混凝土再生粉復(fù)合錳渣的膠凝性試驗(yàn)研究

鄧洪剛， 吳福飛， 朱麗菊， 羅 成

(1.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025; 2.中建四局第一建筑工程有限公司， 廣東 廣州 510800)

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路、橋梁、民用建筑、市政等基礎(chǔ)設(shè)施工程正在進(jìn)行大量的新建及改造。在新建及改造過程中，大量的老舊建筑物的拆除及新混凝土建筑物的建造，將產(chǎn)生大量的建筑垃圾，建筑垃圾中絕大部分是廢棄混凝土。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年將產(chǎn)生近億噸廢棄混凝土，全世界每年產(chǎn)生的廢棄混凝土高達(dá)10×108t以上[1]，預(yù)計(jì)到2020年我國產(chǎn)生的廢棄混凝土將達(dá)20 ×108t[2]，這些廢棄混凝土的棄置不僅占用大量土地資源[3]，而且對水源、土壤和空氣產(chǎn)生二次污染[4]。

目前對廢棄混凝土的資源化利用技術(shù)主要是將其破碎后用作路基或低強(qiáng)度建筑制品和再生骨料混凝土技術(shù)[5]。張學(xué)元[6]通過重點(diǎn)分析高性能混凝土再生骨料的力學(xué)性能，提出了再生骨料在高性能混凝土中的應(yīng)用方法和途徑；李海濱等[7]將再生骨料替代碾壓混凝土中天然骨料，并成功證實(shí)廢舊混凝土再生骨料可以在路面中進(jìn)行循環(huán)利用；劉震宇等[8]通過配制不同強(qiáng)度等級和不同再生骨料摻量的再生混凝土，成功應(yīng)用于實(shí)際工程，并取得很好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益；秦志勇等[9]將再生骨料用于配制輕骨料混凝土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不僅滿足輕骨料混凝土各項(xiàng)指標(biāo)，且更具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；周志新等[10]將廢棄混凝土和鐵尾礦砂加工成再生骨料，成功設(shè)計(jì)出一種全再生骨料混凝土空心砌塊的配合比。

利用廢棄混凝土回收再生膠凝材料的研究已有報(bào)道，并初具規(guī)模，東南大學(xué)潘鋼華等[11]利用石膏、礦渣、混凝土微粉制備了一種再生自硬性膠凝材料，滿足普通硅酸鹽水泥42.5和52.5級水泥標(biāo)準(zhǔn)；陳偉等[12]通過在再生膠凝材料中添加聚合鋁改性劑，使得再生膠凝材料水化產(chǎn)物增加，提高了砂漿的密實(shí)度；何永佳等[13]利用廢棄混凝土微粉和超細(xì)硅灰制備了一種改性再生膠凝材料。李東等[14]利用再生微粉、脫硫石膏、礦渣和鋼渣成功設(shè)計(jì)出了滿足32.5級復(fù)合水泥強(qiáng)度等級的無熟料膠凝材料配合比；方永浩等[15]利用廢棄硬化水泥漿體和粉煤灰、礦渣等原料制備了一種再生 膠凝材料，其強(qiáng)度可達(dá)到 49.7MPa。目前未見到廢棄混凝土再生粉與錳渣復(fù)合制備再生膠凝材料的研究報(bào)道，尤其是深入研究不同組分摻量對混凝土再生粉-錳渣復(fù)合膠凝性的影響研究，為此本文探究不同組分摻量對砂漿力學(xué)性能、孔結(jié)構(gòu)、耐高溫后的力學(xué)性能的影響研究，為設(shè)計(jì)優(yōu)化廢棄混凝土再生粉-錳渣復(fù)合膠凝材料配合比提供一定的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 材料和方法

2.1 材料與試劑

混凝土再生粉為某建筑工地C50(水灰比0.35)廢棄混凝土經(jīng)破碎、分離、粉磨、篩分至粒徑小于等于0.075 mm，在600℃馬弗爐中煅燒并保溫6 h后迅速冷卻制得。水泥熟料為貴州水城工廠生產(chǎn)，比表面積為315 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為25.8%，初凝和終凝時(shí)間分別為179和255 min，3、28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為5.6和8.9 MPa、26.5和52.5 MPa，熟料組成成分見表1。錳渣取自貴州松桃武陵錳業(yè)集團(tuán)，黑色泥糊狀，經(jīng)烘干、粉磨至粒徑小于等于0.075 mm，在300℃的馬弗爐中煅燒5 h后迅速冷卻所得。生石灰的主要成分為氧化鈣，無定形，白色粉末固體。硅灰中SiO2含量大于等于90%，細(xì)度小于10 μm的占99.8%以上，比表面積為10 692 m2/g。石膏為脫硫石膏經(jīng)200℃的烘箱烘干6 h，在干燥皿自然冷卻至室溫后粉磨至粒徑小于等于0.075 mm制得。砂為中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。無水硫酸鈉(Na2SO4來自天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)，白色結(jié)晶性粉末，有吸潮性，溶于水，不易溶于乙醇。Na2SO4含量不小于99%，pH值(50 g/L，25℃)5.0～8.0。減水劑為聚羧酸高效減水劑(重慶三圣特種建材股份有限公司生產(chǎn))。試驗(yàn)拌和用水為普通自來水。

