全再生細(xì)骨料免蒸壓陶粒輕質(zhì)混凝土隔墻板研究

楊醫(yī)博，曾威振，李顏君，陳峭卉，郭文瑛，詹建潮， 陳應(yīng)欽，王恒昌

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510641;2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510641; 3.中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)華南有限公司，廣州 510000;4.廣東省建筑材料研究院，廣州 510000)

0 引 言

2019年我國開展“無廢城市”建設(shè)試點(diǎn)，其中建筑垃圾處理是重要組成部分。我國建筑垃圾數(shù)量已占到城市垃圾總量的30%～40%[1]，且多是直接填埋。與發(fā)達(dá)國家接近98%的回收率相比[2]，中國建筑廢棄物回收利用率只有不到5%[3]。將建筑垃圾中占比較大的混凝土分離、破碎，制備成再生骨料被認(rèn)為是廢棄混凝土再利用的有效方法之一。傳統(tǒng)工藝將廢棄混凝土破碎，并通過篩分得到再生粗、細(xì)骨料。由于其性能不及機(jī)制砂石，售價(jià)較低,特別是再生細(xì)骨料，其在混凝土中應(yīng)用較少,多用于填方。

全再生細(xì)骨料(Complete Recycled Fine Aggregate，簡稱CRFA)技術(shù)[4]將廢棄混凝土全部制備為再生細(xì)骨料，能有效提高表觀密度，降低吸水率[5]，其飽和面干吸水率低于7.0%，通常為5.0%～6.5%，能夠全部取代河砂制備混凝土，從而大幅提高其利用效益。

近年來我國大力推進(jìn)建筑工業(yè)化，其中隔墻板是主要構(gòu)件類型，其市場潛力很大。蒸壓陶?；炷量招膲Π迨鞘袌鼋邮艹潭容^高的一種輕質(zhì)隔墻板，但其需要使用蒸壓釜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。而蒸壓釜需采用鍋爐供熱，能耗大且具有一定的危險(xiǎn)性。為保護(hù)環(huán)境，我國在逐漸限制鍋爐的使用。為此，迫切需要開發(fā)免蒸壓的隔墻板產(chǎn)品，以解決建筑工業(yè)化快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)之間的矛盾。陶?；炷炼嗖捎煤由盀榧?xì)骨料，但近年來國內(nèi)河砂價(jià)格高企，資源緊張，能否將廢棄混凝土加工為再生細(xì)骨料取代河砂值得進(jìn)行研究。

也有部分研究將傳統(tǒng)再生粗骨料和再生細(xì)骨料用于墻體材料[6-8]?？紤]到輕質(zhì)是隔墻板的基本要求，故不宜使用密度大的再生粗骨料。CRFA性能優(yōu)于傳統(tǒng)再生細(xì)骨料，適用于輕質(zhì)隔墻板，但未見研究報(bào)道。

為解決陶?；炷林刑樟Ｉ细栴}，有研究摻加引氣劑引入少量氣泡[9-13]，也有研究在泡沫混凝土中加入適量陶粒復(fù)合而成陶粒泡沫混凝土。與普通泡沫混凝土相比，陶粒起到骨架的作用，陶粒泡沫混凝土的收縮相對較低[14]。

陶粒泡沫混凝土主要采用泡沫劑方式[15]，需依賴發(fā)泡機(jī)，存在泡沫不能放置太久和泡沫不穩(wěn)定等問題。與泡沫劑相比，引氣劑使用更方便。通過引氣劑引入大量氣泡，取代現(xiàn)有的泡沫劑發(fā)泡，是較優(yōu)的隔墻板引氣方式，但相關(guān)研究很少。

輕質(zhì)高強(qiáng)是隔墻板的基本要求，但輕質(zhì)和高強(qiáng)本身就存在矛盾。曾威振等[16]通過對我國隔墻板標(biāo)準(zhǔn)及使用要求的分析，提出免蒸壓隔墻板應(yīng)按JG/T 169—2016《建筑隔墻用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》進(jìn)行開發(fā)。面密度、抗壓強(qiáng)度是隔墻板性能的基本指標(biāo)，本文主要針對這兩個(gè)指標(biāo)開展研究。

