磚混類再生微粉泡沫膠凝材料力學(xué)性能研究

崔 寧，欒仲豪

(1.北京市市政工程研究院，北京 100037；2.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司，北京 100037)

0 引 言

隨著我國社會發(fā)展進(jìn)程的加快，建筑垃圾的資源化利用問題得到了越來越多的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，建筑垃圾的含量占城市垃圾總質(zhì)量的30%～40%[1]。國內(nèi)外諸多學(xué)者針對建筑垃圾的回收利用提出了解決辦法，但每年新產(chǎn)生的建筑垃圾利用率仍不足10%[2]。建筑垃圾處置過程中多以破碎除雜后的再生骨料作為基礎(chǔ)應(yīng)用產(chǎn)品，而在再生骨料生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量微粉，其中部分微粉顆?；烊朐偕橇现?，部分微粉顆粒懸浮在空氣中被收塵設(shè)備收集。本文針對收塵設(shè)備收集的再生微粉配制的膠凝材料進(jìn)行試驗研究。

根據(jù)國內(nèi)再生骨料的生產(chǎn)線運行情況，目前主要把再生微粉分成兩類，混凝土類再生微粉和磚混類再生微粉。混凝土類再生微粉是在生產(chǎn)混凝土類再生骨料過程中收集的,磚混類再生微粉是在生產(chǎn)磚混類再生骨料過程中收集的，通常微粉顆粒中磚瓦類材料顆粒占比可達(dá)30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上。再生微粉的應(yīng)用是提高建筑垃圾資源利用率的一種有效途徑[3]，但不同種類建筑垃圾和不同生產(chǎn)加工工藝制備的再生微粉性能存在一定差異。其中混凝土類建筑垃圾處理過程中普遍采用分揀大塊混凝土進(jìn)行破碎生產(chǎn)，原材料組分相對單一。磚混類建筑垃圾來源較為廣泛，組成復(fù)雜，通常還有大量土和雜物，企業(yè)生產(chǎn)線破碎生產(chǎn)再生骨料過程中產(chǎn)生的再生微粉含有部分土、有機質(zhì)等雜物,與混凝土類再生微粉在化學(xué)組成、粒徑尺寸、活性等方面均存在明顯差異。目前，相關(guān)研究主要集中在混凝土類再生微粉，多采用部分替代水泥材料的方法制備高強度水泥膠砂，以減少水泥用量[4-5]。試驗發(fā)現(xiàn)水泥砂漿流動度隨再生微粉摻量增加而降低[6]，再生微粉摻量較低時，對水泥膠砂強度影響不大，當(dāng)質(zhì)量摻量超過10%時，膠砂強度大幅下降[7-8]。對于泡沫混凝土，增大再生微粉摻量，其流動度及抗壓強度均會減小，但吸水率逐漸增大。再生微粉摻入量較少時，對泡沫混凝土28 d抗壓強度有增強效果，但過量摻入則會導(dǎo)致泡沫混凝土抗壓強度下降[9]。目前，針對磚混類再生微粉產(chǎn)品性能以及低強度需求材料的研究較少。再生微粉在低標(biāo)號回填材料中的應(yīng)用強度要求低且用量大，更符合近階段再生微粉的大規(guī)模推廣。因此，本文首先研究了磚混類再生微粉和發(fā)泡劑摻量對泡沫膠凝材料力學(xué)性能和流動度的影響，旨在探究滿足不同工程需求的再生微粉膠凝材料配合比。其次，研究了不同批次間磚混類再生微粉性能及所制備的膠凝材料力學(xué)性能的差異，旨在探究同種再生微粉產(chǎn)品間的性能差異，為工程應(yīng)用提供重要依據(jù)。

1 實 驗

1.1 試劑與材料

圖1 再生微粉宏觀照片F(xiàn)ig.1 Macro photo of recycled fine powder

磚混類再生微粉(簡稱再生微粉，BP)取材自北京及北京周邊地區(qū)多家磚廠生產(chǎn)線上的收塵設(shè)備，取材時對同一廠家按不同日期進(jìn)行多次取樣并編號，再生微粉宏觀照片如圖1所示。水泥、再生微粉化學(xué)成分如表1所示。

