基于均勻設計法的再生微粉活性激發實驗研究

＊陳秋玲 李琴

（1.成都職業技術學院 四川 610041 2.云南開放大學 云南 650500）

1.引言

在混凝土廢棄物再生利用過程中，產生約15%[1]的再生微粉。再生微粉以硬化水泥石碎屑和未水化的水泥及磚粉[2]為主，由于具有潛在水化活性，可部分代替水泥使用[3]，但由于應用性能較差[4]，成了再生利用的難題。再生微粉部分組成及含量與天然砂石相近，因此將其直接作為細骨料替代天然砂用于砂漿配制將為大量利用再生微粉尋找一條出路。由李琴前期研究再生微粉活性激發制備砂漿的實驗結果[5-7]可知，Na2SO4、CaCl2均能激發再生微粉的活性，其中Na2SO4在早期激發效果明顯，CaCl2在養護后期效果明顯，而再分散乳膠粉會影響粉狀物分散的效果，從而影響活性激發。為了更好地激發再生微粉潛在活性，協同發揮每種成分的配伍效果，本文擬以再生微粉代替天然砂，以水泥、粉煤灰等為主要膠凝材料配制再生砂漿，配以Na2SO4、CaCl2、可再分散乳膠粉等多種化學成分制成配方激發劑激發再生微粉活性，以再生砂漿的抗壓強度為考核指標，采用均勻設計安排實驗，研發最優激發劑配方及其激發效果。

2.實驗材料與實驗方法

(1)再生微粉XRD及化學成分

本文實驗采用來自于昆明市建筑物拆遷過程中產生的廢棄建筑物再生微粉，其化學成分及與天然砂的對比分析見表1。由表1可見，再生微粉與天然砂主要成分一致，都以SiO2為主，不同的是，再生微粉含較多的CaO，這為水化活性激發提供一定的物質基礎。

表1 再生微粉化學成分

(2)水泥、粉煤灰物理性能

實驗采用昆明水泥廠生產的礦渣硅酸鹽水泥32.5，實測28天抗壓強度為46.5MPa。粉煤灰來自昆明陽宗海發電廠，產品等級為1級。所選激發劑CaCl2、Na2SO4、再分散乳膠粉均為分析純。

(3)實驗方法

均勻設計是基于試驗點在整個試驗范圍內均勻散布，從均勻性角度出發提出的一種試驗設計方法。該方法能從最少的實驗數據獲取最多的有用信息，能把實驗點均勻地散布在實驗范圍內，每個因素的每個水平只有一次實驗，在多因素和水平的配方研發中十分有用。

根據前期研究成果，本文配方激發劑由水泥、CaCl2、Na2SO4、可再分散乳膠粉和粉煤灰這5種物質組成，采用均勻設計方法，以再生微粉為骨料，上述配方激發劑的5種成分作為5個因素，在每個因素使用范圍內取12個水平進行試驗。為提高實驗精度及可靠性，節約實驗成本，選取均勻設計表U12*(1210)，并采用擬水平法來安排實驗。根據U12*(1210)的使用表[8]，5個因素分別安排在第1、3、4、8、10列上。

(4)實驗測試儀器

①微觀形貌分析檢測儀SEM，規格：EPMA-8705型掃面電子顯微鏡。②XRD：采用德國布魯克公司生產的D8 ADVANCE型X射線衍射儀進行測試。

3.實驗結果與分析

(1)再生微粉砂漿最佳激發配方選擇

把均勻設計實驗得到的12個水平的再生微粉砂漿抗壓強度值列在表2上（實驗所用的水膠比0.6，再生微粉砂漿90d齡期的抗壓強度按水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）GBIT17671-1999的要求實施）對實驗結果的數據正規化處理后輸入計算機均勻設計軟件，經過多次多項式回歸擬合得回歸方程，采用后退法，變量篩選，回歸方程如下：查F分布表得F0.05=8.845。檢驗值Ft=2227，臨界值F(0.05,8,3)=8.845，Ft＞F(0.05,8,3)，回歸方程F檢驗基本通過，剩余標準差s=0.129，對回歸系數的檢驗也基本通過。最后對上面的回歸方程求極值，預測得到優化配方為：x1=0.29，x2=0.012，x3=0.01，x4=0.001，x5=0.043。即優化配方激發劑各組分比例為：水泥:CaCl2:Na2SO4:再分散乳膠粉:粉煤灰=29:1.2:1:0.1:4.3。

