建筑垃圾復合粉體材料對混凝土強度及抗滲性能的影響

薛翠真, 申愛琴, 劉 波, 林森林

(長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

建筑垃圾復合粉體材料對混凝土強度及抗滲性能的影響

薛翠真, 申愛琴, 劉 波, 林森林

(長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

為開辟建筑垃圾廢磚塊再生利用新途徑,將建筑垃圾廢磚塊磨細并與其他工業廢渣、激發劑復合形成建筑垃圾復合粉體材料。文章通過正交試驗對摻建筑垃圾復合粉體材料的C30混凝土坍落度及力學性能進行研究,分析建筑垃圾復合粉體材料摻量對混凝土抗滲性能的影響;借助熱重-差示掃描量熱法(TG-DSC)、掃描電子顯微鏡(SEM)和壓汞試驗,對摻建筑垃圾復合粉體材料C30混凝土微觀結構進行分析,研究該粉體材料對混凝土強度及抗滲性能改善的微觀機理。結果表明:建筑垃圾復合粉體材料摻量和水灰比對混凝土坍落度及力學性能影響較大,合適摻量的該粉體材料可提高混凝土的強度和抗滲性能,最佳摻量為30%;建筑垃圾復合粉體材料改善了混凝土水化產物組成和內部孔結構,從而提高了混凝土強度及抗滲性能。

建筑垃圾復合粉體材料;正交試驗;坍落度;混凝土強度;抗氯離子滲透性;微觀改善機理

建筑垃圾是指在建(構)筑物新建與拆除、混凝土生產、道路工程建設與翻修等過程中產生的固體廢棄物,建筑垃圾廢磚塊約占建筑垃圾總量的40%,隨著我國城市改造及城鎮化的快速發展,如何實現建筑垃圾廢磚塊的資源化、無害化和減量化是亟待解決的問題,其再生利用已成為全球性研究課題。

目前,對建筑垃圾廢磚塊再生利用的研究主要集中在用其制備再生粗、細骨料,生產墻體材料和水泥等方面。文獻[1-3]研究表明,用建筑垃圾廢磚塊再生骨料生產的混凝土性能較差,強度、彈性模量、抗滲及收縮性能均隨再生骨料摻量的增加而降低,建筑垃圾廢磚塊作為再生骨料未得到廣泛應用。文獻[4]對建筑垃圾磚粉替代部分天然砂生產再生砂漿進行了研究,結果表明隨建筑垃圾磚粉替代量的增加,砂漿用水量增加,流動性降低;綜合考慮砂漿強度及流動性,建筑垃圾磚粉取代量應不超過10%。文獻[5]研究表明,建筑垃圾磚粉替代部分水泥用于砂漿中能夠改善水泥砂漿的流動性與強度,改善效果與磚粉細度有關;磚粉太細或太粗都會降低砂漿的流動性;砂漿抗壓強度隨磚粉細度的增加而增大,隨磚粉摻量的增加而減小。文獻[6]研究表明,建筑垃圾磚粉對水泥混凝土密度影響較小,但會降低水泥混凝土的早期抗壓強度。

綜上所述,我國建筑垃圾廢磚塊再生利用率較低,目前關于將建筑垃圾廢磚塊磨細成粉用作膠凝材料,對其進行活性激發以提高其摻量,并系統分析其摻量對水泥混凝土耐久性影響規律及其機理的研究還很少。本文將建筑垃圾廢磚塊磨細并與其他工業廢渣、激發劑復合形成建筑垃圾復合粉體材料,并對摻建筑垃圾復合粉體材料的C30混凝土強度及抗滲性能進行試驗研究;結合微觀試驗分析建筑垃圾復合粉體材料對C30混凝土強度及抗滲性的改善機理,揭示其微觀結構與宏觀性能之間的關系,為開辟建筑垃圾廢磚塊再生利用新途徑奠定理論基礎。

