再生復(fù)合微粉活性評價及其對膠砂強(qiáng)度影響因素分析

王輝，謝祥兵，王凱威，李軍，王鵬濤

（1.鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450007；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046；3.河南省乾坤商品混凝土有限公司，河南 鄭州 450047；4.鄭州航空港匯港發(fā)展有限公司，河南 鄭州 451162）

0 引言

2020年我國拆除舊建筑物產(chǎn)生的固廢數(shù)量約23.85億t，而混凝土和黏土磚含量約占50%。據(jù)統(tǒng)計[1]，在過去50年我國生產(chǎn)了約200 m3的黏土磚，這些黏土磚在未來將成為建筑垃圾的主要成分。另外，根據(jù)灰色模型估計，2024年我國粉煤灰排放量將達(dá)9.25億t，而在西北地區(qū)粉煤灰利用率還不到20%[2]。建筑垃圾或工業(yè)固體廢棄物采取填埋或露天堆放時會造成環(huán)境污染。因此，基于材料復(fù)合化疊加效應(yīng)，開展建筑固廢再生材料和工業(yè)固廢粉煤灰的綜合利用具有重要意義。

工業(yè)固廢粉煤灰作為混凝土常用摻合料之一，可減少水泥用量，改善混凝土的和易性。相關(guān)研究表明[3]，在水泥膠砂中摻加粉煤灰可促進(jìn)水泥水化，改善界面粘結(jié)性能，有效提高其和易性和后期強(qiáng)度。

利用建筑固廢中黏土磚制備的再生磚粉可作為原材料或輔助膠凝材料來生產(chǎn)水泥或堿激發(fā)水泥，其中非晶態(tài)的SiO2、Al2O3可與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成硅酸鹽和鋁酸鹽水合物，有效抑制堿-硅反應(yīng)所造成的危害[4-6]。鄭麗[7]研究了磚粉摻量對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，摻加磚粉的砂漿后期強(qiáng)度增長最顯著，與7 d齡期相比，28 d齡期抗壓強(qiáng)度提高了54.1%。再生混凝土微粉主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、CaO等，早期活性比粉煤灰大，具有作為水泥水化晶核、火山灰效應(yīng)及微集料填充效應(yīng)，可替代部分粉煤灰或水泥[8-9]。Xiao等[10]認(rèn)為，再生混凝土微粉替代部分水泥后，將促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，推薦最佳替代量為15%~30%。車玉君[11]、陳雪等[12]對再生微粉性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摻加再生混凝土粉可加快水泥水化反應(yīng)，使砂漿微觀結(jié)構(gòu)密實性增強(qiáng)。另有部分學(xué)者研究了2種以上摻合料進(jìn)行復(fù)配時對膠凝材料性能的影響，李輝等[13]研究發(fā)現(xiàn)，磚粉、粉煤灰復(fù)合可有效提高膠砂28 d抗折強(qiáng)度。陳高峰等[14]認(rèn)為，再生黏土磚粉、石灰石粉復(fù)摻可顯著增大膠凝材料孔隙率，降低抗壓強(qiáng)度。

上述固廢材料與水泥的相互作用及機(jī)理已較為清晰，然而對于再生磚粉、再生混凝土粉、粉煤灰組成的復(fù)合微粉的活性評價鮮有報道。為此，本文研究粉煤灰、再生磚粉、再生混凝土粉組合的復(fù)合微粉活性，探究水膠比、齡期、復(fù)合粉體摻量對水泥膠砂強(qiáng)度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)構(gòu)建綠色復(fù)合粉體材料-水泥砂漿強(qiáng)度預(yù)測模型。

1 試驗

1.1 再生復(fù)合微粉制備

在實驗室通過人工分揀的方法獲得廢棄黏土磚塊、廢棄混凝土塊，粉煤灰符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定的Ⅱ級要求。通過電磁式制樣機(jī)將廢棄黏土磚塊、廢棄混凝土塊制備成再生粉體。在此基礎(chǔ)上，按照m（再生磚粉）∶m（再生混凝土粉）∶m（粉煤灰）=3∶2∶5進(jìn)行混合，添加適量堿性激發(fā)劑，采用球磨機(jī)進(jìn)行球磨，球料比為10∶1，球磨時間180 min，制得再生復(fù)合微粉。