在免蒸壓陶粒輕質(zhì)混凝土(Non-autoclaved Ceramsite Lightweight Concrete，簡稱NCLC)隔墻板開孔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使用全再生細(xì)骨料取代河砂研究CRFA-NCLC性能，并對比引氣劑和泡沫劑兩種造孔方式對試樣性能的影響；進(jìn)而優(yōu)選配合比，進(jìn)行CRFA-NCLC隔墻板性能研究，并與河砂NCLC進(jìn)行對比；最后分析CRFA-NCLC的經(jīng)濟(jì)性。

1 NCLC隔墻板開孔設(shè)計(jì)

對于NCLC隔墻板而言，由于取消了蒸壓養(yǎng)護(hù)，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，直接采用原有的隔墻板開孔設(shè)計(jì)將使隔墻板抗壓強(qiáng)度難以滿足要求，需重新進(jìn)行隔墻板開孔設(shè)計(jì)。

JG/T 169—2016《建筑隔墻板用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》中，對于板厚為90 mm和120 mm的空心板，要求其面密度分別不大于110 kg/m2和140 kg/m2。因此在一定隔墻板開孔率的情況下，用于制備隔墻板的混凝土密度有一個(gè)上限值。開孔率越大，能夠使用的混凝土密度值越高。由于輕質(zhì)多孔混凝土抗壓強(qiáng)度隨著密度增加而提高[17]，因此可通過隔墻板的開孔設(shè)計(jì)合理地提高其開孔率，使用密度更高的輕質(zhì)多孔混凝土進(jìn)行隔墻板的制備，從而解決NCLC隔墻板抗壓強(qiáng)度不足的問題。

綜合考慮隔墻板的孔型設(shè)計(jì)需注意的事項(xiàng)，針對板厚90 mm、寬度600 mm、長度2 200 mm和板厚120 mm、寬度600 mm、長度2 200 mm兩種尺寸的隔墻板，采用圓角矩形開孔(圓角半徑為3 mm)的設(shè)計(jì)，具體參數(shù)見表1。

表1 隔墻板的規(guī)格及密度要求Table 1 Specification and density requirements of partition wallboard

由表1可知，采用上述隔墻板開孔設(shè)計(jì)，混凝土最大密度為1 735 kg/m3?？紤]到墻板配筋，選擇1 650 kg/m3為實(shí)驗(yàn)中混凝土最大濕密度。

2 實(shí) 驗(yàn)

采用廣州市珠江水泥有限公司生產(chǎn)的P·II 42.5R硅酸鹽水泥，300級粘土陶粒(堆積密度290 kg/m3，表觀密度485 kg/m3，1 h吸水率1.4%，粒徑2～10 mm)，固含量為20%的聚羧酸減水劑，自來水。引氣劑采用能引入大量微細(xì)氣泡的特種引氣劑，透明液體。泡沫劑采用煙臺(tái)威馳化工有限公司生產(chǎn)的蛋白類泡沫劑，黑色液體。CRFA是將實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土塊用中試設(shè)備全部破碎為砂[5]所得，砂的顆粒級配見表2，物理性能見表3。

表2 砂的顆粒級配Table 2 Size grain of sand

表3 砂的物理性能Table 3 Physical properties of sand

引氣NCLC按圖1制備，發(fā)泡NCLC按圖2制備。二者主要區(qū)別在于氣孔引入方式不同，引氣NCLC使用引氣劑在攪拌過程中實(shí)現(xiàn)，而發(fā)泡NCLC使用發(fā)泡機(jī)制備泡沫后與料漿混合攪拌。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，泡沫劑得到的泡沫細(xì)小且較均勻，但其穩(wěn)定性較差。為保證試驗(yàn)所使用的泡沫性能一致，泡沫放置時(shí)間不超過3 min。

實(shí)驗(yàn)用的NCLC含有較多氣泡，工作性能較好，且使用的骨料粒徑不大，擴(kuò)展度參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中的水泥凈漿法進(jìn)行測試。濕密度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的表觀密度試驗(yàn)進(jìn)行測試。

在成型時(shí)主要通過分層裝料及左右搖晃使混凝土均勻分布，而不采用振搗方式。具體方式為：分兩層裝料，每裝完一層后左右搖晃兩次，最后刮平。

干熱養(yǎng)護(hù)可得到表觀質(zhì)量較好的制品及所需的設(shè)備投資較少[17]，本研究采取的免蒸壓養(yǎng)護(hù)方式為：成型后靜停5 h，然后在50 ℃的烘箱中干熱養(yǎng)護(hù)5 h后脫模，再自然養(yǎng)護(hù)至3 d齡期。養(yǎng)護(hù)后密度是指混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定前的混凝土體積密度，齡期為3 d，稱為3 d密度。抗壓強(qiáng)度采用70.7 mm立方體試件，加載速度設(shè)置為0.5 kN/s。