再生微粉膠凝材料的制備和再生微粉活性測試所使用的硅酸鹽水泥為撫順?biāo)喙煞萦邢薰旧a(chǎn)的P·I 42.5基準(zhǔn)硅酸鹽水泥(簡稱SC)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)，性能參數(shù)如表2所示。發(fā)泡劑為鑫?；そú挠邢薰旧a(chǎn)的濃縮型高效水泥發(fā)泡劑。

表1 再生微粉和水泥的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of recycled fine powder and cement

表2 水泥的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of cement

圖2 再生微粉粒度測試結(jié)果Fig.2 Granularity test results of recycled fine powder particle

采用TopSizer激光粒度分析儀，搭配SCF-105B循環(huán)進(jìn)樣系統(tǒng)測定再生微粉的粒徑分布情況。試驗結(jié)果如圖2所示，再生微粉粒徑分布均勻，顆粒尺寸較小，粒徑峰值為71.56 μm，45.00 μm以下顆粒體積占比為35.42%，75.00 μm以下顆粒體積占比為53.58%，200.00 μm以下顆粒體積占比為83.55%。

采用KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡對再生微粉微觀形貌進(jìn)行分析。再生微粉的SEM測試結(jié)果如圖3所示，可以看出再生微粉呈顆粒狀，尺寸均勻，表面有較多孔洞，與粒徑測試分析得到的結(jié)果吻合。

圖3 再生微粉的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of recycled fine powder

1.2 再生微粉樣品制備

為研究再生微粉和發(fā)泡劑摻量對膠凝材料力學(xué)性能的影響，試驗選取同一廠商、同一批次的磚混類再生微粉，按表3再生微粉膠凝材料配合比方案稱取原料，依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)將混合料拌和后澆注成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，每個配合比方案共制備6組，每組3個試件。試件在(20±5) ℃的環(huán)境中靜置一晝夜后進(jìn)行拆模、編號，隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。膠凝材料配比前，按質(zhì)量比1 ∶30將發(fā)泡劑用水稀釋備用。

表3 再生微粉膠凝材料配合比方案Table 3 Mix ratio of recycled fine powder cementitious materials

為研究不同批次再生微粉膠凝材料力學(xué)性能的差異，選取同一廠商不同批次的10組磚混類再生微粉，按照表3中BP-4的配比方案稱取原料，依照上述過程制備試件并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，每個批次再生微粉共制備6組，每組3個試件，依次編號BP-10～BP-19。

1.3 分析和測試方法

1.3.1 膠凝材料空氣含量測試方法

采用NELD-BS610硬化混凝土氣泡間距系數(shù)分析儀，依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2017)中的直線導(dǎo)線法，測定再生微粉膠凝材料的空氣含量，試驗過程如圖4所示。

圖4 膠凝材料氣泡特征參數(shù)分析過程Fig.4 Analysis process of bubble characteristic parameters of cementitious materials

1.3.2 再生微粉凈漿流動度測試

水泥微粉凈漿配合比方案如表4所示，采用符合《強度檢驗用水泥標(biāo)準(zhǔn)樣品》(GSB 14-1510—2018)規(guī)定的強度等級42.5的標(biāo)準(zhǔn)水泥，通過水泥膠砂流動度用截錐圓模測量水泥微粉膠砂流動度。試驗時將潤濕過的截錐圓模置于潤濕過的玻璃板上，凈漿一次性倒入截錐圓模內(nèi)，自流平后提起截錐圓模，凈漿自由流動30 s后進(jìn)行測量。

表4 水泥微粉凈漿配合比Table 4 Mix ratio of cement and recycled fine powder paste

1.3.3 再生微粉活性測試方法

水泥微粉膠砂配合比方案如表5所示，采用P·I 42.5基準(zhǔn)硅酸鹽水泥和ISO標(biāo)準(zhǔn)砂按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)測試水泥膠砂和水泥微粉膠砂活性。

