堿激發(fā)建筑廢棄物微粉泡沫混凝土性能研究

蔣雨萱 孫海峰 劉 聰 羅楚凡

（揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

伴隨著我國大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，天然資源日益稀缺，開發(fā)建設(shè)也受到困擾和制約。改擴(kuò)建過程中產(chǎn)生的建筑垃圾給城市發(fā)展帶來了諸多問題。建筑垃圾在分級破碎過程中，產(chǎn)生大量活性低、吸水率高的建筑廢棄粉欠缺有效利用的手段。

歐洲國家、美國、日本等國[1-2]都非常關(guān)注再生骨料的應(yīng)用，并進(jìn)行了大量的再生混凝土性能試驗(yàn)。但當(dāng)前研究焦點(diǎn)多集中在再生骨料的大批量資源化應(yīng)用，而對于廢棄微粉的應(yīng)用缺乏關(guān)注。英美日研究結(jié)果表明再生混凝土的各項(xiàng)性能都有所下降，特別是收縮和耐久性嚴(yán)重制約了再生混凝土的工程應(yīng)用。Ma[3]發(fā)現(xiàn)建筑垃圾粉體的剛性填充效應(yīng)可以促進(jìn)水化速率，改善孔結(jié)構(gòu)。Lin[4]發(fā)現(xiàn)微粉含量的增加會增加混凝土的孔隙率。Chen[5]發(fā)現(xiàn)細(xì)度較高的建筑垃圾粉混凝土的干縮率優(yōu)于細(xì)度較低的混凝土。充分利用建筑廢棄粉[6]可減少水泥用量、降低能耗、緩解全球變暖，應(yīng)用建筑廢棄粉可以實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的生態(tài)文明建設(shè)。

本文通過選用堿激發(fā)建筑廢棄粉制備膠凝材料與泡沫混凝土，研究建筑廢棄粉摻量對膠凝材料性能的影響，并制備建筑廢棄粉泡沫混凝土。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本文試驗(yàn)原料如下：河南鞏義S95級白色粒化高爐礦渣粉（BFS）；揚(yáng)州市某公司生產(chǎn)的水泥混凝土建筑廢棄粉（RCP）；均產(chǎn)自河南鞏義。堿激發(fā)劑由NaOH溶解于水玻璃中配制而成，所用堿激發(fā)劑為液體硅酸鈉（水玻璃模數(shù)3.3 、含固量63.67 %、38.5 Be）。試驗(yàn)所用NaOH為片狀固體顆粒 分析純）。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)前期研究成果確定水玻璃模數(shù)為1.6，本試驗(yàn)設(shè)置如下參數(shù)：m建筑廢棄粉/礦渣粉）選取10/0、7/3/、5/5，堿當(dāng)量選取4%、5%、6%，水固比為0.4 ，研究其對堿激發(fā)膠凝材料凝結(jié)時間、抗壓強(qiáng)度的影響。

2 堿激發(fā)膠凝材料

2.1 配合比對堿激發(fā)膠凝材料強(qiáng)度的影響

當(dāng)水固比為0.4 、堿當(dāng)量為6%時，m值建筑廢棄粉/礦渣粉）從10/0變化到5/5，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。隨著建筑廢棄粉占比的減小，凝結(jié)時間加快，28d的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢。

圖1 m（建筑廢棄粉/礦渣粉）對堿激發(fā)建筑廢棄粉膠凝材料的性能影響

隨著礦渣摻量的增加，膠凝材料的3d抗壓強(qiáng)度顯著提高，28d抗壓強(qiáng)度的提高減緩，建筑廢棄粉復(fù)合膠凝材料的凝結(jié)時間明顯加快。礦渣粉是一種高活性的物質(zhì)，含有較多的活性Ca離子，充足的活性Ca源會促進(jìn)反應(yīng)生成大量的C-S-H和NA-S-H凝膠。C-S-H和N-A-S-H凝膠在反應(yīng)中協(xié)同作用，有效提高堿激發(fā)膠凝材料的抗壓強(qiáng)度。建筑廢棄粉活性較低，解聚和基團(tuán)復(fù)合聚合反應(yīng)緩慢，導(dǎo)致早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢。

2.2 堿當(dāng)量對堿激發(fā)膠凝材料灌漿材料的性能影響

固定m值為5/5，水固比為0.4 ，堿當(dāng)量從4%上升為6%，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。隨著堿當(dāng)量的增加，即溶液濃度增加，前期反應(yīng)劇烈，加快了凝結(jié)速度。隨著溶液濃度的增加，堿激發(fā)膠凝材料的3d抗壓強(qiáng)度顯著增加，28d強(qiáng)度小幅增加。