表1 熟料的組成成分 %

2.2 試驗(yàn)方法

通過前期大量試驗(yàn)得出的配合比為混凝土再生粉：熟料∶生石灰∶硅灰∶石膏∶錳渣∶激發(fā)劑=46∶36∶3∶6∶4∶5∶2.5。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究Na2SO4摻量(0、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%)、水灰比(0.35、0.40、0.42、0.45、0.50)、混凝土再生粉摻量(36%、46%、56%、66%)和錳渣摻量(0、5%、10%)對砂漿力學(xué)性能、孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和耐火性能的影響。砂漿試件養(yǎng)護(hù)至28 d后，測試其抗折強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度，通過吸水動(dòng)力學(xué)測試孔結(jié)構(gòu)，參考文獻(xiàn)[16]計(jì)算孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，并測試高溫煅燒后的抗折強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度(煅燒溫度500℃，保溫時(shí)間3 h，水中迅速冷卻至室溫)。

3 結(jié)果與分析

3.1 抗折強(qiáng)度

圖1為Na2SO4摻量、水灰比、混凝土再生粉摻量及錳渣摻量與砂漿抗折強(qiáng)度的關(guān)系。由圖1(a)可知，砂漿抗折強(qiáng)度隨Na2SO4摻量的增加，呈先增后減的趨勢，在早期(3 d)對砂漿抗折強(qiáng)度的作用尤為突出，摻量為2.5%時(shí)，抗折強(qiáng)度高達(dá)7.3 MPa，是不摻Na2SO4時(shí)的1.2倍。但隨著齡期的增長，Na2SO4的最佳摻量發(fā)生改變，變?yōu)?.5%，早期(3 d)的最佳摻量反而對抗折強(qiáng)度的發(fā)展起到明顯的劣化作用。其原因是Na2SO4的摻入，生成高分散性的CaSO4均勻分布在砂漿中，使水化硫鋁酸鈣迅速生成，加快了水泥硬化。由圖1(b)可知，隨著水灰比的增加，砂漿抗折強(qiáng)度不斷降低，其中水灰比在0.35～0.40時(shí)，降低幅度最大，而水灰比在0.42～0.50時(shí)，抗折強(qiáng)度降低幅度相對較小。這是因?yàn)樗冶容^高時(shí)，砂漿收縮性較大，且凝結(jié)收縮過程中由于水分蒸發(fā)、泌水等多種不利因素的影響，孔隙增多，砂漿密實(shí)度降低，強(qiáng)度降低。而當(dāng)水灰比很高時(shí)，即用水量多，增加了膠凝材料與水的作用面，水化反應(yīng)較充分，水化產(chǎn)物大量生成，砂漿抗折強(qiáng)度降低較緩慢。

由圖1(c)可知，混凝土再生粉對砂漿的抗折強(qiáng)度影響較大，隨摻量的增加，抗折強(qiáng)度呈先減后增再減的變化規(guī)律。適量的混凝土再生粉能夠明顯提高砂漿的抗折強(qiáng)度。其原因是，混凝土再生粉摻量很少時(shí)，熟料摻量相應(yīng)增加，混凝土再生粉對熟料的分散作用，加大了熟料與水的接觸面，加速了水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物大量生成，同時(shí)部分混凝土再生粉發(fā)揮的細(xì)集料效應(yīng)，提高了砂漿密實(shí)性。當(dāng)混凝土再生粉摻量較少時(shí)，比表面積較小，活性較低，活性成分與水發(fā)生水化反應(yīng)的作用面較小，強(qiáng)度降低。但隨著混凝土再生粉摻量繼續(xù)增大，增加了活性成分與水的水化反應(yīng)，強(qiáng)度得到發(fā)展。但當(dāng)摻量增加到一定限值后，由于混凝土再生粉活性成分較低，過多的混凝土再生粉替代熟料，水化產(chǎn)物較少，強(qiáng)度降低。由圖1(d)可知，適量(5%)的錳渣摻入能提高砂漿的抗折強(qiáng)度。其原因是，錳渣顆粒較細(xì)，絕大部分顆粒小于30 μm，且主要集中在15～30 μm，錳渣在砂漿中發(fā)揮細(xì)集料效應(yīng)使砂漿變得更為密實(shí)。還有可能是，錳渣中含有Fe2O3，錳渣的摻入，補(bǔ)充或增加了砂漿中Fe2O3含量，提高砂漿抗折強(qiáng)度。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，Na2SO4和混凝土再生粉在一定程度上都能提高砂漿的抗折強(qiáng)度，但不易控制，摻量過多或過少都將顯著降低砂漿抗折強(qiáng)度，這是因?yàn)檫@兩種材料的雙向作用均明顯。水灰比和錳渣則對砂漿抗折強(qiáng)度的發(fā)展較有規(guī)律，也更容易保證砂漿的抗折強(qiáng)度，即使錳渣摻量為10%時(shí)砂漿抗折強(qiáng)度略有降低，但降幅不大。因此，在數(shù)據(jù)資料不充分的條件下，應(yīng)盡可能通過降低水灰比來提高砂漿抗折強(qiáng)度。但在數(shù)據(jù)資料充分條件下，可采取改變混凝土再生摻量來提高砂漿抗折強(qiáng)度，這樣更有利于提高混凝土再生粉的資源化利用率，且獲得較高的抗折強(qiáng)度。