圖1 引氣NCLC制備方法Fig.1 Preparation method of air entrained NCLC

圖2 發(fā)泡NCLC制備方法Fig.2 Preparation method of foamed NCLC

干燥收縮實(shí)驗(yàn)方法：采用40 mm×40 mm×160 mm的干縮試件，養(yǎng)護(hù)完成后將試件放入溫度為(20±2) ℃的水中浸泡72 h，浸泡結(jié)束后測定初始長度,再將試件放入溫度為(20±1) ℃,相對濕度在(43±2)%的干縮室中，測定放入干縮室后試件的3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d的長度變化，并計(jì)算混凝土的干縮值。

圖3 隔墻板試件的平面尺寸Fig.3 Plane dimensions of the partition wallboard specimens

采用制備同樣規(guī)格隔墻板試件的方法進(jìn)行面密度和抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。按照J(rèn)G/T 169—2016的要求，確定隔墻板試件的平面尺寸，如圖3所示，制備高度為90 mm和120 mm的隔墻板試件。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，測量隔墻板試件的質(zhì)量，計(jì)算得到混凝土3 d密度和隔墻板面密度，然后按JG/T 169—2016要求測定3 d抗壓強(qiáng)度。

NCLC內(nèi)部有大量微小氣孔，將試件切割后，用數(shù)碼相機(jī)拍照，使用Image-Pro Plus 6.0 軟件進(jìn)行氣孔孔結(jié)構(gòu)分析。使用德國蔡司(ZEISS)EVO 18 Special Edition掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

3 CRFA-NCLC性能研究

選擇水膠比為0.30,砂膠比為2.0，陶粒絕對體積摻量設(shè)置為15%，用減水劑用量調(diào)整流動(dòng)性，分別通過調(diào)整引氣劑和泡沫用量制備目標(biāo)濕密度分別為1 550 kg/m3和1 650 kg/m3的引氣NCLC和發(fā)泡NCLC?？紤]到材料波動(dòng)，濕密度范圍控制為目標(biāo)值±30 kg/m3，實(shí)驗(yàn)得到的CRFA-NCLC配合比及工作性能見表4，試件3 d齡期密度與抗壓強(qiáng)度見圖4。

表4 CRFA-NCLC配合比和工作性能Table 4 Mix ratio and workability of CRFA-NCLC

圖4 引氣NCLC和發(fā)泡NCLC抗壓強(qiáng)度與密度關(guān)系Fig.4 Relationship between compressive strength and density of air entrained NCLC and foamed NCLC

圖5 引氣NCLC和發(fā)泡NCLC中孔徑分布Fig.5 Pore size distribution in air entrained NCLC and foamed NCLC

由表4可知，通過調(diào)整減水劑、引氣劑、泡沫的用量，可以配制出濕密度滿足要求的CRFA-NCLC，且均具有較好流動(dòng)性。

由圖4可知，在密度約為1 550 kg/m3時(shí)，引氣NCLC的抗壓強(qiáng)度比發(fā)泡NCLC高。在密度約為1 650 kg/m3時(shí)，二者的抗壓強(qiáng)度基本相等。

為進(jìn)一步研究不同氣孔引入方式對NCLC強(qiáng)度及性能的影響，進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析和形貌分析。將引氣NCLC(YZ-2)和發(fā)泡NCLC(FZ-2)試件切割后，進(jìn)行氣孔的孔結(jié)構(gòu)分析。采用手動(dòng)選擇區(qū)域，避開陶粒的部分進(jìn)行孔徑的分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5及表5。

表5 引氣NCLC和發(fā)泡NCLC中孔徑分布比例Table 5 Proportion of pore size distribution in air entrained NCLC and foamed NCLC

孔隙率、孔徑分布等是影響加氣混凝土強(qiáng)度的重要因素[18-20]。由圖5和表5可知，引氣NCLC和發(fā)泡NCLC氣孔孔徑較小，孔徑分布基本一致，這是二者抗壓強(qiáng)度一致的主要原因。

