建筑垃圾再生泡沫混凝土性能及其成孔機(jī)理研究

楊帆，張喆，姜維，龍安，黃大凡

（中國(guó)建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，湖北 武漢 430073）

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)持續(xù)快速推進(jìn)，大規(guī)模拆除、建造等產(chǎn)生數(shù)量龐大的建筑垃圾。據(jù)推算，目前全國(guó)建筑垃圾年產(chǎn)生量在35億t以上[1]，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)，2019年全國(guó)生活垃圾清運(yùn)量為2.4億t，2017年全國(guó)一般工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量為33.2億t，與此相比，建筑垃圾已經(jīng)成為最大宗的城市固體廢棄物。而全國(guó)建筑垃圾資源化平均處理率僅在10%左右[2]，目前建筑垃圾加工為再生粗骨料（粒徑>4.75 mm）的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但對(duì)于加工過(guò)程中大量產(chǎn)生的再生砂粉（粒徑≤4.75 mm）的研究與利用并不多[3-4]，主要是基于其活性低、吸水率高、表觀密度小、顆粒棱角多、表面粗糙且具有較多微裂縫等原因[5-7]。因此，再生砂粉的高效利用一直是近年來(lái)的研究難點(diǎn)與熱點(diǎn)[8]。

泡沫混凝土因其質(zhì)輕、低強(qiáng)、隔熱、吸能等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于基坑回填、屋面保溫、隔聲降噪等領(lǐng)域[9]。大摻量利用建筑垃圾再生砂粉配制泡沫混凝土，不僅可以降低泡沫混凝土制備成本，還可以拓寬建筑垃圾利用領(lǐng)域，契合雙碳路徑。目前，利用建筑垃圾再生砂粉制備泡沫混凝土的研究多集中在較小粒徑（≤2.36 mm）[10-15]，再生砂粉摻量大多在30%~40%[16-17]。關(guān)于再生砂粉泡沫混凝土氣孔結(jié)構(gòu)的研究集中在孔隙率對(duì)泡沫混凝土宏觀性能的影響[14-15]，缺乏關(guān)于RFC成孔機(jī)理的系統(tǒng)研究成果。本文以粒徑≤4.75 mm的再生砂粉為主要原料，采用大比例摻量的再生砂粉制備再生泡沫混凝土（RFC），研究不同密度等級(jí)、不同砂灰比對(duì)RFC性能的影響規(guī)律。采用偏光顯微鏡與激光顯微鏡分析測(cè)試了預(yù)制泡沫與不同密度等級(jí)再生泡沫混凝土的平均Feret直徑、圓度等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，分析探究RFC內(nèi)部氣孔的成孔機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：華新牌P·O42.5水泥，主要物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 水泥的主要物理力學(xué)性能

（2）再生砂粉：取自武漢市某建筑垃圾資源化企業(yè)生產(chǎn)的廢棄混凝土再生細(xì)骨料，粒徑≤4.75 mm。根據(jù)級(jí)配分析，本試驗(yàn)用建筑垃圾再生砂粉級(jí)配在機(jī)制砂1區(qū)范圍，細(xì)度模數(shù)為3.5，表觀密度為2350 kg/m3。外觀見(jiàn)圖1，化學(xué)組成見(jiàn)表2，級(jí)配分析見(jiàn)表3。

表2 再生砂粉的化學(xué)組成 %

表3 再生砂粉的級(jí)配分析

（3）標(biāo)準(zhǔn)砂：選用廈門艾力歐標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂，表觀密度2800 kg/m3。外觀照片見(jiàn)圖1，級(jí)配分析見(jiàn)表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)砂級(jí)配

（4）泡沫劑：廣東某公司產(chǎn)表面活性劑類泡沫劑，稀釋倍數(shù)80倍，發(fā)泡倍數(shù)20倍，1 h沉降距2 mm，1 h泌水量51%。

1.2 RFC制備方法

在實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)加入再生砂粉和水泥干攪拌1 min，加入2/3水?dāng)嚢? min以上，再加入剩余水?dāng)嚢? min以上，水泥砂漿充分?jǐn)噭?。泡沫劑?0倍的稀釋倍數(shù)配成溶液后加入到發(fā)泡機(jī)中發(fā)泡，制成泡沫。加入至料漿中均勻攪拌至指定濕密度。最后均勻灌入試模，待其靜置于實(shí)驗(yàn)室48 h后脫模，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，再進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)方案及方法