圖2 堿當(dāng)量對堿激發(fā)膠凝材料灌漿材料的性能影響

堿當(dāng)量越高，堿激發(fā)膠凝材料與堿激發(fā)劑反應(yīng)速率加快，導(dǎo)致凝結(jié)時間變快，堿激發(fā)膠凝材料反應(yīng)更完全，原材料成分得到充分激發(fā)，提高抗壓強(qiáng)度。堿當(dāng)量低，堿激發(fā)膠凝材料化學(xué)反應(yīng)不完全，使抗壓強(qiáng)度低、凝結(jié)時間減緩。適當(dāng)提升堿含量，對于試件的前期強(qiáng)度增長較大的提升，但過高的堿含量對后期強(qiáng)度的提升效果不如前期提升大。

3 堿激發(fā)建筑廢棄粉泡沫混凝土

上文研究表明，建筑廢棄粉膠凝材料具有與水泥漿體相似的強(qiáng)度、凝結(jié)時間。堿激發(fā)材料具有早強(qiáng)、綠色、環(huán)保等特點(diǎn)，本文擬采用建筑廢棄粉泡沫混凝土代替普通軟土地基填筑路堤，以減少地基沉降和附加應(yīng)力。本文參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范與天津市公路工程地方標(biāo)準(zhǔn)》(JTG D30-2015)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文采用物理發(fā)泡法制備了泡沫混凝土。選取上文m值為5/5,堿當(dāng)量為6%，從單因素研究入手，研究泡沫摻量（50%～70%）對泡沫混凝土流動度、干密度、抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響規(guī)律，探索泡沫摻量對建筑廢棄粉膠凝材料泡沫混凝土的影響。

根據(jù)圖3可知，隨著泡沫含量的增加，濕容重顯著降低。這是因?yàn)榇罅繗馀莸囊肴〈四z凝材料，增加了產(chǎn)生孔隙的比例，降低了膠凝組分的質(zhì)量。隨著泡沫含量的增加，流動性顯著降低。這是因?yàn)榕菽鲃有圆?，需要堿激發(fā)漿體潤滑，泡沫摻量的增加會導(dǎo)致泥漿數(shù)量不足以發(fā)揮潤滑的特性。隨著泡沫含量的增加，吸水率逐漸增大。這是因?yàn)榕菽诓牧险w中占比增大，表面孔和連通孔數(shù)量增多、體積增大，其吸水能力顯著增強(qiáng)。且當(dāng)泡沫含量過高時，泡沫的穩(wěn)定性必然降低，液壁變得脆弱且易破使得小泡沫破裂合并成更容易吸水的大泡沫，很容易吸收水。隨著泡沫含量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)橐环矫嬗捎谂菽康脑黾?，膠結(jié)材料的數(shù)量減少，而孔隙的數(shù)量增加。這將導(dǎo)致材料內(nèi)部存在大量的空隙部分，當(dāng)材料受壓時孱弱的骨架充分無法提供足夠的支撐力。且當(dāng)小泡沫合并形成大泡沫時，材料內(nèi)部會出現(xiàn)較大的空隙區(qū)域，孔隙分布不均勻，結(jié)構(gòu)整體較差，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致試樣更加容易破壞。但由圖可知，當(dāng)泡沫摻量為70%時，泡沫混凝土的濕容重上升，流動度提高，吸水率升高，但其干密度卻下降。這說明了過高孔隙率的泡沫混凝土不適宜使用物理發(fā)泡法來制備，容易發(fā)生泡沫碎裂等問題。當(dāng)摻量過高時，泡沫無法穩(wěn)定，許多泡沫直接破裂，釋放出大量的水到漿液中，使得材料的濕容重、流動度、吸水率變大。

圖3 泡沫摻量對堿激發(fā)建筑廢棄粉泡沫混凝土的影響

4 結(jié)論

4.1 隨著m建筑廢棄粉/礦渣粉）和堿當(dāng)量的減小，堿激發(fā)膠凝材料的凝結(jié)時間會減緩。隨著m（建筑廢棄粉/礦渣粉）、堿當(dāng)量的增大，堿激發(fā)膠凝材料的28d抗壓強(qiáng)度越大。

4.2 礦渣在堿激發(fā)體系中具有較強(qiáng)活性，可以提供主要的強(qiáng)度。建筑廢棄粉活性較低，但仍可以在堿激發(fā)下形成一定的強(qiáng)度，與礦渣摻和使用可以制備具備較優(yōu)性質(zhì)的無機(jī)膠凝材料，推薦m建筑廢棄粉/礦渣粉）=5/5。

4.3 堿當(dāng)量對激發(fā)效果影響較大，高堿當(dāng)量提高前期強(qiáng)度，但對后期強(qiáng)度的影響相對較小。建筑廢棄粉可制備堿激發(fā)泡沫混凝土，所測物理性能滿足規(guī)范指標(biāo)要求。