表5 水泥微粉膠砂配合比Table 5 Mix ratio of cement and recycled fine powder mortar

1.3.4 膠凝材料力學(xué)性能測試方法

采用YAW5306型微機液壓萬能試驗機(量程0～3 000 kN)，按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)測定試件養(yǎng)護(hù)1 d、3 d、28 d后的抗壓強度。

1.3.5 膠凝材料漿體流動度測試方法

按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》(GB/T 8077—2012)測定不同配合比的膠凝材料拌和后的漿體流動度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠凝材料力學(xué)性能分析

圖5(a)為BP膠凝材料抗壓強度隨養(yǎng)護(hù)時間的變化情況。由圖5(a)可知，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，各組膠凝材料抗壓強度均有不同程度的提高，1～3 d時，材料抗壓強度增長幅度較大，后期增幅較小。增大再生微粉和發(fā)泡劑摻量，均會導(dǎo)致膠凝材料抗壓強度降低。再生微粉以SiO2為主要成分，并含有部分CaO、MgO和Al2O3，活性遠(yuǎn)低于水泥粉末，在混合料早期強度發(fā)展中主要起填充作用。隨著再生微粉摻量的增加，混合粉末中活性物質(zhì)含量逐漸降低，在一定程度上導(dǎo)致膠凝材料中水化產(chǎn)物C-H-S凝膠含量減少，最終表現(xiàn)為早期和后期力學(xué)性能出現(xiàn)不同幅度下降。試驗時，膠凝材料成型時出現(xiàn)不同程度的泌水現(xiàn)象，而發(fā)泡劑摻量的增加使得這一現(xiàn)象得到了改善。圖5(b)為BP膠凝材料濕密度測試結(jié)果。由圖5(b)可知，再生微粉摻量對試件濕密度影響不大，而發(fā)泡劑摻量的增加會顯著降低試件的濕密度。

圖5 BP膠凝材料抗壓強度和濕密度測試結(jié)果Fig.5 Compressive strength and wet density test results of BP cementitious materials

圖6為BP膠凝材料3 d、28 d抗壓強度和濕密度隨再生微粉質(zhì)量與水泥質(zhì)量比值(以下簡稱BP/SC)的變化情況。從圖6(a)可以看出，當(dāng)發(fā)泡劑摻量為0.6 kg，BP/SC小于1.00時，膠凝材料抗壓強度隨BP/SC的增大而減小，即隨著再生微粉摻量的增大，膠凝材料抗壓強度逐漸降低。當(dāng)BP/SC比值由0.43增大至0.67時，膠凝材料抗壓強度下降幅度較大，3 d和28 d抗壓強度分別降低了63%和53%。BP/SC比值為1.00時，抗壓強度達(dá)到最小值，3 d和28 d抗壓強度分別為1.0 MPa和3.8 MPa。由圖6(b)可知，再生微粉摻量對試件濕密度無顯著影響，不同再生微粉摻量的試件濕密度約為1.35 g/cm3。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，再生微粉具有一定的火山灰性，能在一定程度上促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，且良好的粒徑分布能有效填充膠凝材料基體中的孔隙。這與試驗結(jié)果相吻合，再生微粉良好的級配以及細(xì)小的粒徑尺寸、多孔的顆粒形貌，使其具有一定的吸水性，故當(dāng)BP/SC比值小于1.00時，膠凝材料濕密度隨BP摻量的增大而小幅增大。當(dāng)BP粉末摻量較大時，混合材料中水化活性礦物含量已達(dá)到較低值，過量BP導(dǎo)致水化硅酸鈣含量的大幅減少，從而導(dǎo)致濕密度的降低。

