再生復(fù)合微粉對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響和機(jī)理研究

李子云，郭孟濤，嚴(yán)云飛，班平，陳元元，謝祥兵

（1.鄭州市路通公路建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450006；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

工業(yè)固廢粉煤灰常作為水泥混合料和混凝土摻合料，GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對(duì)粉煤灰的理化性質(zhì)及評(píng)價(jià)作出系統(tǒng)規(guī)定，其中粉煤灰作為混凝土摻合料可減少混凝土中水泥用量，改善混凝土的耐久性[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年我國(guó)建筑固廢約為30億t，其中廢棄黏土磚含量約占50%[2]，采用再生混凝土可有效解決砂石料短缺，破解建筑固廢資源化利用率低的難題[2-3]。因此，開(kāi)展建筑固廢磚混復(fù)合微粉的性能表征及其對(duì)粉煤灰存在下水泥膠砂強(qiáng)度性能影響具有重要工程實(shí)踐意義。

在水泥膠砂中摻加粉煤灰可促進(jìn)水泥水化，改善界面粘結(jié)性能，有效提高其和易性和后期強(qiáng)度；再生混凝土微粉的化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3、CaO等，具有作為水泥水化晶核、良好次第水化反應(yīng)及微集料填充效應(yīng)能力[4]，如Xiao等[5]認(rèn)為再生混凝土微粉替代水泥的最佳量為15%～30%，車玉君[6]、陳雪等[7]發(fā)現(xiàn)摻加再生微粉可加快水泥水化反應(yīng)，提高砂漿微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)性從而提高力學(xué)性能。再生磚粉主要化學(xué)成分SiO2、Al2O3等，可改善砂漿耐水性和體積穩(wěn)定性[3，8]。另外，部分學(xué)者研究了2種以上摻合料復(fù)配對(duì)膠凝材料性能影響，如李輝等[9]研究發(fā)現(xiàn)，磚粉、礦渣、粉煤灰復(fù)合可有效提高膠砂28 d抗折強(qiáng)度；陳高豐等[10]認(rèn)為，再生黏土磚粉、石灰石粉復(fù)配后膠砂抗壓強(qiáng)度降低。

再生混凝土粉可作為輔助膠凝材料，其與水泥相互作用及機(jī)理已較為清晰，而建筑固廢再生微粉是由再生磚粉、再生混凝土粉混合而成，且已有研究成果證實(shí)再生磚粉也可作為輔助膠凝材料。為此，研究再生磚粉與再生混凝土粉的綜合作用及對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度形成機(jī)理影響具有重要意義，是今后開(kāi)展再生復(fù)合微粉作為混凝土礦物摻合料和輔助膠凝材料，尤其是進(jìn)行道路工程中水泥穩(wěn)定碎石混合料相應(yīng)力學(xué)性能和耐久性性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

廢磚和廢混凝土塊均來(lái)自鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院20世紀(jì)50年代建造的實(shí)訓(xùn)工廠在拆除時(shí)產(chǎn)生的建筑固廢，經(jīng)人工分揀、篩選后，通過(guò)鄂式破碎機(jī)破碎成粗、細(xì)集料，在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)試驗(yàn)小磨和電磁式制樣粉碎機(jī)，依次把集料制備成再生粗、細(xì)集料，再生磚粉制備過(guò)程見(jiàn)圖1。其中所制備的再生磚粉（brick-powder，簡(jiǎn)寫B(tài)）、再生混凝土粉（concrete-powder，簡(jiǎn)寫C），再生磚粉-混凝土粉再生復(fù)合微粉（BC）。

水泥：P·O42.5水泥，初凝、終凝時(shí)間分別為186、255 min，符合JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》要求；砂：ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；粉煤灰（F）：Ⅱ級(jí)，河南焦作萬(wàn)方電廠。

1.2 磚混再生復(fù)合微粉配合比設(shè)計(jì)