朱炯等[18]認(rèn)為通過引氣劑方式得到混凝土的氣孔孔徑在0.20 mm左右，彭軍芝[19]認(rèn)為使用外加劑引入的氣孔孔徑在0.05～0.20 mm。而根據(jù)表5的結(jié)果，本研究的氣孔孔徑集中在0.05 mm以內(nèi)，其主要原因?yàn)楸狙芯康囊龤鈩樘刂疲氲臍饪卓讖捷^小。

對引氣NCLC(YZ-2)和發(fā)泡NCLC(FZ-2)的氣孔內(nèi)部進(jìn)行SEM分析，照片見圖6。

圖6 引氣NCLC和發(fā)泡NCLC的氣孔SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of the air hole in air entrained NCLC and foamed NCLC

由圖6可知，二者的孔壁均可見水化產(chǎn)物，但氣孔內(nèi)壁的水化產(chǎn)物存在一定的差異。引氣NCLC氣孔內(nèi)壁的水化產(chǎn)物的針狀體較長、較密集，而發(fā)泡NCLC氣孔內(nèi)壁的水化產(chǎn)物呈現(xiàn)較多的六角形的片狀體(氫氧化鈣)，針狀體較短、較少。

4 CRFA對NCLC隔墻板性能影響

在上述研究基礎(chǔ)上，采用目標(biāo)濕密度為1 650 kg/m3的CRFA引氣NCLC和發(fā)泡NCLC，并采用河砂制備的引氣NCLC和發(fā)泡NCLC作為對比，具體的NCLC配合比及工作性能見表6。

表6 NCLC配合比和工作性能Table 6 Mix ratio and workability of NCLC

NCLC的3 d密度、隔墻板試件的面密度及3 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 NCLC的3 d密度、隔墻板試件的面密度及3 d抗壓強(qiáng)度Table 7 3 d density of NCLC, area density and 3 d compressive strength of partition wallboard specimens

由表7可知，四種引氣NCLC和發(fā)泡NCLC隔墻板試件的面密度均滿足表1的要求，抗壓強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)JG/T 169—2016不小于5 MPa的要求。同樣面密度時(shí)，采用CRFA的引氣NCLC隔墻板試件的抗壓強(qiáng)度略高于河砂，采用CRFA的發(fā)泡NCLC隔墻板試件的抗壓強(qiáng)度與河砂相當(dāng)。采用CRFA和河砂時(shí)，引氣NCLC隔墻板試件的抗壓強(qiáng)度均略高于發(fā)泡NCLC，其中CRFA的提高幅度較大。這就表明，從隔墻板抗壓強(qiáng)度性能看，CRFA優(yōu)于河砂，引氣優(yōu)于發(fā)泡，引氣CRFA-NCLC是最優(yōu)的方式。

CRFA-NCLC和河砂NCLC的干燥收縮曲線見圖7。由圖7可知，CRFA-NCLC的干縮值明顯高于河砂NCLC，同種骨料時(shí)引氣NCLC和發(fā)泡NCLC的干燥收縮曲線基本一致，均為前14 d干縮發(fā)展較快，隨后干縮發(fā)展速度較慢，且引氣NCLC的后期干縮值略低。采用CRFA-NCLC不能滿足標(biāo)準(zhǔn)中隔墻板干縮值不超過0.50 mm/m的要求。

圖7 CRFA-NCLC和河砂NCLC干燥收縮曲線對比Fig.7 Comparison of dry shrinkage curves of CRFA-NCLC and river sand NCLC

圖8 3 d和7 d齡期CRFA-NCLC干燥收縮曲線對比Fig.8 Comparison of dry shrinkage curves of 3 d and 7 d CRFA-NCLC

混凝土內(nèi)部含水率、水化產(chǎn)物結(jié)晶程度及環(huán)境相對濕度是影響混凝土干燥收縮的重要因素[21-23]。CRFA-NCLC較高的干縮值可能是兩個(gè)原因造成：一是CRFA-NCLC含水率較高，為8.3%左右，而河砂NCLC含水率只有4.5%左右，失水引起較大的收縮。二是混凝土在濕度為100%的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)一定程度的膨脹[23]，實(shí)驗(yàn)前試件經(jīng)過3 d的浸泡，測試方法放大了CRFA-NCLC的實(shí)際干縮率。