圖7為BP/SC比值為定值時，BP膠凝材料抗壓強度、濕密度隨發(fā)泡劑摻量的變化情況。試驗表明發(fā)泡劑摻量的增加會導(dǎo)致膠凝材料抗壓強度的下降。BP/SC比值為0.43時，當(dāng)發(fā)泡劑摻量從0.4 kg增加至0.6 kg，3 d抗壓強度由7.5 MPa降低至5.4 MPa，降幅28%，28 d抗壓強度由11.5 MPa降低至10.5 MPa，降幅8.7%。BP/SC比值為1.50時，當(dāng)發(fā)泡劑摻量從0.6 kg增加至0.7 kg，3 d、28 d抗壓強度分別由1.6 MPa、4.8 MPa降低至1.0 MPa、2.9 MPa，降幅37.5%和39.6%。可見當(dāng)微粉摻量較低時，發(fā)泡劑含量對膠凝材料前期抗壓強度影響較大，而當(dāng)微粉摻量較高時，發(fā)泡劑含量對膠凝材料前期及后期抗壓強度均有較大影響。泡劑摻量的增加使得漿體內(nèi)氣泡數(shù)量增加，在一定程度上降低漿體中自由水含量，導(dǎo)致漿體流動度下降，膠凝材料成型后內(nèi)部孔隙也隨之增多，抗壓強度下降，當(dāng)再生微粉摻量較大時，膠凝材料中存在較多自由水，增加發(fā)泡劑雖會減少自由水含量，但不能有效消除過多的自由水，同時過量氣泡的引入導(dǎo)致了膠凝材料強度和濕密度的降低。由圖7(b)可知，試件濕密度隨發(fā)泡劑摻量的增加而降低，當(dāng)再生微粉摻量較低時，增大發(fā)泡劑摻量，試件濕密度降低。當(dāng)再生微粉摻量較高時，發(fā)泡劑摻量的增加導(dǎo)致試件濕密度大幅降低。

圖6 抗壓強度、濕密度隨BP/SC比值變化情況Fig.6 Variation of compressive strength and wet density with BP/SC ratio

圖7 抗壓強度、濕密度隨發(fā)泡劑摻量變化情況Fig.7 Variation of compressive strength and wet density with foaming agent admixture

圖8為膠凝材料漿體流動度隨BP/SC比值和發(fā)泡劑摻量的變化情況。如圖8(a)所示，當(dāng)發(fā)泡劑摻量為0.6 kg時，增大BP/SC比值，漿體流動度先降低后增高。當(dāng)BP/SC比值由0.43增大至1.00時，流動度由298 mm降低至262 mm，當(dāng)BP/SC比值繼續(xù)增大至1.50時，流動度由262 mm大幅增高至310 mm。漿體流動度大小受漿體中自由水含量影響，而自由水含量與膠凝材料吸水性及化學(xué)反應(yīng)需水量有關(guān)。上述現(xiàn)象進(jìn)一步證明再生微粉活性較低，化學(xué)反應(yīng)需水量低于同等質(zhì)量的水泥粉末，但其顆粒較細(xì)且多孔，具有一定的吸水性。因此再生微粉摻量較小時，即BP/SC比值小于0.67時，流動度曲線呈顯著下降趨勢，此時膠凝材料吸水性增長幅度大于化學(xué)反應(yīng)需水量減小幅度，漿體流動度隨再生微粉摻量增加而下降，這與文獻(xiàn)[6]中混凝土類再生微粉的試驗結(jié)果相似。當(dāng)BP/SC比值由0.67增大至1.00時，流動度曲線為近似水平狀，呈現(xiàn)出輕微下降趨勢，表明膠凝材料吸水性增長幅度與化學(xué)反應(yīng)需水量減小幅度接近。而當(dāng)再生微粉摻量較大時，即BP/SC比值大于1.00時，材料化學(xué)反應(yīng)需水量進(jìn)一步降低，流動度驟然升高的原因可能在于材料中水化活性成分含量過低，存在大量未參與化學(xué)反應(yīng)的水。

圖8 流動度隨BP/SC比值、發(fā)泡劑摻量變化情況Fig.8 Variation of flow with BP/SC ratio and foaming agent admixture

由圖8(b)可知，再生微粉摻量較小時，增大發(fā)泡劑摻量，漿體流動度大幅下降，由312 mm降低至298 mm，當(dāng)再生微粉摻量較大時，發(fā)泡劑摻量的增加導(dǎo)致漿體流動度小幅提高。表明發(fā)泡劑在再生微粉摻量較低時，可有效降低膠凝材料中自由水含量，對漿體流動度的改善效果更為顯著，當(dāng)再生微粉摻量較大時，膠凝材料中自由水含量較高，發(fā)泡劑摻量對漿體流動度影響較小。