本試驗(yàn)利用建筑垃圾再生砂粉為原料分別配制干密度為600、800、1000、1200 kg/m3的RFC，選定水料比為0.25，砂灰比（砂與水泥用量的比值）分別設(shè)定為0.2、0.5、1.0、1.5、2.0。在此基礎(chǔ)上，選取800 kg/m3做空白試樣，以標(biāo)準(zhǔn)砂同比例添加制備。詳細(xì)配合比分別見(jiàn)表5、表6。

泡沫混凝土流動(dòng)度與抗壓強(qiáng)度的測(cè)試參照J(rèn)GT 266—2011《泡沫混凝土》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行?？箟簭?qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

表5 不同干密度等級(jí)及砂灰比再生泡沫混凝土的配合比

表6 800 kg/m3標(biāo)準(zhǔn)砂泡沫混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干密度等級(jí)與砂灰比對(duì)RFC流動(dòng)度的影響（見(jiàn)圖2）

由圖2可知，在固定水料比的條件下，各密度等級(jí)的RFC流動(dòng)度均隨著砂灰比增大先增大后減小，在砂灰比為1時(shí)到達(dá)最大。這是因?yàn)?，在砂灰比小?時(shí)，固定水料比導(dǎo)致水灰比偏小，因此隨著砂灰比的增大，水量增大，水灰比提高，流動(dòng)度增大；當(dāng)砂灰比超過(guò)1時(shí)，再生砂粉用量增大，再生砂粉吸水性較強(qiáng)，反而隨著砂灰比的進(jìn)一步增大，流動(dòng)度下降。因此綜合評(píng)價(jià)，在水料比0.25條件下，砂灰比為1時(shí)，RFC工作性能相對(duì)最佳。

2.2 干密度等級(jí)與砂灰比對(duì)RFC抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖3）

由圖3可知，隨著密度等級(jí)的降低，再生泡沫混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；而隨著砂灰比的增加，抗壓強(qiáng)度整體上也呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)?，在相同密度等?jí)下，隨著砂灰比的增大，再生砂粉用量增加，水泥用量減少，水化作用降低，再生砂粉不足以更好地被膠凝水化產(chǎn)物包裹，致使再生泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度降低，此外，試驗(yàn)選取的再生砂粉粒徑較大，表面粘附舊砂漿且有顆粒棱角，粒型不規(guī)則，隨著其用量的增加，泡沫液膜在攪拌及成型的過(guò)程中受到再生砂粉的摩擦、擠壓、沉降更易破裂，從而形成連通孔，導(dǎo)致泡沫混凝土強(qiáng)度下降。

2.3 再生砂粉及標(biāo)準(zhǔn)砂對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖4）

由圖4可知，以設(shè)計(jì)干密度800 kg/m3為例，建筑垃圾再生砂粉取代標(biāo)準(zhǔn)砂制備RFC的強(qiáng)度明顯降低，相同條件下，RFC強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)砂泡沫混凝土強(qiáng)度的50%~65%。比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂和再生砂粉的外觀及級(jí)配可知，標(biāo)準(zhǔn)砂表面光滑，粒徑小且分布均勻，再生砂粉表面附有舊砂漿且有微小裂紋，粒徑分布不及標(biāo)準(zhǔn)砂集中、均勻。因此再生砂粉與膠凝產(chǎn)物的黏結(jié)作用相對(duì)更弱，以再生砂粉為原料制備的RFC抗壓強(qiáng)度低于相同條件下的標(biāo)準(zhǔn)砂泡沫混凝土。