以某省道改建工程中水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層中水泥、粉煤灰摻量為基準(zhǔn)（JZ），即m（水泥）∶m（粉煤灰）=3.5∶5。采用再生磚粉、再生混凝土粉等質(zhì)量替代部分水泥或粉煤灰進(jìn)行膠砂力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)合劉超等[2]、Xiao等[5]、朱鵬等[11]、周文娟等[12]、Tang等[13]研究成果，按照復(fù)配再生微粉替代水泥粉煤灰膠砂中水泥最大替代量為25%和粉煤灰最大替代量為100%，且重點(diǎn)考慮再生磚粉、再生混凝土粉在水泥粉煤灰膠砂中的比例，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1，其中再生磚粉（B）與再生混凝土粉（C）分別按照質(zhì)量比5∶0、4∶1、3∶2、0∶5進(jìn)行復(fù)配，再生復(fù)合微粉和粉煤灰的微觀形貌分別如圖2、圖3所示。砂漿水膠比為0.50，膠砂比為1∶3。

表1 磚粉再生微粉-粉煤灰材料配合比設(shè)計(jì)

由圖2、圖3可知，與粉煤灰相比，磚混再生微粉顆粒形貌極其不規(guī)則，其大部分為塊狀且存在棱角，再生磚粉顆粒表面比再生混凝土粉粗糙，且表面存在大量微裂縫或者孔隙，這有利于增強(qiáng)與水泥漿體吸附力；再生磚粉、混凝土微粉按照不同質(zhì)量比例復(fù)配時(shí)，復(fù)配質(zhì)量比為4∶1時(shí)表面較為致密，而復(fù)配質(zhì)量比為3∶2時(shí)表面較為疏松，且存在部分空隙。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 膠砂強(qiáng)度測(cè)試

砂漿試件成型按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）法》進(jìn)行，在規(guī)定條件下將所有試件放置在水泥膠砂養(yǎng)護(hù)箱中分別養(yǎng)護(hù)至3、7、28 d齡期，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±1）℃，利用抗壓抗折一體機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

1.3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

SEM試樣制作及觀察過(guò)程為：在測(cè)試完28 d抗壓強(qiáng)度的膠砂試樣中心取出約1 cm×1 cm×1 cm小立方體放到無(wú)水乙醇中終止水化，經(jīng)60℃電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥處理，冷卻后進(jìn)行噴金處理開(kāi)展SEM分析，并制取相應(yīng)的凈漿試樣進(jìn)行XRD分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生磚粉、混凝土粉性能評(píng)價(jià)及微觀形貌分析

再生磚粉、再生混凝土粉的化學(xué)組成、粒度分布、XRD圖譜分別見(jiàn)表2、圖4、圖5。其中化學(xué)組成利用X射線熒光光譜儀（XRF）進(jìn)行測(cè)試，礦物組成采用XRD進(jìn)行測(cè)試。

表2 再生微粉的化學(xué)成分 %

由圖4可知，再生磚粉的顆粒較細(xì)且分布均勻，再生混凝土粉的顆粒較粗，前者粒徑小于后者，再生磚粉顆粒粒度分布優(yōu)于再生混凝土粉，再生混凝土粉粒徑分布和水泥相似；再生磚粉中位粒徑、表面積平均粒徑、體積平均粒徑分別為12.639、3.900、20.600μm，再生混凝土粉中位粒徑、表面積平均粒徑、體積平均粒徑分別為19.053、4.584、23.828μm，水泥的平均粒徑為18μm左右[12]，再生磚粉的平均粒徑界于再生混凝土粉與水泥之間；室內(nèi)試驗(yàn)制備再生磚粉和再生混凝土粉10 μm以下顆粒含量分別為41.49%、32.52%，45μm以下顆粒含量分別為81.15%、80.30%。

由表2和圖5可知，再生混凝土粉中含有少量CaO與水反應(yīng)生成堿激發(fā)劑Ca（OH）2，可對(duì)再生磚粉進(jìn)行改性，從而提高再生磚粉的活性，而再生磚粉、再生混凝土粉均中均含有SiO2、Al2O3，可與水泥水化生成的Ca（OH）2反應(yīng)，生成C-S-H和C-A-H、水化硫鋁酸鈣[4，7]，因此兩類粉體材料均具有火山灰活性。另外，再生混凝土粉中CaCO3可與水泥水化產(chǎn)物生成碳鋁酸鹽，從而有利于細(xì)化水泥漿體中孔隙結(jié)構(gòu)[15]。綜上可知，再生磚粉和再生混凝土粉均具有一定活性可以替代部分膠凝材料或礦物摻合料。