1 原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料

水泥采用秦嶺牌42.5級普通硅酸鹽水泥,表觀密度為3.112 g/cm3;粗集料為興平石料廠破碎碎石;細集料為普通河砂,細度模數為2.48;水為普通飲用水。原材料各項性能均滿足標準要求。建筑垃圾復合粉體材料由25%磚粉、50%礦渣、25%粉煤灰和改性劑復合而成,礦渣及粉煤灰均符合文獻[7]中相關要求;建筑垃圾磚粉是用經挑揀、篩選過的,水泥砂漿、水泥石粉末等含量很少的廢磚塊磨細而成的,要求比表面積大于300 m2/kg,密度為2～3 g/cm3,燒失量小于5%,粒度為5～16 μm,活性指數大于60%,含水量小于1.0%。本文用建筑垃圾磚粉比表面積為450 m2/kg。建筑垃圾廢磚粉和建筑垃圾復合粉體材料掃描電子顯微鏡(SEM)圖分別如圖1、圖2所示,建筑垃圾磚粉X射線衍射(XRD)圖譜如圖3所示。

圖1 磚粉的SEM圖

圖2 復合粉體材料的SEM圖

2θ/(°)

結合圖1和圖3可知,建筑垃圾磚粉顆粒分布不均勻,出現粗、細顆粒兩極分化,其主要礦物組成為SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。文獻[8]研究表明,建筑垃圾廢磚中的SiO2、Al2O3部分以玻璃體形態存在。為驗證建筑垃圾磚粉活性,選用比表面積為450 m2/kg的建筑垃圾磚粉等質量替代部分水泥,研究不同建筑垃圾磚粉摻量(本文“摻量”指摻加物所占的質量分數)對水泥凈漿抗壓強度的影響。結果表明,摻量為10%時,7 d和28 d強度可達到純水泥凈漿的56.6%和73.6%;摻量為30%時,7 d和28 d強度僅為純水泥凈漿的38.5%和66.8%。用化學滴定法測定建筑垃圾磚粉中的活性物質,結果表明,其中含有約6%的活性SiO2和約2.3%的活性Al2O3,由此可知建筑垃圾磚粉的活性較小。若將建筑垃圾磚粉用于混凝土中,還會產生一定的離散性,使混凝土強度下降更多。為提高建筑垃圾磚粉活性及其再生利用率,將25%磚粉、50%礦渣、25%粉煤灰和改性劑復合形成建筑垃圾復合粉體材料。建筑垃圾復合粉體材料標準稠度用水量為0.285%,燒失量為4.22%,密度為2.82 kg/m3,比表面積為415 m2/kg,其化學組成主要為CaO、Al2O3、Fe2O3和SiO2,與火山灰質材料組成相似,w(CaO)為21.7%～25.5%,w(Al2O3)為15.8%～18.5%,w(Fe2O3)為2.6%～4.0%,w(SiO2)為42.5%～37.5%。

由圖2可見,建筑垃圾復合粉體具有更優的顆粒級配,顆粒分布連續,且存在相當數量的細小微珠,不同粒徑的顆粒之間相互填充,使得建筑垃圾復合粉體材料具有較好的填充效應和微集料效應,從而改善混凝土強度及耐久性能[9]。

建筑垃圾復合粉體材料各組成成分之間可以達到優勢互補,產生一定的超疊加效應,如礦渣早期強度較高,粉煤灰后期強度增長較快,在激發劑的作用下建筑垃圾磚粉活性也有所提高。而少量的游離CaO可與水發生反應,生成對由活性硅、鋁溶出形成的硅酸鈣及鋁酸鈣凝膠有益的堿性激發劑Ca(OH)2[10]。此外,廢磚的粉磨能耗僅為水泥熟料的5%,不需要二次加熱。因此,用建筑垃圾復合粉體材料替代部分水泥用于混凝土中具有一定的可行性,且能夠降低原材料的能源消耗。

1.2 試驗方案

C30混凝土配合比設計應以提高混凝土外觀質量、工作性、力學性能和耐久性為原則。水灰比R、建筑垃圾復合粉體材料摻量w和砂率Sb是影響混凝土各項性能的主要因素,本研究選定該3因素設計3水平進行正交試驗,見表1所列。

