建筑垃圾磚粉顆粒特征對(duì)膠凝材料體系密實(shí)填充效應(yīng)的影響

薛翠真，朱翔琛

(1.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，甘肅 蘭州 730030； 2.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

1 前 言

建(構(gòu))筑物的新建及拆除過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量固體廢棄物，我國(guó)建筑垃圾年產(chǎn)量高達(dá)30億噸，堆存量巨大。建筑垃圾堆積不僅占用大量土地、污染環(huán)境，而且還是資源的一種浪費(fèi)[1-3]。我國(guó)建筑垃圾主要由廢棄混凝土和廢磚組成，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于廢混凝土的再生利用開(kāi)展了一系列的研究，取得了較多成果，其再生利用率較高[4-6]。以往關(guān)于廢磚的研究主要集中在其作為再生骨料的應(yīng)用或磚粉摻量對(duì)水泥基材料性能的影響[7-9]。研究表明，磚粉的化學(xué)組成與水泥及其他礦物摻合料基本相似，存在一定的活性，具有作為混凝土摻合料的潛質(zhì)。但廢磚由于裂縫較多、吸水性較強(qiáng)、強(qiáng)度較低等原因，其再生利用率極低，且大部分為填筑路基等低值利用[10-12]。Issam Aalil等[13]研究表明，磚粉的摻入可產(chǎn)生一定的火山灰效應(yīng)，提高試件抗壓強(qiáng)度。作者做過(guò)研究表明，建筑垃圾磚粉雖具有一定的活性，但活性較小[14-15]。因此，如何提高磚粉的高效再生利用率是亟待解決的問(wèn)題。

已有的研究表明，礦物摻合料對(duì)水泥基材料性能的影響不僅與其化學(xué)活性有關(guān)，還與其顆粒特征及填充密實(shí)效應(yīng)有關(guān)。礦物摻合料的顆粒細(xì)度及分布對(duì)水泥基材料宏觀性能存在一定的影響[16-17]。張永娟等[18]研究了粉煤灰顆粒群與水泥的匹配情況，結(jié)果表明粉煤灰的摻入提高了膠凝材料體系的堆積密度與強(qiáng)度。現(xiàn)階段，關(guān)于建筑垃圾磚粉顆粒特征及分布對(duì)水泥基材料填充效應(yīng)及宏觀性能影響的研究較少，對(duì)磚粉的顆粒級(jí)配與水泥等膠凝材料的配伍情況沒(méi)有引起足夠重視，實(shí)際上粉體材料的顆粒級(jí)配對(duì)水泥基材料強(qiáng)度及耐久性有重要影響。因此，將磚粉用作礦物摻合料應(yīng)磨細(xì)到什么程度，如何針對(duì)水泥的顆粒分布對(duì)磚粉顆粒進(jìn)行控制應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步的研究，以提高磚粉再生利用率。

本研究在測(cè)試分析水泥、磚粉、硅灰基本性質(zhì)、顆粒特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Andreasen模型，探討了磚粉以及磚粉-硅灰復(fù)摻對(duì)膠凝材料密實(shí)程度的影響；并結(jié)合電鏡測(cè)試方法，揭示磚粉、磚粉-硅灰對(duì)砂漿微觀密實(shí)程度的影響機(jī)理。

2 原材料

水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；砂為細(xì)度模數(shù)為2.46的河砂；硅灰為S95級(jí)，SiO2含量>90%；磚粉由實(shí)驗(yàn)室加工而成，其制備過(guò)程為原材料的獲取→破碎→粉磨→篩分，最終得到兩種不同細(xì)度的磚粉(表1和圖1，2)微觀形貌使用Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察。

表1 水泥和磚粉化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions of cement and brick powder wt%

圖2 水泥 (a)及磚粉(b)的SEM圖像Fig. 2 SEM images of cement and brick powder (a) cement; (b) brick powder