圖1 Na2SO4、水灰比、混凝土再生粉和錳渣摻量對砂漿抗折強(qiáng)度的影響

3.2 抗壓強(qiáng)度

圖2是Na2SO4摻量、水灰比、混凝土再生粉摻量及錳渣摻量與砂漿抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。由圖2(a)可知，砂漿抗壓強(qiáng)度早期(3 d)隨Na2SO4摻量增加，同抗折強(qiáng)度變化規(guī)律一樣，呈先增后減趨勢，隨著齡期的增長，對抗壓強(qiáng)度的作用效果越來越不明顯，28 d時(shí)強(qiáng)度有所降低，但降低幅度不大。其原因是，Na2SO4易與C3S、C2S的水化產(chǎn)物CH生成CaSO4，混凝土中CH被大量消耗，加速了C3S、C2S的水化，C-S-H大量生成，早期強(qiáng)度有所提高，但隨著Na2SO4摻量的增加，C3A被大量消耗，生成的AFt的量減少，強(qiáng)度降低。由圖2(b)可以看出，水灰比越小，砂漿的抗壓強(qiáng)度則越高，當(dāng)水灰比為0.35時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度高達(dá)60.2 MPa。這是因?yàn)樗冶仍降?，砂漿收縮越小，密實(shí)度高。由圖2(c)可知，砂漿抗壓強(qiáng)度隨混凝土再生粉摻量的增加，強(qiáng)度略有降低，但沒有出現(xiàn)驟降現(xiàn)象，混凝土再生粉摻量為66%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度也能達(dá)到46 MPa。主要是因?yàn)殡S著齡期的增長，混凝土再生粉活性逐漸得以體現(xiàn)。由圖2(d)可知，錳渣摻量為5%時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度最高，但摻入過多的錳渣，強(qiáng)度有所下降。其原因是，錳渣的分散效應(yīng)使其他活性較高的材料變得更為分散，易于水化，同時(shí)錳渣的摻人改善了膠凝材料的粒度分布，砂漿變得更為密實(shí)。還有可能是，錳渣經(jīng)過高溫煅燒后，其部分石膏活性得以激發(fā)，提高了砂漿的抗壓強(qiáng)度。錳渣活性較低，過多的錳渣摻入，使活性再生粉含量降低，水化產(chǎn)物減少，從而導(dǎo)致砂漿抗壓強(qiáng)度降低。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，Na2SO4對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響波動(dòng)性較大，整體上降低了砂漿抗壓強(qiáng)度。水灰比和混凝土再生粉的增加，使砂漿抗壓強(qiáng)度均有所降低，其中水灰比降低幅度最為明顯，影響程度大。錳渣則對抗壓強(qiáng)度的發(fā)展有利，當(dāng)錳渣摻量>5%后，作用效果則不明顯。結(jié)合各試件砂漿抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度得出綜合力學(xué)性能，即既保證砂漿抗折強(qiáng)度的情況下，又要保證砂漿的抗壓強(qiáng)度。Na2SO4、混凝土再生粉、錳渣及水灰比對砂漿綜合力學(xué)影響大小順序分別是：水灰比>錳渣>混凝土再生粉>Na2SO4。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)盡很可能降低砂漿水灰比來提高砂漿的綜合力學(xué)性能。

圖2 Na2SO4、水灰比、混凝土再生粉和錳渣摻量對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

3.3 孔結(jié)構(gòu)分析

砂漿的主要性能，如力學(xué)性能、抗?jié)B性、抗凍性、保溫隔熱性等多種性能都與其內(nèi)部孔隙分布有關(guān)，通過測定砂漿孔隙參數(shù)，了解孔隙內(nèi)部情況，有利于改善或提高砂漿的性能，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

