建筑垃圾复合粉体材料对混凝土强度及抗渗性能的影响

薛翠真, 申爱琴, 刘 波, 林森林

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西 西安 710064)

建筑垃圾复合粉体材料对混凝土强度及抗渗性能的影响

薛翠真, 申爱琴, 刘 波, 林森林

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西 西安 710064)

为开辟建筑垃圾废砖块再生利用新途径,将建筑垃圾废砖块磨细并与其他工业废渣、激发剂复合形成建筑垃圾复合粉体材料。文章通过正交试验对掺建筑垃圾复合粉体材料的C30混凝土坍落度及力学性能进行研究,分析建筑垃圾复合粉体材料掺量对混凝土抗渗性能的影响;借助热重-差示扫描量热法(TG-DSC)、扫描电子显微镜(SEM)和压汞试验,对掺建筑垃圾复合粉体材料C30混凝土微观结构进行分析,研究该粉体材料对混凝土强度及抗渗性能改善的微观机理。结果表明:建筑垃圾复合粉体材料掺量和水灰比对混凝土坍落度及力学性能影响较大,合适掺量的该粉体材料可提高混凝土的强度和抗渗性能,最佳掺量为30%;建筑垃圾复合粉体材料改善了混凝土水化产物组成和内部孔结构,从而提高了混凝土强度及抗渗性能。

建筑垃圾复合粉体材料;正交试验;坍落度;混凝土强度;抗氯离子渗透性;微观改善机理

建筑垃圾是指在建(构)筑物新建与拆除、混凝土生产、道路工程建设与翻修等过程中产生的固体废弃物,建筑垃圾废砖块约占建筑垃圾总量的40%,随着我国城市改造及城镇化的快速发展,如何实现建筑垃圾废砖块的资源化、无害化和减量化是亟待解决的问题,其再生利用已成为全球性研究课题。

目前,对建筑垃圾废砖块再生利用的研究主要集中在用其制备再生粗、细骨料,生产墙体材料和水泥等方面。文献[1-3]研究表明,用建筑垃圾废砖块再生骨料生产的混凝土性能较差,强度、弹性模量、抗渗及收缩性能均随再生骨料掺量的增加而降低,建筑垃圾废砖块作为再生骨料未得到广泛应用。文献[4]对建筑垃圾砖粉替代部分天然砂生产再生砂浆进行了研究,结果表明随建筑垃圾砖粉替代量的增加,砂浆用水量增加,流动性降低;综合考虑砂浆强度及流动性,建筑垃圾砖粉取代量应不超过10%。文献[5]研究表明,建筑垃圾砖粉替代部分水泥用于砂浆中能够改善水泥砂浆的流动性与强度,改善效果与砖粉细度有关;砖粉太细或太粗都会降低砂浆的流动性;砂浆抗压强度随砖粉细度的增加而增大,随砖粉掺量的增加而减小。文献[6]研究表明,建筑垃圾砖粉对水泥混凝土密度影响较小,但会降低水泥混凝土的早期抗压强度。

综上所述,我国建筑垃圾废砖块再生利用率较低,目前关于将建筑垃圾废砖块磨细成粉用作胶凝材料,对其进行活性激发以提高其掺量,并系统分析其掺量对水泥混凝土耐久性影响规律及其机理的研究还很少。本文将建筑垃圾废砖块磨细并与其他工业废渣、激发剂复合形成建筑垃圾复合粉体材料,并对掺建筑垃圾复合粉体材料的C30混凝土强度及抗渗性能进行试验研究;结合微观试验分析建筑垃圾复合粉体材料对C30混凝土强度及抗渗性的改善机理,揭示其微观结构与宏观性能之间的关系,为开辟建筑垃圾废砖块再生利用新途径奠定理论基础。