2.2 再生微粉性能差異分析

圖9為同一廠家不同批次再生微粉材料的化學(xué)組成和粒度分布。由圖可知，不同批次的再生微粉原料化學(xué)組分和粒度分布差異很小。

圖9 不同批次再生微粉化學(xué)組成和粒度分布Fig.9 Chemical component and particle size distribution of different batches of recycled fine powder

圖10為不同批次的再生微粉膠凝材料的抗壓強度和濕密度。由圖可知，不同批次的再生微粉膠凝材料抗壓強度差異較大，3 d抗壓強度最小值為2.0 MPa，最大值為4.7 MPa，28 d抗壓強度最小值為4.4 MPa，最大值為8.9 MPa，這與粉末化學(xué)組成和粒徑分布試驗結(jié)果矛盾。濕密度試驗結(jié)果與抗壓強度分布規(guī)律相似，不同批次間同樣存在一定差異。上述現(xiàn)象是由于發(fā)泡劑在不同批次的膠凝材料中作用效果不同，導(dǎo)致材料中空氣含量存在差異，進(jìn)而影響其抗壓強度和濕密度。

不同批次再生微粉膠凝材料空氣含量和流動度如圖11所示，不同批次膠凝材料28 d抗壓強度大小與空氣含量和流動度為近似反比的關(guān)系，10組膠凝材料空氣含量均值為22.08%，流動度均值為277 mm。試驗結(jié)果表明，在原材料性能相似，并且采用相同配合比的情況下，發(fā)泡劑發(fā)泡效果的不同會嚴(yán)重影響膠凝材料中空氣含量和漿體流動度，進(jìn)而導(dǎo)致材料力學(xué)性能和濕密度產(chǎn)生較大差異。因此，在工程應(yīng)用時，應(yīng)做到發(fā)泡劑的現(xiàn)配現(xiàn)用，避免存放時間對發(fā)泡劑發(fā)泡效果產(chǎn)生影響。

圖10 不同批次再生微粉膠凝材料抗壓強度和養(yǎng)護(hù)后濕密度Fig.10 Compressive strength and wet density after curing of different batches of recycled fine powder cementitious materials

圖11 不同批次再生微粉膠凝材料空氣含量和流動度Fig.11 Air content and flow of different batches of recycled fine powder cementitious materials

3 結(jié) 論

(1)磚混類再生微粉粒度分布均勻，顆粒尺寸較小，45 μm以下顆粒占比35.42%，75 μm以下顆粒占比53.58%，200 μm以下占83.55%，顆粒表面存在較多孔洞，以SiO2為主要成分，并含有部分CaO、MgO和Al2O3，活性遠(yuǎn)低于水泥粉末，在混合料早期強度發(fā)展中主要起填充作用。

(2)磚混類再生微粉的摻入會降低膠凝材料的力學(xué)性能，BP/SC比值為1.00時，試件3 d和28 d抗壓強度達(dá)到最低值1.0 MPa和3.8 MPa，當(dāng)BP/SC比值大于1.00時，抗壓強度隨再生微粉摻量的增加小幅升高。再生微粉的摻量對漿體流動度影響較大，少量摻入可降低漿體流動度，BP/SC比值為1.00時，漿體流動度為262 mm，過量的再生微粉會導(dǎo)致流動度的大幅升高。

(3)發(fā)泡劑的摻入導(dǎo)致膠凝材料力學(xué)性能的下降，并可在一定程度上改善膠凝材料拌合性，再生微粉摻量較小時，漿體流動度隨發(fā)泡劑摻量的增加而下降，再生微粉摻量較高時，漿體流動度隨發(fā)泡劑摻量變化幅度較小。

(4)不同批次再生微粉化學(xué)組成和粒度分布無明顯差異，但發(fā)泡劑的發(fā)泡效果在膠凝材料中存在一定差異，導(dǎo)致膠凝材料的空氣含量和流動度不同，進(jìn)而影響最終的力學(xué)性能和濕密度。因此，需注意發(fā)泡劑的摻加操作流程，并嚴(yán)格控制發(fā)泡劑摻加量。