3 再生泡沫混凝土成孔機(jī)理

氣孔結(jié)構(gòu)是影響泡沫混凝土力學(xué)性能的重要因素，通過(guò)分析內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，揭示成孔機(jī)理及解釋宏觀力學(xué)性能規(guī)律具有重要意義。首先，使用DS-U1偏光顯微鏡對(duì)預(yù)制泡沫微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并將觀察圖片導(dǎo)入Image Pro Plus軟件中對(duì)泡沫孔徑、圓度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。然后，制備不同砂灰比和不同密度等級(jí)下尺寸為100 mm×100 mm×100 mm再生泡沫混凝土試件，待試件凝結(jié)硬化后使用Image Pro Plus軟件統(tǒng)計(jì)其內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)比分析不同密度等級(jí)的再生泡沫混凝土氣孔參數(shù)與預(yù)制泡沫參數(shù)，并使用VK-X100K激光顯微鏡觀察不同砂灰比條件下再生泡沫混凝土試塊切面的孔結(jié)構(gòu)特征，從孔結(jié)構(gòu)參數(shù)變化和形貌特征兩方面對(duì)再生泡沫混凝土成孔機(jī)理進(jìn)行揭示。

3.1 預(yù)制泡沫與氣孔結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

預(yù)制泡沫在DS-U1偏光顯微鏡下微觀結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，再生泡沫混凝土凝結(jié)硬化后孔結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示，將預(yù)制泡沫微觀圖片和砂灰比為1、密度等級(jí)600~1200 kg/m3的再生泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)圖片導(dǎo)入Image Pro Plus內(nèi)，對(duì)兩者孔徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比。測(cè)得預(yù)制泡沫與再生泡沫混凝土氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表7所示。

表7 預(yù)制泡沫與RFC氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表7可知，預(yù)制泡沫與再生泡沫混凝土料漿攪拌之后，RFC平均Feret直徑減小，且隨著密度等級(jí)的增加，氣孔Feret直徑減小量增大。RFC圓度較預(yù)制泡沫也得到改善，當(dāng)RFC密度等級(jí)越大時(shí)，氣孔圓度值越小，氣孔越接近于標(biāo)準(zhǔn)圓。由此可知，在控制預(yù)制泡沫因素不變時(shí)，RFC氣孔結(jié)構(gòu)同時(shí)受氣孔含量和漿體質(zhì)量影響。當(dāng)RFC密度等級(jí)越高，氣孔含量越少時(shí)，凝結(jié)硬化前的RFC漿體對(duì)預(yù)制泡沫有更強(qiáng)的束縛力，在該束縛力作用下預(yù)制泡沫孔徑得到壓縮，且隨著密度等級(jí)的增加，氣孔更加分散，這種束縛力導(dǎo)致預(yù)制泡沫分布更加均勻，抗壓強(qiáng)度提高。

3.2 不同砂灰比時(shí)RFC的孔結(jié)構(gòu)形貌

將密度等級(jí)為1200 kg/m3、砂灰比分別為0.5、1.0、1.5、2.0的RFC置于VK-X100K激光顯微鏡下，對(duì)其孔結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著砂灰比的增大，砂用量的增加，水泥用量減少，單位體積內(nèi)漿體中更少的膠凝材料需要承受更多砂顆粒的質(zhì)量，在此條件下，漿體需要更加復(fù)雜、密集的空間結(jié)構(gòu)才能避免離析現(xiàn)象的出現(xiàn)。在漿體本身黏度和砂顆粒的相互作用下，孔徑較大的泡沫無(wú)法留存而發(fā)生破滅，形成更多孔徑更小的連通孔，導(dǎo)致RFC抗壓強(qiáng)度下降。

4 結(jié)論

（1）水料比0.25條件下，砂灰比為1時(shí)，RFC工作性能相對(duì)較好。

（2）隨著密度等級(jí)的降低、砂灰比的增大，RFC抗壓強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。干密度等級(jí)、砂灰比對(duì)試件抗壓強(qiáng)度影響顯著。

（3）以設(shè)計(jì)干密度800 kg/m3為例，以建筑垃圾再生砂粉取代標(biāo)準(zhǔn)砂制備RFC的強(qiáng)度明顯降低，28 d強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)砂泡沫混凝土的50%~65%。

（4）隨著密度等級(jí)的增大，在漿體束縛力作用下RFC孔徑減小、氣孔圓度得到改善，抗壓強(qiáng)度提高。隨著砂灰比的增大，氣孔孔徑傾向于減小、并形成連通孔的趨勢(shì)，從而使基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)承載力下降。