2.2 粉煤灰存在下再生磚混微粉對(duì)水泥膠砂力學(xué)性能影響

2.2.1 粉煤灰存在下再生磚粉、再生混凝土粉對(duì)水泥膠砂力學(xué)性能的影響（見(jiàn)表3）

表3 粉煤灰存在下再生磚粉、再生混凝土粉對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響

由表3可知，與基準(zhǔn)試樣早期強(qiáng)度相比，分別單摻再生磚粉或再生混凝土粉時(shí)摻量小于15%所對(duì)應(yīng)的膠砂強(qiáng)度有所提高，且再生磚粉砂漿的早期強(qiáng)度增幅大于再生混凝土粉的，這主要是由于再生磚粉粒徑小于混凝土粉，再生磚粉發(fā)揮微集料效應(yīng)，改善膠凝材料顆粒級(jí)配，從而提高砂漿密實(shí)度[9]；隨著再生微粉替代水泥膠凝材料摻量的增大，再生微粉水泥膠砂力學(xué)性能均表現(xiàn)為先升高后降低，在摻量為15%時(shí)膠砂強(qiáng)度最高，且砂漿3 d抗壓強(qiáng)度提升最為顯著，再生磚粉、再生混凝土粉分別提升19.08%、14.29%，而再生微粉膠砂28 d抗折強(qiáng)度與早期強(qiáng)度演化趨勢(shì)一致，而抗壓強(qiáng)度則表現(xiàn)為不同趨勢(shì)，其中再生磚粉膠砂28 d抗壓強(qiáng)度值為20.9 MPa，較基準(zhǔn)試件（21.40 MPa）降低2.39%，而再生混凝土粉膠砂抗壓強(qiáng)度值為22.0 MPa，較基準(zhǔn)試件（21.40 MPa）升高2.80%，這說(shuō)明再生混凝土粉活性大于再生磚粉，而兩類再生粉體材料在粉煤灰存在下的膠砂強(qiáng)度演化規(guī)律同時(shí)也說(shuō)明再生微粉中的活性SiO2、Al2O3與水泥水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2發(fā)生了火山灰效應(yīng)，生成具有水硬性的C-S-H[4，7]，而再生微粉中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥漿內(nèi)發(fā)揮微集料效應(yīng)，改善膠砂的密實(shí)度[12]，上述共同作用彌補(bǔ)了由于水泥膠凝材料含量減小而造成抗壓強(qiáng)度大幅降低的趨勢(shì)。

2.2.2 粉煤灰存在下再生磚粉與混凝土粉復(fù)配對(duì)水泥膠砂力學(xué)性能的影響

將再生磚粉（B）、混凝土粉（C）分別按照質(zhì)量比3∶2、4∶1復(fù)配，等量替代部分水泥對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響見(jiàn)表4，等量替代部分粉煤灰對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響見(jiàn)表5。

由表4可知，隨著再生復(fù)合微粉替代水泥摻量的增加，膠砂試件強(qiáng)度表現(xiàn)為先升高后降低，且再生磚粉、再生混凝土粉按照質(zhì)量比3∶2復(fù)配時(shí)膠砂試件強(qiáng)度高于按照質(zhì)量比4∶1復(fù)配試件強(qiáng)度；與表3相比可知，再生磚粉、再生混凝土粉復(fù)配時(shí)，其膠砂強(qiáng)度大于再生微粉單摻時(shí)的膠砂強(qiáng)度，這說(shuō)明再生微粉復(fù)配有助于兩者活性發(fā)揮，其微粉中CaO與水發(fā)生反應(yīng)生成堿激發(fā)劑Ca（OH）2，進(jìn)而可以與微粉中的SiO2和Al2O3發(fā)生水化反應(yīng)生成具有水硬性的C-S-H和C3AH6[4，7]，這也說(shuō)明在此比例下混凝土粉對(duì)磚粉活性激發(fā)效果最優(yōu)；與基準(zhǔn)試件相比，在復(fù)配質(zhì)量比為3∶2且摻量為15%時(shí)，3、7 d抗折強(qiáng)度分別為2.1、3.1 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為23.9 MPa，最大增幅為11.68%，這說(shuō)明復(fù)配質(zhì)量比為3∶2可有效提高單摻再生磚粉或者再生混凝土粉試件的早期強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)早期強(qiáng)度協(xié)同提升，另外混凝土粉中CaO遇水生成Ca（OH）2，進(jìn)而激發(fā)再生磚粉火山灰效應(yīng)進(jìn)一步提升，使砂漿強(qiáng)度得到提高。