在砂漿中摻入Na2SO4增加了砂漿的最大質(zhì)量吸水率，即孔隙率，但卻明顯降低了砂漿的平均孔徑λ1、λ2，砂漿孔徑分布更為分散，密實(shí)度也略有降低。不難發(fā)現(xiàn)，水灰比對砂漿孔隙特征的影響較大，水灰比越低，砂漿孔隙率越小，平均孔徑及孔徑均勻系數(shù)均明顯降低，砂漿更為密實(shí)?；炷猎偕垭S摻量增加，砂漿孔隙率增大，孔徑分布略有分散，平均孔徑λ1、λ2和干表觀密度均有所降低。在砂漿中摻入過多的錳渣，砂漿孔隙率增大，密實(shí)度降低，平均孔徑λ1、λ2明顯增加，孔徑分布更為分散。綜上，在砂漿中摻入Na2SO4、降低水灰比或提高再生粉摻量均降低了砂漿的平均孔徑，細(xì)化了孔結(jié)構(gòu)。而過量的錳渣則加大了砂漿平均孔徑。 結(jié)合上述砂漿抗折/抗壓強(qiáng)度(28 d)可以發(fā)現(xiàn)，砂漿平均孔徑λ1、λ2越小，孔徑分布越分散，越有利于抗折強(qiáng)度的發(fā)展。而孔隙率越小，密實(shí)度越高，越有利于提高砂漿的抗壓強(qiáng)度。

表2 不同組分摻量砂漿試件孔隙特征

注：不同Na2SO4摻量砂漿試件編號為B，“1”為摻量0.0%，“2”為摻量1.5%；不同水灰比砂漿試件編號為C，“1”為0.35，“2”為0.42；不同混凝土再生粉摻量砂漿試件編號為D，“1”為摻量36%，“2”為摻量56%；不同錳渣摻量砂漿試件編號為E，“1”為摻量5%，“2”為摻量10%。下同。

3.4 高溫后的殘余力學(xué)性能

各砂漿試件高溫煅燒后的殘余力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 砂漿試件高溫后的殘余力學(xué)性能

激發(fā)劑Na2SO4的摻入使砂漿試件高溫后的承載力有所降低，且受高溫的影響也明顯加大，Na2SO4摻量為1.5%時(shí)的殘余百分比是摻量為0時(shí)的1.2倍。水灰比越小，砂漿試件耐高溫的能力越強(qiáng)，受高溫的影響程度也越小，水灰比為0.42時(shí)的殘余百分比是0.35時(shí)的1.9倍。隨著混凝土再生粉摻量的增加，砂漿試件耐高溫的能力有所降低，混凝土再生粉摻量為56%時(shí)的殘余百分比是摻量為36%時(shí)的1.8倍。錳渣對砂漿耐高溫的影響則與Na2SO4、水灰比、混凝土再生粉的影響規(guī)律不同，錳渣摻量的增加，有利于提高砂漿試件耐高溫的能力，受高溫的影響也有所降低。

綜上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各組分摻量及水灰比對提高砂漿耐高溫性能的影響大小順序依次為：水灰比>混凝土再生粉>Na2SO4>錳渣。對應(yīng)表2砂漿孔隙特征可以發(fā)現(xiàn)，砂漿平均孔徑越大、分布越均勻，砂漿耐高溫的能力則越強(qiáng)。水灰比的影響則有所不同，水灰比越低，砂漿密實(shí)度越高，強(qiáng)度也越大，受高溫的影響較小。

4 結(jié) 論

(1)砂漿中摻入適量的Na2SO4、混凝土再生粉、錳渣或降低水灰比，均有利于提高砂漿的抗折強(qiáng)度，在早期較為顯著，對后期的影響較小。水灰比為0.35時(shí)，3 d的抗折強(qiáng)度已達(dá)28 d抗折強(qiáng)度的98%。

(2)Na2SO4的摻入或水灰比和混凝土再生粉的增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度均有所降低，其中水灰比的影響程度最大。錳渣則對抗壓強(qiáng)度的發(fā)展有利，當(dāng)錳渣摻量>5%后，作用效果則不明顯。

(3)在砂漿中摻入少量Na2SO4、降低水灰比或提高混凝土再生粉摻量都能在在一定程度上改變砂漿的孔結(jié)構(gòu)分布，降低砂漿的平均孔徑，細(xì)化孔結(jié)構(gòu)。過量的錳渣則加大了砂漿平均孔徑，因此，錳渣的摻量應(yīng)控制在5%以內(nèi)為宜。

(4)適量增加錳渣或降低水灰比均有利于提高砂漿耐高溫性能，Na2SO4的摻入或混凝土再生粉摻量的增加卻降低了砂漿耐高溫的能力。