建筑垃圾复合粉体材料对小型混凝土构件收缩性能和微观结构的影响

薛翠真，申爱琴，万晨光，郭寅川，李　辉

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安　710064；2.西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安　710064)



建筑垃圾复合粉体材料对小型混凝土构件收缩性能和微观结构的影响

薛翠真1，申爱琴1，万晨光1，郭寅川1，李辉2

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安710064；2.西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安710064)

针对我国建筑垃圾堆积如山，再生利用率较低的现状，将建筑垃圾磨细砖粉与矿粉、粉煤灰和激发剂复合形成建筑垃圾复合粉体材料(以下简称CWCPM)，从宏观和微观两方面研究了CWCPM对小型混凝土强度和收缩性能的影响。结果表明：掺CWCPM的混凝土具有较好的强度效应和收缩性能；当替代量小于30%时，混凝土早期强度有小幅度降低，而后期强度高于基准试样；60 d龄期时，CWCPM的掺入提高了混凝土的收缩性能，随其掺量的增加收缩系数先减小后增大。DSC-TG、压汞试验结果表明：孔隙率并不是影响混凝土性能的决定性因素，混凝土各项性能与其内部孔径分布有密不可分的关系；CWCPM良好的填充效应和火山灰效应改善了水泥水化产物组成和内部孔结构，提高了混凝土密实度。

粉体材料；预制构件；强度；干燥收缩；微观机理分析

1　引　言

现如今，建筑垃圾堆积如山，不仅占用大量土地、污染环境，而且是资源的一种极大浪费[1]。如何科学、合理、高效地对建筑垃圾进行再生利用，已成为国内外政府及相关科研工作者重点关注的研究课题之一。我国建筑垃圾废砖约占建筑垃圾总量的40%，已有研究将建筑垃圾废砖用做再生砂、再生骨料、生产再生水泥和再生砖等[2-5]。然而，由于建筑垃圾废砖本身存在裂缝、强度较低、吸水率较大,品质较差，其作为再生骨料、再生砂和生产水泥并未得到广泛应用，导致其再生利用率极低。总体来说，我国建筑垃圾废砖资源化再生利用仍处于管理无序、技术简单、再生利用率极低的初级状态，因此，探寻合理、高效的建筑垃圾废砖再生利用新方法、新技术和新政策是亟待解决的问题。

研究表明，建筑垃圾磨细砖粉具有一定的火山灰活性[6]，但活性较小。为了提高建筑垃圾砖粉活性，课题组将建筑垃圾废砖粉与其他矿物掺合料、激发剂复合，通过多种技术途径开发出了建筑垃圾复合粉体材料(Construction Waste Composite Powder Material，CWCPM)。从宏观和微观两方面深入、系统地研究了CWCPM对小型混凝土预制构件强度和收缩性能的影响，研究结果对促进建筑垃圾废砖块再生利用、保护环境和节约能源具有重要的理论意义，同时为减少小型混凝土开裂破坏提供了基础数据，具有一定的工程实用价值。

2　试　验

2.1原材料

水泥：秦岭牌42.5级普通硅酸盐水泥，表观密度3.112 g/cm3；粗集料：兴平石料厂5～19 mm连续级配碎石；细集料：普通河砂，细度模数2.48，原材料各性能指标均满足规范要求。试验用建筑垃圾砖粉比表面积450 m2/kg，主要化学组成为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO，其中CaO含量较少，仅为1.13%。用化学滴定法对建筑垃圾砖粉中的活性物质进行测定表明，建筑垃圾砖粉中含有6%的活性SiO2和2.3%的活性Al2O3，说明建筑垃圾砖粉活性较小。

为提高建筑垃圾砖粉活性，课题组通过多种技术途径研究制备出建筑垃圾复合粉体材料，其由25%建筑垃圾砖粉、25%粉煤灰、50%矿粉和激发剂复合组成。CWCPM各组成成分在激发剂的作用下，具有较好的优势互补效果[7]。前期砂浆试验表明，当CWCPM掺量为40%时，砂浆28 d抗压强度比为123.4%。CWCPM物理性能指标和化学组成见表1和表2，图1和图2分别为CWCPM和建筑垃圾砖粉扫描电镜图。