表4 粉煤灰存在下磚粉與混凝土粉復(fù)配替代部分水泥對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響

表5 粉煤灰存在下磚粉-混凝土粉替代部分粉煤灰對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響

由表5可知，與基準(zhǔn)試件相比，隨再生復(fù)合微粉替代粉煤灰摻量的增加，膠砂試件強(qiáng)度表現(xiàn)為先升高后降低，在摻量為35%時(shí)膠砂28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為5.9 MPa、33.5 MPa，分別為基準(zhǔn)試件的1.51倍、1.56倍，再生復(fù)合微粉-粉煤灰-水泥膠砂力學(xué)強(qiáng)度性能最優(yōu)，且在粉煤灰存在下再生復(fù)合微粉部分替代粉煤灰后膠砂強(qiáng)度整體提升；在同一替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，在粉煤灰存在條件下，再生復(fù)合微粉水泥膠砂強(qiáng)度逐漸升高，而當(dāng)再生復(fù)合微粉完全替代粉煤灰時(shí)，膠砂試件3、7 d強(qiáng)度表現(xiàn)為升高而28 d強(qiáng)度下降，其中抗折強(qiáng)度最大降幅13.51%，抗壓強(qiáng)度最大降幅4.39%，這說(shuō)明再生復(fù)合微粉在試件早期強(qiáng)度形成中主要發(fā)揮微集料填充效應(yīng)，隨著齡期逐漸延長(zhǎng)，由于活性成分可與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)促使其后期強(qiáng)度下降不顯著，膠砂塑性性能得到改善。綜上可知，在保持水泥摻量不變條件下，再生磚粉、再生混凝土粉、粉煤灰三種材料間在質(zhì)量比為21∶14∶65時(shí)為水泥膠砂強(qiáng)度可達(dá)到最優(yōu)值，在此質(zhì)量比例下三種材料的微集料效應(yīng)、填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)可得到充分發(fā)揮。

2.3 粉煤灰存在下磚混再生微粉水泥膠砂微觀結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 粉煤灰存在下再生磚粉與再生混凝土粉復(fù)配對(duì)水泥膠砂微觀結(jié)構(gòu)的影響（見(jiàn)圖6）

對(duì)比分析圖6（a）、（b）可知，摻再生復(fù)合微粉后的水泥膠砂與水泥粉煤灰膠砂內(nèi)部微觀形貌均存在部分孔洞，但含有再生復(fù)合微粉的水泥膠砂較為密實(shí)，這說(shuō)明再生復(fù)合微粉可發(fā)揮微集料的填充效應(yīng)，再生復(fù)合微粉由于磚粉的火山灰效應(yīng)和混凝土粉中的活性成分與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物Ca（OH）2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，造成摻再生復(fù)合微粉的水泥膠砂內(nèi)部水化產(chǎn)物增多，粉煤灰顆粒表面絮狀C-S-H凝膠層厚度圖6（b）大于圖6（a），同時(shí)圖6（b）中存在大量纖維狀晶體穿插在C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物之間，從而提高水泥漿體密實(shí)度，減少Ca（OH）2晶體在砂漿內(nèi)部的形成，從而有利于提高水泥膠砂試件的強(qiáng)度。

2.3.2 粉煤灰存在下再生磚粉與再生混凝土粉復(fù)摻對(duì)水泥凈漿水化產(chǎn)物的影響

圖7為水泥凈漿（CP）、水泥粉煤灰凈漿（CFP）、水泥粉煤灰再生磚粉凈漿（CFBP）、水泥粉煤灰再生混凝土粉凈漿（CFCP）、水泥粉煤灰再生磚粉混凝土粉混摻凈漿（CFBCP，B與C的質(zhì)量比為3∶2）28 d齡期時(shí)水化產(chǎn)物的XRD圖譜。