1 原材料及试验方案

1.1 试验原材料

水泥采用秦岭牌42.5级普通硅酸盐水泥,表观密度为3.112 g/cm3;粗集料为兴平石料厂破碎碎石;细集料为普通河砂,细度模数为2.48;水为普通饮用水。原材料各项性能均满足标准要求。建筑垃圾复合粉体材料由25%砖粉、50%矿渣、25%粉煤灰和改性剂复合而成,矿渣及粉煤灰均符合文献[7]中相关要求;建筑垃圾砖粉是用经挑拣、筛选过的,水泥砂浆、水泥石粉末等含量很少的废砖块磨细而成的,要求比表面积大于300 m2/kg,密度为2～3 g/cm3,烧失量小于5%,粒度为5～16 μm,活性指数大于60%,含水量小于1.0%。本文用建筑垃圾砖粉比表面积为450 m2/kg。建筑垃圾废砖粉和建筑垃圾复合粉体材料扫描电子显微镜(SEM)图分别如图1、图2所示,建筑垃圾砖粉X射线衍射(XRD)图谱如图3所示。

图1 砖粉的SEM图

图2 复合粉体材料的SEM图

2θ/(°)

结合图1和图3可知,建筑垃圾砖粉颗粒分布不均匀,出现粗、细颗粒两极分化,其主要矿物组成为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。文献[8]研究表明,建筑垃圾废砖中的SiO2、Al2O3部分以玻璃体形态存在。为验证建筑垃圾砖粉活性,选用比表面积为450 m2/kg的建筑垃圾砖粉等质量替代部分水泥,研究不同建筑垃圾砖粉掺量(本文“掺量”指掺加物所占的质量分数)对水泥净浆抗压强度的影响。结果表明,掺量为10%时,7 d和28 d强度可达到纯水泥净浆的56.6%和73.6%;掺量为30%时,7 d和28 d强度仅为纯水泥净浆的38.5%和66.8%。用化学滴定法测定建筑垃圾砖粉中的活性物质,结果表明,其中含有约6%的活性SiO2和约2.3%的活性Al2O3,由此可知建筑垃圾砖粉的活性较小。若将建筑垃圾砖粉用于混凝土中,还会产生一定的离散性,使混凝土强度下降更多。为提高建筑垃圾砖粉活性及其再生利用率,将25%砖粉、50%矿渣、25%粉煤灰和改性剂复合形成建筑垃圾复合粉体材料。建筑垃圾复合粉体材料标准稠度用水量为0.285%,烧失量为4.22%,密度为2.82 kg/m3,比表面积为415 m2/kg,其化学组成主要为CaO、Al2O3、Fe2O3和SiO2,与火山灰质材料组成相似,w(CaO)为21.7%～25.5%,w(Al2O3)为15.8%～18.5%,w(Fe2O3)为2.6%～4.0%,w(SiO2)为42.5%～37.5%。

由图2可见,建筑垃圾复合粉体具有更优的颗粒级配,颗粒分布连续,且存在相当数量的细小微珠,不同粒径的颗粒之间相互填充,使得建筑垃圾复合粉体材料具有较好的填充效应和微集料效应,从而改善混凝土强度及耐久性能[9]。

建筑垃圾复合粉体材料各组成成分之间可以达到优势互补,产生一定的超叠加效应,如矿渣早期强度较高,粉煤灰后期强度增长较快,在激发剂的作用下建筑垃圾砖粉活性也有所提高。而少量的游离CaO可与水发生反应,生成对由活性硅、铝溶出形成的硅酸钙及铝酸钙凝胶有益的碱性激发剂Ca(OH)2[10]。此外,废砖的粉磨能耗仅为水泥熟料的5%,不需要二次加热。因此,用建筑垃圾复合粉体材料替代部分水泥用于混凝土中具有一定的可行性,且能够降低原材料的能源消耗。

1.2 试验方案

C30混凝土配合比设计应以提高混凝土外观质量、工作性、力学性能和耐久性为原则。水灰比R、建筑垃圾复合粉体材料掺量w和砂率Sb是影响混凝土各项性能的主要因素,本研究选定该3因素设计3水平进行正交试验,见表1所列。