通過正交試驗,確定摻建筑垃圾復合粉體材料C30混凝土的適宜配合比,并在此配合比基礎上,變換w,進行混凝土抗滲試驗。抗滲試驗采用快速氯離子遷移系數法(rapid chloride migration,RCM),試件齡期為28 d。

表1 正交試驗設計

DSC-TG試驗采用美國TA公司生產的Q1000DSC+TG試驗儀,升溫速率為10 ℃/min,氮氣氣氛,試驗參比物為Al2O3。試樣選用基準和摻30%建筑垃圾復合粉體材料水泥凈漿,試驗齡期為60 d;SEM選用Hitachi S-4800場發射掃描電鏡,試件齡期28 d;壓汞試驗(mercury intrusion porosimetry,MIP)采用AutoPore IV 9510試驗儀,試件齡期90 d。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗結果與分析

按照表1進行正交試驗,測試指標為坍落度、7 d和28 d抗壓強度以及28 d抗彎拉強度,試驗結果見表2所列。

表2 正交試驗結果

對表2結果進行極差分析可知：各因素對混凝土坍落度影響次序為R=Sb>w;對7 d和28 d抗壓強度影響次序有相同的規律,即R>w>Sb;對抗彎拉強度影響次序為w>R>Sb。綜合分析各因素對混凝土各項性能的影響規律可知,水灰比和建筑垃圾復合粉體材料摻量對C30混凝土坍落度及力學性能影響顯著,而砂率對混凝土各指標影響較小。

關于水灰比和砂率對混凝土性能影響的研究已較為普遍,以下重點分析w對C30混凝土坍落度及力學性能的影響規律。不同w下的試驗結果見表3所列。

表3 混凝土坍落度和力學性能試驗結果

由表3可知,建筑垃圾復合粉體材料的摻入降低了混凝土坍落度,但摻量對混凝土坍落度影響不大;這是由于建筑垃圾復合粉體材料中的磚粉和粉煤灰具有一定的吸水性,降低了混凝土坍落度。當w≤30%時,混凝土7 d強度稍微有所降低,28 d抗壓強度和抗彎拉強度高于基準混凝土。當w=40%時,混凝土7 d抗壓強度降低較多,28 d抗壓強度和抗彎拉強度比基準混凝土有所降低。當w≤30%時,28 d抗壓強度和抗彎拉強度有所增大,這一方面是由于建筑垃圾復合粉體材料中的活性物質在水泥水化的堿性環境中與Ca(OH)2發生火山灰反應,降低了取向性較大、穩定性較差的Ca(OH)2的含量,生成性能更優的低堿度水化產物,改善了水泥石-集料界面結構;另一方面,建筑垃圾復合粉體材料早期吸收的水分在后期釋放出來以及水化環境中Ca2+質量濃度的降低,均促進了水泥水化,進而生成更多水化產物,且水化產物之間相互交叉形成網絡結構,建筑垃圾復合粉體材料的填充及微集料效應均使得混凝土內部結構較為密實,抗彎拉和抗壓能力得到增強。當摻量較大時,混凝土早期強度降低較多,這是由于建筑垃圾復合粉體材料早期活性相對較小,當其摻量較大時,水泥含量減少,有效水灰比增大,溶液中Ca2+質量濃度降低,水泥-粉體材料體系水化速度減慢,水化產物減少,混凝土內部結構較為松散,早期強度降低。

根據上述試驗結果,確定摻建筑垃圾復合粉體材料的C30混凝土配合比如下:R=0.45,w=30%,Sb=34%;水泥、建筑垃圾復合粉體材料、碎石、砂和水的用量分別為272、117、1 212、624、175 kg/m3。