表1　建筑垃圾复合粉体材料物理性能指标

表2　建筑垃圾复合粉体材料化学组成

由表1和表2可知，CWCPM具有比水泥更大的比表面积(水泥比表面积为365 m2/kg)，说明CWCPM颗粒较细，能够填充于水泥颗粒之间，提高混凝土的密实度。与建筑垃圾砖粉相比，CWCPM具有更加合理的化学组成，CaO含量较高，这可能是CWCPM活性高于建筑垃圾砖粉的原因。

图1　CWCPM扫描电镜图Fig.1　SEM image of CWCPM

图2　建筑垃圾砖粉扫描电镜图Fig.2　SEM image of construction waste brick powder

由图1和图2可知，与建筑垃圾砖粉相比，CWCPM粗细颗粒均有分布，且存在相当数量的细小微珠。这是由于CWCPM各原材料比表面积大小不一，相互填充形成良好的级配，因而可降低水泥-集料间过渡区泌水性和水泥浆体孔隙率，改善水泥浆体孔结构和密实度，进而提高混凝土各项性能。

2.2试验方案设计

小型混凝土预制构件在道路工程中应用广泛，但麻面、干缩裂缝等病害的存在严重影响了其使用寿命。基于此，研究了CWCPM对C25和C30两种常用的小型混凝土预制构件强度和收缩性能的影响，并对其微观机理进行了分析。C25、C30基准混凝土配合比是课题组前期通过正交试验得出的，见表3。

表3　C25、C30混凝土基准配合比

在上述基准配合比的基础上，研究20%、30%、40%三种CWCPM掺量对小型混凝土预制构件强度和收缩性能的影响。力学性能测试参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，抗压强度测试龄期为7 d和28 d，抗弯拉强度龄期为90 d。收缩试验测试采用比长仪，混凝土成型1 d后拆模，养护3 d后测量其初始长度，然后放入温度和相对湿度分别为(20±2)℃和60%±5%的干缩室，从移入干缩室日起，测试1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d的长度。微观试验龄期均为90 d，热分析试验采用美国TA公司生产的Q1000DSC+TG试验仪，温度变化范围为室温到900℃，升温速率为10℃/min；压汞试验采用AutoPoreIV9510压汞仪。

3　CWCPM对小型混凝土构件宏观性能的影响

3.1强度试验结果及分析

C25、C30混凝土强度试验结果如图3和图4所示。

图3　C25、C30混凝土抗压强度试验结果Fig.3　Compressive strength patterns of C25、C30 concrete

图4　C25、C30混凝土抗弯拉强度试验结果Fig.4　Flexural strength image of C25、C30 concrete

由图3和图4可知，CWCPM对C25、C30混凝土强度的影响有相同的变化规律。当其掺量小于30%时，C25、C30混凝土7 d抗压强度有所降低，28 d抗压强度有所增长，但变化幅度不大；当掺量大于40%时，混凝土强度降低较为显著。以C30混凝土为例，7 d、28 d抗压强度较基准混凝土分别降低了16.3%和2.3%。此外，当CWCPM掺量≤30%时，C25、C30混凝土90 d抗弯拉强度均大于基准混凝土；而掺量为40%时，二者抗弯拉强度较基准混凝土分别降低了6.1%和4.4%。

总体说来，CWCPM具有较好的强度效应。水化前期，CWCPM组成成分中的建筑垃圾砖粉及粉煤灰早期活性较小，替代部分水泥后，水化产物较少，但CWCPM较好的颗粒级配和活性较高的矿粉部分弥补了早期强度的降低，因而早期强度降低幅度不大。水化后期，CWCPM各组成部分在水泥水化的碱性环境中相互诱导激发火山灰反应，降低了强度较低、比表面积较小、取向性较强的Ca(OH)2含量，生成强度较高的低碱度硅酸钙凝胶，优化了混凝土内部孔结构；此外，未水化粉体颗粒为水泥及活性物质水化提供“晶核”作用，改善了水化产物在空间的均匀分布，优化了水泥石界面结构，使得混凝土后期强度持续提高[8]。

