度和活性均顯著提高，可代替水泥生產(chǎn)泡沫混凝土，摻量為10%時(shí)，能提高泡沫混凝土28 d抗壓強(qiáng)度，相比未摻再生微粉強(qiáng)度提高了16.1%。在泡沫混凝土強(qiáng)度不變的情況下，再生微粉的摻量可達(dá)到20%。

3.2 少量再生微粉與水泥混合形成的膠凝材料體系，可以實(shí)現(xiàn)顆粒級配的良好填充，使泡沫混凝土骨架的密實(shí)度進(jìn)一步提高，干表觀密度和抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)提高。

3.3 聚丙烯纖維的摻入能有效提高再生微粉泡沫混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)纖維長為12 mm、摻量為0.4%時(shí)增強(qiáng)效果最好，比未摻纖維的泡沫混凝土提高了45.8%。