1.2 試驗方案

按照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）》測試再生復(fù)合微粉-水泥膠砂試件強(qiáng)度，膠砂比均為1∶3，其中主要變量為水膠比、再生復(fù)合微粉摻量，通過測試3、7、28、90 d強(qiáng)度，結(jié)合火山灰效應(yīng)比強(qiáng)度分析法探究再生復(fù)合微粉活性，試驗方案見表1。水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積為345 m2/kg，初、終凝時間分別為186、255 min，3 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別為5.8、29.0 MPa。砂采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

表1 再生復(fù)合微粉活性試驗配合比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 摻再生復(fù)合微粉水泥膠砂的力學(xué)性能

2.1.1 水膠比對膠砂力學(xué)性能的影響（見圖1）

由圖1可知，隨著水膠比逐漸增大，膠砂的抗壓、抗折強(qiáng)度大致呈逐漸降低的趨勢；且隨著齡期延長，膠砂的抗壓、抗折強(qiáng)度降低幅度逐漸減小，如當(dāng)水膠比由0.45增加到0.49、0.52時，膠砂早期抗壓、抗折強(qiáng)度最大分別降低20.48%、30.63%，而90 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別降低13.87%、9.28%，說明再生復(fù)合微粉可與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生火山灰效應(yīng)，且再生復(fù)合微粉與水泥早期的火山灰效應(yīng)前期較弱，但后期較強(qiáng)。

2.1.2 再生復(fù)合微粉摻量對膠砂力學(xué)性能的影響（見圖2）

由圖2可知：

（1）以A4試件為標(biāo)準(zhǔn)，隨著再生復(fù)合微粉摻量逐漸增加，膠砂90 d抗壓和抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)為先提高后降低趨勢，且抗折強(qiáng)度變化幅度大于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)再生復(fù)合微粉摻量為25%時，抗折和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，其中90 d抗折、抗壓強(qiáng)度較A4試件分別提高12.50%、9.59%，這主要是由于砂漿內(nèi)部存在不同微裂縫，而微裂縫對抗折強(qiáng)度影響大于抗壓強(qiáng)度，再生復(fù)合微粉由于不同顆粒級配填充效應(yīng)及火山灰效應(yīng)顯著提高砂漿密實度，有效改善砂與水泥漿體之間界面結(jié)構(gòu)，從而使試件抗折強(qiáng)度提高。

（2）水化反應(yīng)早期，摻再生復(fù)合微粉膠砂試件的強(qiáng)度低于基準(zhǔn)試件，隨著水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，摻入適量再生復(fù)合微粉可以有效改善膠砂試件的強(qiáng)度，其中再生復(fù)合微粉摻量為25%時，膠砂28 d抗壓強(qiáng)度活性指數(shù)可達(dá)到88.97%，這主要是再生復(fù)合微粉的填充效應(yīng)和活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物之間發(fā)生的火山灰反應(yīng)，共同提高其力學(xué)性能。

2.1.3 齡期對膠砂力學(xué)性能的影響

采用水膠比為0.45、再生復(fù)合微粉摻量為25%的膠砂，研究不同齡期下再生復(fù)合微粉水泥膠砂試件力學(xué)性能的變化規(guī)律，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨齡期延長，再生復(fù)合微粉水泥膠砂試件的強(qiáng)度逐漸提高，且符合二次函數(shù)增長趨勢，以3 d齡期的抗折、抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，7 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了20.63%、23.95%，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了36.51%、39.13%，90 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了69.84%、77.02%。

綜上可知，再生復(fù)合微粉是一種具有一定活性的摻合料，可部分替代水泥用于砂漿及混凝土中，結(jié)合膠砂力學(xué)強(qiáng)度，并最大限度利用再生復(fù)合微粉，其最大摻量不應(yīng)超過35%。