通过正交试验,确定掺建筑垃圾复合粉体材料C30混凝土的适宜配合比,并在此配合比基础上,变换w,进行混凝土抗渗试验。抗渗试验采用快速氯离子迁移系数法(rapid chloride migration,RCM),试件龄期为28 d。

表1 正交试验设计

DSC-TG试验采用美国TA公司生产的Q1000DSC+TG试验仪,升温速率为10 ℃/min,氮气气氛,试验参比物为Al2O3。试样选用基准和掺30%建筑垃圾复合粉体材料水泥净浆,试验龄期为60 d;SEM选用Hitachi S-4800场发射扫描电镜,试件龄期28 d;压汞试验(mercury intrusion porosimetry,MIP)采用AutoPore IV 9510试验仪,试件龄期90 d。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果与分析

按照表1进行正交试验,测试指标为坍落度、7 d和28 d抗压强度以及28 d抗弯拉强度,试验结果见表2所列。

表2 正交试验结果

对表2结果进行极差分析可知：各因素对混凝土坍落度影响次序为R=Sb>w;对7 d和28 d抗压强度影响次序有相同的规律,即R>w>Sb;对抗弯拉强度影响次序为w>R>Sb。综合分析各因素对混凝土各项性能的影响规律可知,水灰比和建筑垃圾复合粉体材料掺量对C30混凝土坍落度及力学性能影响显著,而砂率对混凝土各指标影响较小。

关于水灰比和砂率对混凝土性能影响的研究已较为普遍,以下重点分析w对C30混凝土坍落度及力学性能的影响规律。不同w下的试验结果见表3所列。

表3 混凝土坍落度和力学性能试验结果

由表3可知,建筑垃圾复合粉体材料的掺入降低了混凝土坍落度,但掺量对混凝土坍落度影响不大;这是由于建筑垃圾复合粉体材料中的砖粉和粉煤灰具有一定的吸水性,降低了混凝土坍落度。当w≤30%时,混凝土7 d强度稍微有所降低,28 d抗压强度和抗弯拉强度高于基准混凝土。当w=40%时,混凝土7 d抗压强度降低较多,28 d抗压强度和抗弯拉强度比基准混凝土有所降低。当w≤30%时,28 d抗压强度和抗弯拉强度有所增大,这一方面是由于建筑垃圾复合粉体材料中的活性物质在水泥水化的碱性环境中与Ca(OH)2发生火山灰反应,降低了取向性较大、稳定性较差的Ca(OH)2的含量,生成性能更优的低碱度水化产物,改善了水泥石-集料界面结构;另一方面,建筑垃圾复合粉体材料早期吸收的水分在后期释放出来以及水化环境中Ca2+质量浓度的降低,均促进了水泥水化,进而生成更多水化产物,且水化产物之间相互交叉形成网络结构,建筑垃圾复合粉体材料的填充及微集料效应均使得混凝土内部结构较为密实,抗弯拉和抗压能力得到增强。当掺量较大时,混凝土早期强度降低较多,这是由于建筑垃圾复合粉体材料早期活性相对较小,当其掺量较大时,水泥含量减少,有效水灰比增大,溶液中Ca2+质量浓度降低,水泥-粉体材料体系水化速度减慢,水化产物减少,混凝土内部结构较为松散,早期强度降低。

根据上述试验结果,确定掺建筑垃圾复合粉体材料的C30混凝土配合比如下:R=0.45,w=30%,Sb=34%;水泥、建筑垃圾复合粉体材料、碎石、砂和水的用量分别为272、117、1 212、624、175 kg/m3。