從圖7可以看出，28 d齡期時(shí)不同水泥凈漿的主要水化產(chǎn)物為方解石（CaCO3）、鈣礬石（AFt）、氫氧化鈣（CH）和SiO2等，其中SiO2和CaCO3主要來(lái)自再生磚粉、再生混凝土粉和粉煤灰，而氫氧化鈣（CH）主要來(lái)自于水泥的水化產(chǎn)物。結(jié)合圖6可知，氫氧化鈣（CH）多以層狀或者片狀的六方晶體存在，其排列方式影響水泥膠砂漿體的抗壓強(qiáng)度[14-15]。因此，本研究采用特征衍射峰值強(qiáng)度來(lái)計(jì)算氫氧化鈣（CH）的取向指數(shù)R，取向指數(shù)越大，氫氧化鈣（CH）的取向性越強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度越低。本文選取衍射角18.1°（001）的氫氧化鈣（CH）的晶面作為參考平面，則衍射角34.0°（101）的晶面取向指數(shù)R為：

表6為不同類型水泥凈漿在28 d齡期時(shí)氫氧化鈣（CH）在衍射角為18.1°（001）和34.0°（101）時(shí)衍射峰特征值，同時(shí)列出了SiO2在衍射角為26.7°時(shí)的特征值。

表6 氫氧化鈣（CH）和SiO2的衍射峰特征值

由表6可知，水泥凈漿的R值最小，其28 d相應(yīng)膠砂抗壓強(qiáng)度最大值為42.79 MPa，在粉煤灰存在下的水泥凈漿R值均大于1.662，這說(shuō)明摻加礦物摻合料替代部分水泥后其相應(yīng)抗壓強(qiáng)度值降低；在粉煤灰存在下，再生磚粉、再生混凝土粉復(fù)配時(shí)R值1.909分別小于再生磚粉和再生混凝土粉單獨(dú)摻配的R值1.979、2.138，且再生磚粉的R值大于再生混凝土粉，這主要是因?yàn)樵偕u粉和粉煤灰中SiO2在水泥水化反應(yīng)早期能加速水化進(jìn)程，而其再生磚粉和粉煤灰的火山灰效應(yīng)同時(shí)又會(huì)與氫氧化鈣（CH）反應(yīng)導(dǎo)致其衍射峰有所降低，這與氫氧化鈣（CH）在衍射角為18.1°（001）和34.0°（101）時(shí)衍射峰特征值的變化規(guī)律一致。

3 結(jié)論

（1）再生磚粉、再生混凝土粉均具有一定活性，可作為輔助膠凝材料替代部分水泥；隨著單摻再生磚粉和混凝土粉摻量的增加，水泥膠砂試件強(qiáng)度表現(xiàn)為先升高后降低，且水泥膠砂試件單摻再生磚粉早期強(qiáng)度優(yōu)于單摻再生混凝土粉，在摻量小于15%時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度最大增幅為19.08%，28 d抗壓強(qiáng)度最大降幅為2.39%。

（2）再生磚粉、再生混凝土粉可作為摻合料替代部分粉煤灰，兩者以3∶2質(zhì)量比復(fù)配時(shí)，隨替代粉煤灰摻量增加，膠砂強(qiáng)度表現(xiàn)為先升高后降低，當(dāng)再生磚粉、再生混凝土粉、粉煤灰按照質(zhì)量比21∶14∶65摻配時(shí)，砂漿28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別為水泥粉煤灰試件的1.51倍、1.56倍。

（3）再生磚粉和混凝土粉早期主要發(fā)揮微集料效應(yīng)和促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，可提高膠砂微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度和粉煤灰顆粒表面裹覆C-S-H層厚度，再生粉體火山灰效應(yīng)可減少CH衍射峰強(qiáng)度，衍射角34.0°（101）的晶面取向指數(shù)R與膠砂抗壓強(qiáng)度演化規(guī)律一致。