2.2 再生復(fù)合微粉活性評價

相關(guān)研究者在總結(jié)分析其他礦物摻合料活性評價方法的基礎(chǔ)上，提出采用火山灰效應(yīng)數(shù)值分析方法來評價礦物摻合料的活性，如蒲心誠[15]以摻礦物摻合料砂漿力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過定義砂漿比強(qiáng)度、火山灰效應(yīng)比強(qiáng)度等指標(biāo)，定量評價活性礦物摻合料對砂漿強(qiáng)度影響，該方法具有計算簡單、物理意義明確等優(yōu)點。本項目擬采用火山灰效應(yīng)分析方法，以水泥砂漿抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，研究再生復(fù)合微粉的火山灰效應(yīng)，并對其進(jìn)行定量分析和評價，其相關(guān)計算公式見式（1）~式（4）：

式中：R比基——基準(zhǔn)膠砂比強(qiáng)度，MPa；

R基——基準(zhǔn)膠砂強(qiáng)度絕對值，MPa；

R比摻——摻再生復(fù)合微粉的膠砂比強(qiáng)度，MPa；

R摻——摻再生復(fù)合微粉膠砂的強(qiáng)度絕對值，MPa;

q0——摻再生復(fù)合微粉膠砂膠凝材料中水泥含量，%；

R比火——膠砂火山灰比強(qiáng)度，MPa；

P火山——再生復(fù)合微粉的火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率，%。

再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)的發(fā)揮受到水膠比、再生復(fù)合微粉摻量和齡期等因素的影響。

2.2.1 水膠比對再生復(fù)合微粉活性的影響（見表2）

表2 水膠比對再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)的影響

由表2可知，水膠比對再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)發(fā)揮有一定影響，即隨著水膠比增大，再生復(fù)合微粉3、28 d火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率（P火山）及活性指數(shù)（A）減小，且早期評價指標(biāo)變化較顯著，這是由于隨著水膠比增大，膠凝體系內(nèi)部水泥含量降低，水化產(chǎn)物減小，導(dǎo)致再生復(fù)合微粉與水化產(chǎn)物反應(yīng)程度降低，其活性降低，砂漿強(qiáng)度顯著降低，如水膠比為0.52時，活性指數(shù)僅為0.526。

2.2.2 再生復(fù)合微粉摻量對再生復(fù)合微粉活性的影響

以水膠比為0.45的再生復(fù)合微粉水泥砂漿試件28 d齡期抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析再生復(fù)合微粉不同摻量對其火山灰效應(yīng)的影響規(guī)律，結(jié)果見表3。

表3 再生復(fù)合微粉摻量對火山灰效應(yīng)的影響

由表3可知，隨再生復(fù)合微粉摻量增加，再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率及活性指數(shù)表現(xiàn)為先提高后降低趨勢，尤其是摻量≤25%時，再生復(fù)合微粉活性指數(shù)均值為0.745；當(dāng)再生復(fù)合微粉摻量為35%時，活性指數(shù)僅為0.507，這是由于再生復(fù)合微粉替代量較大，導(dǎo)致試件內(nèi)部水化產(chǎn)物生成量較少，不足以激發(fā)再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)，因而再生復(fù)合微粉活性較小。

2.2.3 養(yǎng)護(hù)齡期對綠色再生微粉活性的影響

以水膠比為0.45、再生復(fù)合微粉摻量為25%的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析不同養(yǎng)護(hù)齡期對再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)的影響規(guī)律，結(jié)果見表4。

表4 養(yǎng)護(hù)齡期對再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)的影響

由表4可知，齡期對再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率及活性指數(shù)均有一定影響，其中90 d齡期時，再生復(fù)合微粉活性指數(shù)＞1，說明再生復(fù)合微粉二次水化反應(yīng)已充分發(fā)揮，因此活性較高。7 d齡期時，再生復(fù)合微粉活性指數(shù)僅為0.621，活性較??；3、28 d齡期時，活性指數(shù)分別為0.889、0.759，3 d齡期時，再生復(fù)合微粉具有較好的微集料效應(yīng)，可顯著改善砂漿密實度，增大體系內(nèi)部有效水膠比，促進(jìn)水泥水化，顯著改善再生復(fù)合微粉的火山灰效應(yīng)。