2.2 抗渗试验结果与分析

不同建筑垃圾复合粉体材料掺量的C30混凝土氯离子迁移系数见表4所列。

表4 氯离子抗渗试验结果

由表4可知,建筑垃圾复合粉体材料提高了混凝土的抗渗性能,在w=30%处取得最小值。这一方面是由于建筑垃圾复合粉体材料中矿物掺合料的填充效应及火山灰效应改善了混凝土内部的水化产物组成的,优化了界面结构,增加了混凝土密实度,细化了内部孔结构,进而提高了混凝土阻碍Cl-渗透扩散的能力;另一方面,未水化的建筑垃圾复合粉体材料及低碱度的C-S-H凝胶对Cl-具有一定的物理吸附作用,Cl-还可与水化铝酸盐及其衍生物生成水化氯铝酸钙Friedel盐,降低了混凝土内部自由Cl-含量[11-12]。此外,建筑垃圾复合粉体材料替代部分水泥后,可降低水泥水化热,减少混凝土内部微裂纹,提高混凝土抗渗性能。

3 强度和抗渗性能改善机理

3.1 TG-DSC同步热分析

TG-DSC试验结果如图4、图5所示。

图4 基准水泥净浆TG-DSC曲线

图5 掺30%建筑垃圾复合粉体材料水泥净浆TG-DSC曲线

由图4、图5可知,掺30%建筑垃圾复合粉体水泥净浆与基准DSC-TG曲线形式相同,但特征峰的位置及大小有所差别,说明建筑垃圾复合粉体材料的加入,并未改变水泥水化产物种类,但改变了水化产物数量;试样特征峰出现位置有所改变,可能是由于建筑垃圾复合粉体材料的加入,改变了试样内部密实度,进而改变了混凝土的热传导性。

由DSC曲线可知,试样在100、430、680 ℃左右出现特征峰,分别对应C-S-H凝胶脱去游离水、Ca(OH)2脱水及CaCO3分解释放CO2的过程。掺30%建筑垃圾复合粉体材料的水泥净浆Ca(OH)2脱水吸热峰的峰温、起点温度、峰高及峰面积均低于基准试件,说明建筑垃圾复合粉体材料的加入降低了Ca(OH)2含量。由TG曲线可知,试样在25～700 ℃范围内缓慢而连续脱水。在50～300 ℃范围内主要是游离水及水泥水化产物失去凝胶水的过程,此温度范围内掺建筑垃圾复合粉体材料试样质量损失略高于基准试样,但相差不大。400～500 ℃范围内质量损失主要是Ca(OH)2脱水,此温度范围内掺30%建筑垃圾复合粉体材料试件质量损失比基准试件降低了14.3%,说明建筑垃圾复合粉体材料的二次水化反应降低了Ca(OH)2含量,与DSC曲线分析结果相同。

3.2 SEM结果分析

基准C30混凝土(C30-0%)和掺30%建筑垃圾复合粉体材料C30混凝土(C30-30%)的SEM图如图6所示。

由图6可知,建筑垃圾复合粉体明显改善了混凝土的水化产物组成。在基准试件中,水化产物主要为结晶粗大且定向分布的六方板状Ca(OH)2晶体,并夹杂少量硅酸钙凝胶;而C30-30%试件内部各水化产物形态不是特别明显,已不能清楚地观察到Ca(OH)2晶体,主要为颗粒状硅酸钙凝胶,彼此交错形成网状结构,从而强化了容易出现破坏的骨料与水泥石界面,提高了混凝土内部密实度。此外,图6b还可清楚地看见部分未水化的建筑垃圾复合粉体材料颗粒,其可填充在硬化水泥浆体和集料之间,提高混凝土的密实度,对于提高混凝土后期强度及耐久性都是非常有利的[13]。

由DSC-TG与SEM分析可知,建筑垃圾复合粉体材料的加入改善了混凝土内部微观结构与水化产物的组成,减少了结晶度及稳定性较差的Ca(OH)2含量,优化了混凝土界面结构。从化学反应发生的条件来看,正是由于Ca(OH)2的消耗,一方面促进水泥不断水化,另一方面水泥水化产生新的Ca(OH)2又激发了未水化建筑垃圾复合粉体材料的活性使其进一步发生火山灰反应。两者之间的互相促进作用,使得净浆中各种水化产物类型改变及数量增加,密实度提高,宏观上表现为掺建筑垃圾复合粉体材料强度及抗渗性能的提高。