由表1可知，磚粉的化學(xué)組成與水泥相似，均以Si、Al、Ca、Fe元素的氧化物為主。與水泥的化學(xué)組成相比，磚粉的氧化鈣(CaO)含量較低，二氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)含量較高，氧化鐵(Fe2O3)含量相差不大。由圖1可知，水泥的主要礦物組成為硅酸鈣、鋁酸鈣、鐵鋁酸鈣等水泥熟料礦物及一定含量的碳酸鈣(CaCO3)；磚粉的礦物組成主要為石英(SiO2)、剛玉(Al2O3)、赤鐵礦(Fe2O3)以及少量的游離CaO。由圖2可知，與水泥相比，磚粉總體顆粒較細(xì)、棱角性降低，粗細(xì)顆粒均有一定的分布，顆粒尺寸介于幾微米與20 μm之間，磚粉顆粒的形貌較為合理，理論上具有較好的填充和形態(tài)效應(yīng)。

3 粉體材料顆粒特征

水泥、硅灰與磚粉顆粒參數(shù)及粒徑分布測(cè)試結(jié)果如表2和圖3所示。由表2可知，各粉體材料細(xì)度由大到小分別為硅灰、磚粉-細(xì)、水泥、磚粉-粗，表現(xiàn)為粉體材料細(xì)度比表面積越大，面積平均粒徑和體積平均粒徑越小。從圖3可知，與水泥顆粒相比，硅灰與較細(xì)磚粉中<10 μm的顆粒分別增多了180.4%和141.1%，>40 μm的顆粒分別減少了50.2%和40.8%，即硅灰和較細(xì)磚粉細(xì)度的提高主要是由于顆粒分布中<20 μm的顆粒含量增多和>40 μm顆粒含量的降低。

表2 粉體材料顆粒參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 2 Particle characteristics of different powder materials

圖3 粉體材料顆粒分布測(cè)試結(jié)果Fig. 3 Particle size distribution of different powder materials

綜上可見(jiàn)，根據(jù)磚粉的化學(xué)礦物組成以及形貌特點(diǎn)，具有作為混凝土礦物摻合料的潛質(zhì)。

4 粉體材料-水泥膠凝體系填充效應(yīng)分析

Andreasen研究表明，要使粉體材料顆粒體系獲得緊密堆積，其顆粒粒徑分布應(yīng)滿足以下方程：

w1(D)=100(D/D1)n

(1)

式中：w1(D)為粒徑小于D的顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；n為分布模數(shù)；D1為顆粒體系中最大顆粒粒徑，根據(jù)粉體材料粒度分布測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)一確定為138.038 μm。研究表明，水泥基材料孔隙率隨分布模數(shù)的減小而逐漸降低，當(dāng)n降低至1/3時(shí)，孔隙達(dá)到最小，n值繼續(xù)降低則沒(méi)有意義[19]。通過(guò)對(duì)水泥、較細(xì)磚粉和較粗磚粉粒徑分布曲線回歸分析計(jì)算得出，水泥、較細(xì)磚粉和較粗磚粉的n值分別為0.655、0.381和0.648，說(shuō)明較細(xì)磚粉具有較好的填充效應(yīng)。

取D1為138.038，n為0.33，按照Andreasen模型畫(huà)出粉體材料最緊密顆粒分布，粉體材料最緊密堆積、水泥、硅灰、磚粉顆粒的累計(jì)百分率及分計(jì)百分率分布曲線見(jiàn)圖4。

圖4 粉體材料顆粒分計(jì)百分率及累計(jì)百分率曲線Fig. 4 Particle fraction percentage and cumulative percentage curves of powder material(a) individual percent retained;(b) percentage passing of different powder materials