3.2收缩试验结果及分析

C25、C30混凝土收缩试验结果如图5、图6所示。

图5　C25混凝土干缩试验结果Fig.5　Shrinkage image of C25 concrete

图6　C30混凝土干缩试验结果Fig.6　Shrinkage image of C30 concrete

结合图5和图6可知，C25、C30混凝土干缩系数均随龄期的增长逐渐增大，C30混凝土干缩系数小于C25混凝土，说明适当降低水胶比可提高混凝土的干缩性能。这是由于水灰比较小时，混凝土内部自由水分较少，且水泥水化生成物较多，混凝土内部结构较为致密，阻碍了混凝土的干缩变形。60 d龄期时，CWCPM的掺入降低了C25、C30混凝土的干缩系数，掺量为30%时收缩性能最好。这一方面是由于CWCPM掺入减少了水泥用量，降低了水泥水化速率及水化放热量，从而减少了水化初期微裂纹的出现；结合强度分析可知，水化后期掺CWCPM的混凝土具有较高的强度，提高了其抵抗收缩开裂的能力。另一方面，CWCPM的部分未水化颗粒发挥了较好的微集料效应，提高了混凝土密实度，使得内部自由水不易蒸发出来，起到了抑制基体收缩的作用[9]。

4　微观机理分析

水泥基材料宏观性能的变化与其微观结构有密不可分的关系，借助热分析和压汞试验对掺CWCPM混凝土的微观结构进行了分析。

4.1DSC-TG试验结果分析

对纯水泥净浆和掺30%CWCPM水泥净浆进行了热分析试验，其中水灰比为0.5，试验结果如图7和图8所示。

图7　基准水泥净浆DSC-TG曲线Fig.7　DSC-TG image of reference cement paste

图8　掺30%CWCPM水泥净浆DSC-TG曲线Fig.8　DSC-TG image with 30% CWCPM

对比图7和图8可知，基准水泥净浆和掺30%CWCPM水泥净浆DSC-TG曲线均在50～300℃、400～500℃和600～800℃温度范围内出现吸热峰和质量损失，但二者峰值温度、峰面积和质量损失大小有所差别，说明CWCPM的掺入未改变水泥基材料的水化产物类型，但改变了其水化进程和水化产物数量。

各温度范围内掺CWCPM水泥净浆的峰值高度和峰面积均低于基准水泥净浆，说明CWCPM的掺入降低了水泥水化放热量，宏观上表现为收缩性能的提高。各特征峰峰值温度有所不同，这是由于CWCPM的填充效应提高了水泥浆体密实度，改变了水泥石热传导性。50～300℃范围内，水化产物失去结合水，两类试样质量损失相差不大，说明CWCPM的掺入并未提高C-S-H凝胶的数量；400～500℃范围内，Ca(OH)2脱水，掺30%CWCPM的试样质量损失较基准试样降低了14.3%，说明CWCPM的火山灰效应消耗了结晶粗大、稳定性较差的Ca(OH)2含量，生成了性能较优、稳定性较好的低碱度C-S-H凝胶[10]。CWCPM的掺入改善了水泥石-骨料界面结构，减少了骨料周围水膜厚度与泌水，因此降低了原生裂缝数量，提高了骨料与水泥石粘结强度，宏观上表现为混凝土强度与收缩性能的提高；由化学平衡原理可知，Ca(OH)2含量的减少进一步促进了水泥水化，而且未水化的粉体颗粒填充于硬化浆体和集料之间，进一步提高了混凝土的密实度，从而提高了混凝土后期强度。

4.2压汞试验结果分析

基准和掺30%CWCPM的C25、C30混凝土内部孔结构测试结果见表4。

表4　C25、C30混凝土压汞试验结果

由表4可知，CWCPM的掺入改变了混凝土的孔结构参数，但对C25和C30混凝土的影响规律不同。CWCPM的掺入增大了C25混凝土的总孔隙面积和孔隙率，降低了混凝土平均孔径和中值孔径；但C30混凝土由于CWCPM的掺入总孔隙面积、孔隙率、平均孔径和中值孔径均有所降低。结合混凝土宏观性能可知，掺加CWCPM后，C25、C30混凝土力学和收缩性能均有所提高，说明混凝土孔隙率和孔隙面积并不是决定混凝土宏观性能的唯一因素，并非孔隙率越小混凝土各项性能越优，混凝土各项性能和孔级配有密不可分的关系[11,12]。由C25、C30混凝土孔径分布可知，CWCPM的掺入降低了C25、C30混凝土中大孔数量，增加了对混凝土各项性能有利的小于100 nm的孔径数量。以掺CWCPM的C25混凝土为例，混凝土中<100 nm的孔径占60.1%，较基准混凝土提高61.3%，而大于200 nm的有害孔径较基准试件降低了45.9%。