表2 實驗方案與結果

為了驗證所得到的指標值的可靠性，對優化配方進行實驗，得到y=30.08。比前期均勻設計實驗的最好結果20.2好，達到實驗的目的。

為進一步考查砂漿的強度及工作性能，本文另安排再生微粉在配方激發劑和單獨用水泥做激發劑兩種實驗條件下的對比試驗。結果表明：①在水泥用量相等的情況下，配方激發劑作用下再生微粉砂漿的抗壓強度、抗折強度顯著提高，其抗折強度最高可達水泥砂漿抗折強度的2.18倍，抗壓強度可達水泥砂漿的2.54倍；②本實驗條件下，只添加水泥的各組分試樣保水率≤88%，2h稠度損失率≥30%，凝結時間均小于3h，可見水泥砂漿工作性能較差，而配方激發劑添加量大于8%的再生微粉砂漿的工作性能均能達到普通砌筑砂漿和干混地面砂漿標準要求，保水率≥88%，2h稠度損失率≤30%，凝結時間均在3～9h內，說明配方激發劑的成分對改善砂漿工作性能有利。③與文獻[9-10]相比，本實驗條件下配方激發劑用量分別達8%、11%、15%時，強度基本能達到水泥、粉煤灰砂漿的M10、M20和M25等級要求，但水泥用量大大減少，成本顯著降低。

(2)配方激發劑協同效果的微觀機理探索

圖1是再生微粉的XRD物相，圖2中C1水泥砂漿試樣28d齡期XRD物相，C2是配方激發劑砂漿的XRD物相。對比三者衍射峰，發現配方激發劑中不同成分協調激發再生微粉中活性物質，生成了更多的C-S-H凝膠和硅酸鹽，尤其是碳酸鈣和雪硅鈣石[11]衍射峰強度較高。這一點在掃描電鏡圖3中C2可以明顯看出，雪硅鈣石呈顆粒狀彌散分布在膠凝性物質的中間，提高了砂漿的力學性能[12]，這也解釋了配方激發劑激發再生微粉砂漿的抗壓強度和抗折強度較高的原因。另外，配方激發劑中有氯離子，生成物中含有Friedel鹽[13]，這種具有膨脹性的硅酸鹽，對砂漿微觀結構有改善作用，從而電鏡圖3中C2結構更加致密,與實驗觀察到其收縮率較小相吻合，與文獻[14]研究結論一致。而圖3中C1水泥再生微粉砂漿的微觀形貌呈現出在凝膠性物質中穿插著針狀的鈣礬石晶粒，這種結構能在一定程度上提高砂漿的機械性能[15]，但由于水泥激發再生微粉活性不充分，砂漿中生成物數量和種類都較少，28d齡期砂漿收縮率較大，抗壓強度和抗折強度都達不到等量激發劑作用下砂漿的抗壓強度和抗折強度。

圖1 廢棄混凝土再生微粉XRD

圖2 28d齡期砂漿試樣C1和C2的XRD

圖3 28d齡期C1和C2試樣式樣28d齡期SEM（放大2000倍）

4.結論

（1）采用均勻設計實驗方法，利用較少的實驗次數，獲得配方激發劑優化配比為：水泥:CaCl2:Na2SO4:再分散乳膠粉:粉煤灰=29:1.2:1:0.1:4.3。以該配比激發劑與再生微粉配制砂漿，其抗壓強度優于等量水泥配制的再生微粉砂漿。

（2）配方激發劑能改善砂漿的工作性能，激發砂漿的保水率≥88%，2h稠度損失率≤30%，凝結時間均在3～9h內，達到普通砂漿的標準。本實驗條件下，配方激發劑砂漿的力學性能比添加等量水泥的砂漿優良。

（3）配方激發劑激發再生微粉活性，能生成更多的膠凝性物質和膨脹性物質，改善了砂漿的工作性能，膠凝性物質和膨脹性物質相互作用，改善了砂漿微觀結構，從而提高砂漿的宏觀強度。