從圖可見(jiàn)，不同粉體材料顆粒的分計(jì)百分率分布曲線及累計(jì)百分率分布曲線具有基本相同的形狀。從圖4(a)可見(jiàn)，硅灰、較細(xì)磚粉、較粗磚粉、水泥顆粒中較細(xì)顆粒(<20 μm)含量依次減少，較粗顆粒含量逐漸增多。從圖4(b)可見(jiàn)，水泥、較粗磚粉、較細(xì)磚粉和硅灰粒徑分布曲線依次向左移動(dòng)，即朝向顆粒較細(xì)的方向移動(dòng)，說(shuō)明各粉體材料顆粒逐漸變細(xì)，與前述各粉體材料顆粒參數(shù)及顆粒分布分析結(jié)果一致。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，與水泥顆粒相比，硅灰、較細(xì)磚粉顆粒中，粒徑較小的顆粒含量較多，較粗顆粒含量較少。當(dāng)在較粗的水泥顆粒體系中加入一定含量的硅灰與較細(xì)磚粉后，粗細(xì)顆粒之間可以互相填充，起到分散和致密作用，形成較為合理的二次顆粒級(jí)配，進(jìn)而改善膠凝體系的堆積密實(shí)性能。較細(xì)粉體顆粒的摻入可提高膠凝材料體系的堆積密實(shí)度，進(jìn)而置換出膠凝顆粒間的孔隙水。這一方面可提高膠凝材料內(nèi)部自由水含量，用于粉體材料水化；另一方面，可優(yōu)化水泥-磚粉膠凝材料體系硬化后孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為宏觀性能的提高。此外，較細(xì)的粉體顆粒可改善漿體-骨料間過(guò)渡區(qū)密實(shí)度，降低界面過(guò)渡區(qū)厚度，進(jìn)而提高試件宏觀力學(xué)及耐久性能。

由圖4(a)可知，粉體材料最緊密堆積顆粒分計(jì)百分率曲線與水泥、磚粉等各粉體材料有四個(gè)交點(diǎn)，即A，B，C，D。顆粒粒徑在橫坐標(biāo)A～B與C～D之間時(shí)，最緊密堆積顆粒曲線處于水泥和其他粉體材料之間，說(shuō)明在這一粒徑區(qū)間內(nèi)，可通過(guò)調(diào)整水泥與粉體材料之間的比例，使其達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)。顆粒粒徑橫坐標(biāo)小于A點(diǎn)與大于D點(diǎn)時(shí)，與最緊密堆積顆粒曲線相比，水泥及各粉體材料在此粒徑范圍內(nèi)的顆粒含量較少，無(wú)法通過(guò)調(diào)整粉體材料顆粒含量使其達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)。同理，處于B～C之間粉體材料的顆粒含量較多，同樣無(wú)法通過(guò)調(diào)整粉體材料顆粒含量使其達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)。因此，下一步在生產(chǎn)磚粉等再生微粉時(shí)，應(yīng)增加粉體中較小顆粒含量及較大顆粒含量(小于A點(diǎn)，大于D點(diǎn))，減少中間顆粒含量(B～C之間)，使水泥與磚粉顆粒之間形成緊密堆積，以提高摻磚粉水泥基材料的宏觀及微觀性能。

可見(jiàn)通過(guò)調(diào)控粉體材料的顆粒分布及摻量，可使粉體材料之間形成最緊密堆積，發(fā)揮材料之間的復(fù)合膠凝效應(yīng)，即適當(dāng)提高磚粉顆粒細(xì)度，有利于膠凝材料顆粒體系形成顆粒級(jí)配，實(shí)現(xiàn)多元輔助膠凝材料顆粒間的緊密堆積效應(yīng)，進(jìn)而提高微粉的物理、化學(xué)活性。但是，由于磚粉、硅灰的細(xì)度小于水泥，磚粉、硅灰顆粒存在級(jí)配不合理情況，經(jīng)過(guò)搭配后的水泥-磚粉、水泥-磚粉-硅灰膠凝體系在整個(gè)顆粒粒徑范圍內(nèi)仍無(wú)法形成最緊密堆積，其內(nèi)部孔隙還可進(jìn)一步填充。因此，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)磚粉的顆粒群分布進(jìn)行控制，使得水泥-再生微粉顆粒體系達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)，提高膠凝材料體系內(nèi)部密實(shí)度，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙率，進(jìn)而改善水泥基材料宏觀性能，提高建筑垃圾的高效再生利用率。