2.2 抗滲試驗結果與分析

不同建筑垃圾復合粉體材料摻量的C30混凝土氯離子遷移系數見表4所列。

表4 氯離子抗滲試驗結果

由表4可知,建筑垃圾復合粉體材料提高了混凝土的抗滲性能,在w=30%處取得最小值。這一方面是由于建筑垃圾復合粉體材料中礦物摻合料的填充效應及火山灰效應改善了混凝土內部的水化產物組成的,優化了界面結構,增加了混凝土密實度,細化了內部孔結構,進而提高了混凝土阻礙Cl-滲透擴散的能力;另一方面,未水化的建筑垃圾復合粉體材料及低堿度的C-S-H凝膠對Cl-具有一定的物理吸附作用,Cl-還可與水化鋁酸鹽及其衍生物生成水化氯鋁酸鈣Friedel鹽,降低了混凝土內部自由Cl-含量[11-12]。此外,建筑垃圾復合粉體材料替代部分水泥后,可降低水泥水化熱,減少混凝土內部微裂紋,提高混凝土抗滲性能。

3 強度和抗滲性能改善機理

3.1 TG-DSC同步熱分析

TG-DSC試驗結果如圖4、圖5所示。

圖4 基準水泥凈漿TG-DSC曲線

圖5 摻30%建筑垃圾復合粉體材料水泥凈漿TG-DSC曲線

由圖4、圖5可知,摻30%建筑垃圾復合粉體水泥凈漿與基準DSC-TG曲線形式相同,但特征峰的位置及大小有所差別,說明建筑垃圾復合粉體材料的加入,并未改變水泥水化產物種類,但改變了水化產物數量;試樣特征峰出現位置有所改變,可能是由于建筑垃圾復合粉體材料的加入,改變了試樣內部密實度,進而改變了混凝土的熱傳導性。

由DSC曲線可知,試樣在100、430、680 ℃左右出現特征峰,分別對應C-S-H凝膠脫去游離水、Ca(OH)2脫水及CaCO3分解釋放CO2的過程。摻30%建筑垃圾復合粉體材料的水泥凈漿Ca(OH)2脫水吸熱峰的峰溫、起點溫度、峰高及峰面積均低于基準試件,說明建筑垃圾復合粉體材料的加入降低了Ca(OH)2含量。由TG曲線可知,試樣在25～700 ℃范圍內緩慢而連續脫水。在50～300 ℃范圍內主要是游離水及水泥水化產物失去凝膠水的過程,此溫度范圍內摻建筑垃圾復合粉體材料試樣質量損失略高于基準試樣,但相差不大。400～500 ℃范圍內質量損失主要是Ca(OH)2脫水,此溫度范圍內摻30%建筑垃圾復合粉體材料試件質量損失比基準試件降低了14.3%,說明建筑垃圾復合粉體材料的二次水化反應降低了Ca(OH)2含量,與DSC曲線分析結果相同。

3.2 SEM結果分析

基準C30混凝土(C30-0%)和摻30%建筑垃圾復合粉體材料C30混凝土(C30-30%)的SEM圖如圖6所示。

由圖6可知,建筑垃圾復合粉體明顯改善了混凝土的水化產物組成。在基準試件中,水化產物主要為結晶粗大且定向分布的六方板狀Ca(OH)2晶體,并夾雜少量硅酸鈣凝膠;而C30-30%試件內部各水化產物形態不是特別明顯,已不能清楚地觀察到Ca(OH)2晶體,主要為顆粒狀硅酸鈣凝膠,彼此交錯形成網狀結構,從而強化了容易出現破壞的骨料與水泥石界面,提高了混凝土內部密實度。此外,圖6b還可清楚地看見部分未水化的建筑垃圾復合粉體材料顆粒,其可填充在硬化水泥漿體和集料之間,提高混凝土的密實度,對于提高混凝土后期強度及耐久性都是非常有利的[13]。

由DSC-TG與SEM分析可知,建筑垃圾復合粉體材料的加入改善了混凝土內部微觀結構與水化產物的組成,減少了結晶度及穩定性較差的Ca(OH)2含量,優化了混凝土界面結構。從化學反應發生的條件來看,正是由于Ca(OH)2的消耗,一方面促進水泥不斷水化,另一方面水泥水化產生新的Ca(OH)2又激發了未水化建筑垃圾復合粉體材料的活性使其進一步發生火山灰反應。兩者之間的互相促進作用,使得凈漿中各種水化產物類型改變及數量增加,密實度提高,宏觀上表現為摻建筑垃圾復合粉體材料強度及抗滲性能的提高。