5　结　论

(1)当CWCPM掺量≤30%时，混凝土早期抗压强度有所降低，但幅度不大，后期抗压强度优于基准混凝土，90 d抗弯拉强度大于基准混凝土；当掺量大于40%时，混凝土早期抗压强度降低较为显著，弯拉强度有所降低，但降低幅度不大；

(2)CWCPM的掺入降低了C25、C30混凝土60 d龄期的干缩系数，且随着CWCPM掺量的增加，混凝土的干缩系数均出现先减小后增大的趋势；

(3)CWCPM各组成部分来源广泛，不需要二次加热，生产成本较低，将其替代部分水泥用于小型混凝土预制构件中是建筑垃圾再生利用的一种新途径，具有广阔的应用前景。

[1]张小娟.国内城市建筑垃圾资源化研究分析[D].西安:西安建筑科技大学学位论文，2013.

[2]Bektas F,Wang K,Ceylan H.Effects of crushed clay brick aggregate on mortar durability[J].Construction and Building Materials，2009，23:1909-1914.

[3]Paulo B.Cachim.Mechanical properties of brick aggregate concrete[J].Construction and Building Materials，2009，23:1292-1297.

[4]芦静，路备战，曹素改，等.建筑垃圾砖粉制备水泥混合材的应用研究[J].粉煤灰综合利用，2012，(2):37-40.

[5]郑丽.废粘土砖粉混凝土的性能研究[D].济南，山东大学学位论文，2012.

[6]燕芳.废弃粘土砖对再生水泥熟料烧成及性能的影响[D].大连：大连理工大学学位论文，2013.

[7]陈益民，贺行洋，李永鑫，等.矿物掺合料研究进展及存在的问题[J].材料导报，2006，20(8):28-31.

[8]饶绍建，王克俭．正交试验研究矿物聚合物抗压强度[J]．硅酸盐通报，2010，29(6):1442-1446．

[9]梁文泉，王信刚，何真，等.矿渣微粉掺量对混凝土收缩开裂的影响[J].武汉大学学报:工学版，2004，37(1):77-81.

[10]阎培渝，张庆欢.含有活性或惰性掺合料的复合胶凝材料硬化浆体的微观结构特征[J].硅酸盐学报，2007，34(12):1491-1496.

[11]陈剑毅，胡明玉，肖烨，等.复杂环境下矿物掺合料混凝土的耐久性研究[J].硅酸盐通报，2011，30(3):639-644.

[12]郑克仁，孙伟，贾艳涛，等.矿渣掺量对高水胶比水泥净浆水化产物及孔结构的影响[J].硅酸盐学报，2005，33(4):520-524.

Influence of Construction Waste Composite Powder Material on Shrinkage and Microstructure of Small-scale Concrete Component

XUE Cui-zhen1，SHEN Ai-qin1，WAN Chen-guang1，GUO Yin-chuan1，LI Hui2

(1.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，China;2.College of Materials Science and Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xi'an 710064，China)

At present,construction waste is not utilized as efficient as it should be,therefore,construction waste composite powder material (CWCPM) is prepared by mixing construction waste brick powder,mineral powder,fly ash and activator together. This paper studied the influence of CWCPM on the strength and shrinkage performance of small-scale concrete components based on macroscopic and microscopic analysis. The results show:concrete mixed with CWCPM has good strength and shrinkage performance,when the replacement amount of CWCPM is less than 30%,concrete early strength reduced slightly,but its long-term strength is higher than that of control sample,CWCPM can improve concrete 60 d shrinkage performance,with the increase of its dosage,shrinkage coefficient decreased initially and then increased. The results of DSC-TG and mercury injection tests show,porosity is not the decisive factor influencing concrete performance,concrete performance has close relations to the pore size distribution,the good filling effect and volcano ash effect of CWCPM can improve the composition of cement hydration products and internal pore structure,thus improve the compactness of concrete.

powder materials;prefabricated concrete;strength;dryingshrinkage;microscopic mechanism analysis

国家自然科学基金(211000120308)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(310821165012)

薛翠真(1990-)，女，博士研究生.主要从事水泥基材料与建筑垃圾砖粉的再生利用方面的研究.

U416

A

1001-1625(2016)02-0363-06