图6 混凝土SEM图

3.3 压汞试验结果分析

C30混凝土压汞试验结果见表5所列。

由表5可知,建筑垃圾复合粉体材料的火山灰效应、填充效应及微集料效应细化了混凝土内部孔结构,将原来的大孔分割为较细小且不连通的小孔,从而显著降低了C30混凝土孔隙率。掺量为30%时,混凝土孔隙率相对于基准试件降低39.1%,对混凝土抗渗及其他耐久性能有害的大于100 nm的孔径降低11.8%;每克总孔隙面积、平均孔径及中值孔径比基准混凝土均有所减小。混凝土孔隙率的降低及孔结构的细化可阻断Cl-渗透通道,提高混凝土抗渗性能[14]。由各孔径的孔所占比例可知,建筑垃圾复合粉体材料的掺入提高了小于20 nm范围内的孔,降低了50～100 nm范围内的孔。文献[15]研究表明,增大混凝土凝胶孔的数量、降低毛细孔数量可提高混凝土抗渗性能。此外,合理的孔结构及孔级配可提高混凝土密实度、阻断氯离子渗透通道及提高氯离子吸附能力,使混凝土强度及抗渗性能得到提高。

表5 C30混凝土压汞试验结果

注：中值孔径分别按孔体积、孔面积计算。

4 结 论

(1) 验证了建筑垃圾复合粉体材料替代部分水泥用于混凝土中的可行性,建筑垃圾复合粉体材料掺入虽然降低了混凝土早期强度,但是后期强度较高,并提高了混凝土抗渗性能。

(2) 建筑垃圾砖粉及复合粉体材料各物理、化学指标表明,建筑垃圾砖粉活性较小,且颗粒分布不均匀,但建筑垃圾复合粉体材料具有较好的颗粒形态与活性。

(3) 水灰比及建筑垃圾复合粉体材料对混凝土坍落度、抗压及抗弯拉强度的影响较为显著,砂率对上述指标的影响较小。建筑垃圾复合粉体材料对混凝土抗压、抗弯拉强度及抗渗性能均有一定程度的提高,其最佳掺量为30%。

(4) 建筑垃圾复合粉体材料对C30混凝土强度及抗渗性能的改善机理为合理的水化产物组成、较好的界面结构、合理的孔结构及孔级配。

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(责任编辑 张淑艳)

Impact of regeneration composite powder material on C30 concrete strength and anti-penetrability performance

XUE Cuizhen, SHEN Aiqin, LIU Bo, LIN Senlin

(Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Regeneration composite powder material consists of milled waste bricks, industrial residues and activator, which provides a new way for regeneration utilization of waste bricks. Based on the orthogonal experiment, the slump and mechanical properties of C30 concrete constructed with regeneration composite powder material were studied, and the influence of regeneration composite powder dosage on the anti-penetrability performance of the C30 concrete was analyzed. The micro-structures of the C30 concrete were also studied by using thermogravimetry-differential scanning calorimetry(TG-DSC), scanning electron microscope(SEM) and mercury intrusion porosimetry(MIP), and the improvement mechanism of regeneration composite powder to concrete strength and anti-penetrability performance was analyzed. The results showed that regeneration composite powder dosage and water cement ratio had large impact on concrete slump and mechanical properties; regeneration composite powder could improve concrete strength and anti-penetrability performance by perfecting hydration products composition and concrete pore structures, and its optimal dosage was 30%.

regeneration composite powder material; orthogonal experiment; slump; concrete strength; resistance to chloride ion permeation; microcosmic improvement mechanism

2015-07-30；

2015-09-16

交通运输部建设科技资助项目(2013318J16490);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310821165012)

薛翠真(1990-),女,山东菏泽人,长安大学博士生; 申爱琴(1957-),女,陕西宝鸡人,博士,长安大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.014

TU528

A

1003-5060(2017)01-0071-06