圖6 混凝土SEM圖

3.3 壓汞試驗結果分析

C30混凝土壓汞試驗結果見表5所列。

由表5可知,建筑垃圾復合粉體材料的火山灰效應、填充效應及微集料效應細化了混凝土內部孔結構,將原來的大孔分割為較細小且不連通的小孔,從而顯著降低了C30混凝土孔隙率。摻量為30%時,混凝土孔隙率相對于基準試件降低39.1%,對混凝土抗滲及其他耐久性能有害的大于100 nm的孔徑降低11.8%;每克總孔隙面積、平均孔徑及中值孔徑比基準混凝土均有所減小。混凝土孔隙率的降低及孔結構的細化可阻斷Cl-滲透通道,提高混凝土抗滲性能[14]。由各孔徑的孔所占比例可知,建筑垃圾復合粉體材料的摻入提高了小于20 nm范圍內的孔,降低了50～100 nm范圍內的孔。文獻[15]研究表明,增大混凝土凝膠孔的數量、降低毛細孔數量可提高混凝土抗滲性能。此外,合理的孔結構及孔級配可提高混凝土密實度、阻斷氯離子滲透通道及提高氯離子吸附能力,使混凝土強度及抗滲性能得到提高。

表5 C30混凝土壓汞試驗結果

注：中值孔徑分別按孔體積、孔面積計算。

4 結 論

(1) 驗證了建筑垃圾復合粉體材料替代部分水泥用于混凝土中的可行性,建筑垃圾復合粉體材料摻入雖然降低了混凝土早期強度,但是后期強度較高,并提高了混凝土抗滲性能。

(2) 建筑垃圾磚粉及復合粉體材料各物理、化學指標表明,建筑垃圾磚粉活性較小,且顆粒分布不均勻,但建筑垃圾復合粉體材料具有較好的顆粒形態與活性。

(3) 水灰比及建筑垃圾復合粉體材料對混凝土坍落度、抗壓及抗彎拉強度的影響較為顯著,砂率對上述指標的影響較小。建筑垃圾復合粉體材料對混凝土抗壓、抗彎拉強度及抗滲性能均有一定程度的提高,其最佳摻量為30%。

(4) 建筑垃圾復合粉體材料對C30混凝土強度及抗滲性能的改善機理為合理的水化產物組成、較好的界面結構、合理的孔結構及孔級配。

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(責任編輯 張淑艷)

Impact of regeneration composite powder material on C30 concrete strength and anti-penetrability performance

XUE Cuizhen, SHEN Aiqin, LIU Bo, LIN Senlin

(Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Regeneration composite powder material consists of milled waste bricks, industrial residues and activator, which provides a new way for regeneration utilization of waste bricks. Based on the orthogonal experiment, the slump and mechanical properties of C30 concrete constructed with regeneration composite powder material were studied, and the influence of regeneration composite powder dosage on the anti-penetrability performance of the C30 concrete was analyzed. The micro-structures of the C30 concrete were also studied by using thermogravimetry-differential scanning calorimetry(TG-DSC), scanning electron microscope(SEM) and mercury intrusion porosimetry(MIP), and the improvement mechanism of regeneration composite powder to concrete strength and anti-penetrability performance was analyzed. The results showed that regeneration composite powder dosage and water cement ratio had large impact on concrete slump and mechanical properties; regeneration composite powder could improve concrete strength and anti-penetrability performance by perfecting hydration products composition and concrete pore structures, and its optimal dosage was 30%.

regeneration composite powder material; orthogonal experiment; slump; concrete strength; resistance to chloride ion permeation; microcosmic improvement mechanism

2015-07-30；

2015-09-16

交通運輸部建設科技資助項目(2013318J16490);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(310821165012)

薛翠真(1990-),女,山東菏澤人,長安大學博士生; 申愛琴(1957-),女,陜西寶雞人,博士,長安大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.014

TU528

A

1003-5060(2017)01-0071-06