2.3 基于多元回歸理論的再生復(fù)合微粉水泥砂漿強(qiáng)度預(yù)測模型

基于多元非線性回歸分析原理，采用多元非線性回歸分析理論，以砂漿抗壓強(qiáng)度為因變量，以水膠比、再生復(fù)合微粉摻量和齡期為自變量，通過1stOpt數(shù)據(jù)分析軟件，建立摻再生復(fù)合微粉水泥砂漿抗壓強(qiáng)度多元回歸預(yù)測模型。由上述試驗可知，水膠比與砂漿抗壓強(qiáng)度呈負(fù)線性關(guān)系，再生復(fù)合微粉摻量和養(yǎng)護(hù)齡期與砂漿抗壓強(qiáng)度呈二次函數(shù)關(guān)系，因此定義砂漿抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型如式（5）所示：

式中：α0、α1、α2、α3、α4、α5——擬合參數(shù)；

W/C——水膠比；

c——再生復(fù)合微粉摻量，%；

d——齡期，d。

基于砂漿抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析軟件1stOpt，結(jié)合Levenberg-Marquardt算法進(jìn)行多元回歸分析，所得式（5）中的最終表達(dá)式為式（6），相關(guān)系數(shù)R2為0.9148。

由式（6）可知，砂漿抗壓強(qiáng)度與水膠比、再生復(fù)合微粉摻量和養(yǎng)護(hù)齡期存在顯著定量關(guān)系，與試驗結(jié)果規(guī)律相一致。因此，上述強(qiáng)度預(yù)測模型可用于再生復(fù)合微粉協(xié)同水泥穩(wěn)定砂漿抗壓強(qiáng)度預(yù)估，可為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

2.4 再生復(fù)合微粉-水泥漿體水化產(chǎn)物的組成分析

采用DSC-TG綜合熱分析方法研究再生復(fù)合微粉對水泥水化產(chǎn)物的影響，結(jié)果見圖4、圖5。

比較圖4、圖5可知，水泥凈漿與摻入25%再生復(fù)合微粉的水泥凈漿的DSC曲線均在90、430℃左右出現(xiàn)吸熱峰，分別對應(yīng)C-S-H凝膠脫去游離水的過程、CH脫水過程。這說明摻加再生復(fù)合微粉后并沒有改變水化產(chǎn)物種類；水泥凈漿與摻25%再生復(fù)合微粉的水泥凈漿的TG曲線形式基本相同，表現(xiàn)為緩慢而連續(xù)脫水，最終殘渣質(zhì)量分別為最初質(zhì)量為72.80%、75.32%。在50~300℃的質(zhì)量損失主要是C-S-H凝膠失去凝膠水的過程[16]，由質(zhì)量損失可知，摻入25%再生微粉后質(zhì)量損失率由15.93%增至16.65%，較水泥凈漿增幅4.52%，這說明C-S-H凝膠相對含量變化不顯著，在400~500℃范圍內(nèi)主要是CH脫水的過程[16]，摻入再生復(fù)合微粉后CH含量由6.924%降至5.850%，較水泥凈漿降低15.52%，這說明摻入再生復(fù)合微粉的二次水化反應(yīng)可消耗部分CH。

3 結(jié)語

（1）隨水膠比增大，砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸降低，抗折強(qiáng)度降低的幅度大于抗壓強(qiáng)度的；在一定齡期和摻量下，再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)隨水膠比增大逐漸降低，且早齡期時最大降幅為68.71%。

（2）隨齡期延長，砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度降低幅度逐漸減小，在一定水膠比和摻量下，再生復(fù)合微粉火山灰效應(yīng)隨齡期延長逐漸增大，其中28 d齡期活性指數(shù)與水泥相當(dāng)。

（3）隨再生復(fù)合微粉摻量增加，砂漿90 d抗折、抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低趨勢，在一定水膠比和齡期下，再生復(fù)合微粉的火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率及活性指數(shù)表現(xiàn)為先提高后降低趨勢，在摻量≤25%時，活性指數(shù)均值為0.745。

（4）基于多元回歸理論建立了基于水膠比、齡期和摻量的再生微粉水泥砂漿抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型，可為綠色再生復(fù)合微粉的利用提供參考。

（5）DSC-TG分析表明，摻入再生復(fù)合微粉并沒有改變水泥漿體水化產(chǎn)物種類，再生復(fù)合微粉的火山灰效應(yīng)可有效降低CH含量，最大降幅為15.52%。