5 摻磚粉砂漿微觀形貌分析

圖5為28 d基準(zhǔn)砂漿、單摻磚粉砂漿(BP-120)和磚粉-硅灰復(fù)摻砂漿(BP-1-5∶5)SEM形貌圖像。從圖可見(jiàn)，磚粉及磚粉-硅灰的摻入對(duì)砂漿內(nèi)部密實(shí)度、水化產(chǎn)物形貌及數(shù)量均有一定的影響。與基準(zhǔn)試件相比，摻磚粉、磚粉-硅灰砂漿試件內(nèi)部微觀形貌較為密實(shí)，但仍存在一定的孔隙，其顆粒級(jí)配仍可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)控，與前述分析結(jié)果一致。由圖5a可知，基準(zhǔn)試件內(nèi)部微觀形貌較為疏松，內(nèi)部孔洞及裂縫較多，水化產(chǎn)物以針狀鈣礬石和片狀Ca(OH)2為主，性能較優(yōu)的C-S-H含量較少。從圖5(b)可見(jiàn)，與基準(zhǔn)試件相比，摻磚粉砂漿試件內(nèi)部微觀形貌較為密實(shí)，針狀鈣礬石及片狀Ca(OH)2相對(duì)含量降低，絮狀、簇狀C-S-H含量增多。從圖5(c)可見(jiàn)，磚粉-硅灰復(fù)摻進(jìn)一步提高了砂漿試件內(nèi)部密實(shí)度，水化產(chǎn)物形貌及數(shù)量更為合理。綜上，磚粉單摻及磚粉-硅灰復(fù)摻對(duì)膠凝材料體系均起到一定的填充效應(yīng)，同時(shí)對(duì)體系內(nèi)部水化產(chǎn)物種類(lèi)及數(shù)量產(chǎn)生一定的影響。

圖5 摻粉體材料砂漿微觀形貌圖像Fig. 5 SEM images of mortar mixed with powder (a) control specimen;(b) BP-1-20;(c)BP-1-5∶5

上述研究表明：通過(guò)優(yōu)化配置磚粉、硅灰顆粒大小、組成及用量，可使膠凝材料體系的顆粒級(jí)配更合理，使得粉體材料之間產(chǎn)生疊加效應(yīng)，調(diào)控多元膠凝粉體的密實(shí)度，進(jìn)而改善水泥基材料宏觀及微觀性能。因此，下一步應(yīng)進(jìn)一步改善磚粉的顆粒級(jí)配，設(shè)計(jì)滿足特定要求的最佳多元膠凝粉體材料，進(jìn)而提高其再生利用率。

6 結(jié) 論

1．硅灰及較細(xì)磚粉的細(xì)度均小于水泥，主要表現(xiàn)為比表面積的增大，顆粒分布中<20 μm的顆粒含量增加及>40 μm顆粒含量的減少。

2．適當(dāng)提高磚粉細(xì)度，可以在一定程度上改善水泥膠凝材料的密實(shí)填充性能，實(shí)現(xiàn)多元輔助性膠凝材料顆粒間的緊密堆積效應(yīng)。

3．由于磚粉、硅灰顆粒的級(jí)配不合理，經(jīng)過(guò)搭配的水泥-磚粉、水泥-磚粉-硅灰膠凝體系在整個(gè)顆粒粒徑范圍內(nèi)并非最緊密堆積，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)磚粉等粉體材料的顆粒級(jí)配進(jìn)行調(diào)控。

4．磚粉、硅灰主要通過(guò)影響砂漿內(nèi)部密實(shí)程度、水化產(chǎn)物種類(lèi)及數(shù)量，進(jìn)而改善其宏觀性能。