考慮到隨齡期延長，膠凝材料水化充分，混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性提高，CRFA-NCLC干燥收縮可能降低，進(jìn)一步將試件按照制度養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，再進(jìn)行4 d自然養(yǎng)護(hù)，得到齡期為7 d的試件，再進(jìn)行干縮測定，3 d和7 d齡期CRFA-NCLC干燥收縮曲線見圖8。

由圖8可知，延長養(yǎng)護(hù)齡期至7 d，CRFA-NCLC的干縮值明顯降低，其中引氣NCLC的后期干縮值略低于發(fā)泡NCLC，35 d干縮值不超過0.50 mm/m，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這就表明，通過適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)齡期的方式，能夠得到干縮值滿足要求的引氣CRFA-NCLC。

在實(shí)際生產(chǎn)中，隔墻板從出庫到實(shí)際施工的過程一般超過10 d，且不會(huì)有浸泡飽水過程。因此，雖然CRFA-NCLC的測定干縮值較高，需要7 d的養(yǎng)護(hù)齡期，但實(shí)際上并不影響其生產(chǎn)及應(yīng)用。

綜上所述，引氣NCLC的抗壓強(qiáng)度略高于發(fā)泡NCLC，干縮值略低于發(fā)泡NCLC，是較優(yōu)的制備NCLC的方式。與河砂相比，在面密度相同時(shí)，采用CRFA的NCLC隔墻板抗壓強(qiáng)度略高，干縮值較大，但可通過適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)齡期的方式降低干縮值。優(yōu)選配比的引氣CRFA-NCLC隔墻板試件的面密度、抗壓強(qiáng)度和干縮性能均能滿足JG/T 169—2016《建筑隔墻板用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)的要求。采用CRFA制備NCLC隔墻板是促進(jìn)廢棄混凝土再生利用和隔墻板綠色生產(chǎn)的有效途徑。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性分析主要包括養(yǎng)護(hù)成本以及材料成本兩個(gè)方面。采用免蒸壓養(yǎng)護(hù)會(huì)降低養(yǎng)護(hù)成本，但由于未進(jìn)行批量生產(chǎn)，難以估算，故僅計(jì)算材料成本。

水泥、河砂及陶粒的價(jià)格參考某隔墻板廠家價(jià)格，CRFA按照目前上海市再生骨料的價(jià)格60 元/噸進(jìn)行計(jì)算。材料單價(jià)見表8。

表8 原材料單價(jià)Table 8 Unit price of raw materials

選取引氣CRFA-NCLC配合比進(jìn)行混凝土的材料成本計(jì)算(外加劑用量少，不進(jìn)行計(jì)算)，并與某隔墻板廠家在蒸壓養(yǎng)護(hù)方式下使用的配合比K進(jìn)行對比。計(jì)算采用的配合比和總價(jià)見表9。

表9 成本計(jì)算的配合比及總價(jià)Table 9 Mix ratio and total price of costing

由表9可知，采用CRFA-NCLC有很好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，CRFA-NCLC的混凝土材料成本只有蒸壓陶粒輕質(zhì)混凝土的77%。

6 結(jié) 論

(1)干熱養(yǎng)護(hù)條件下，采用CRFA的引氣NCLC隔墻板面密度、抗壓強(qiáng)度和干縮值均能滿足JG/T 169—2016《建筑隔墻板用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)要求。與現(xiàn)有蒸壓陶粒輕質(zhì)混凝土墻板相比，CRFA-NCLC具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，混凝土材料成本可降低23%。采用CRFA制備NCLC隔墻板是促進(jìn)廢棄混凝土再生利用和隔墻板綠色生產(chǎn)的有效途徑。

(2)與河砂相比，在面密度相同時(shí)，采用CRFA的NCLC隔墻板抗壓強(qiáng)度略高，干縮值較大。CRFA-NCLC較高的干縮值可能是其含水率較高及實(shí)驗(yàn)前浸泡飽水所致，可通過延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間至7 d解決。因隔墻板從出庫到實(shí)際施工的過程一般超過10 d，故延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間至7 d不影響其生產(chǎn)及應(yīng)用。

(3)與利用泡沫劑引入泡沫相比，利用引氣劑引入氣泡施工更方便，氣泡穩(wěn)定性更好，同密度時(shí)抗壓強(qiáng)度更高，干縮值略低，是較優(yōu)的制備NCLC的方式。