水泥掺量对再生水泥砂浆力学性能的影响

阚涛,李侠,周晓静,张爱勤

(1.山东交通学院 山东省高校路面结构与材料重点实验室，山东 济南　250357;2.山东省威海公路勘察设计院，山东 威海　264200)

随着城市化推进与城市规模的不断扩展，旧建筑物拆除过程中产生大量的建筑垃圾。截至2014年底，我国建筑垃圾排放质量占城市垃圾总量的40%以上[1]，据相关部门推测，我国每年20亿m3以上的工程量仍将持续10～15 a，建筑垃圾将以约6亿t的年排放量继续增加[2]。巨大的建筑垃圾储量给研究者提出了新的方向。现阶段对建筑垃圾再生粗骨料的回收研究取得了一定成果，但再生破碎工序中产生的大量细粒料的利用率仅达到建筑垃圾回收利用总量的10%[3]。为解决我国土木工程建设砂石资源严重枯竭与建筑垃圾细渣料再生利用率低的问题，本文主要利用建筑垃圾再生砂替代天然砂配制再生水泥砂浆，研究水泥掺量对其强度与变形性能的影响。这对解决砂资源短缺和治理环境污染等问题具有重要的现实意义。

1　原材料

1.1　建筑垃圾再生砂

建筑垃圾原料主要以拆除的混凝土为主，对其进行破碎、筛分、二次破碎筛分处理后，得到建筑垃圾再生砂。再生砂成分较为复杂，主要有水泥水化产物、碎石块、碎砖块、木料等其他杂物[4-6]。建筑垃圾再生砂与天然砂基本性能指标试验结果见表1、2。

表1　建筑垃圾再生砂与天然砂的性能指标

对比分析表1，建筑垃圾再生砂与天然砂的基本性能指标存在一定差异。再生砂颗粒内部微裂纹多，空隙率大，开口且连通的孔隙多，粉料含量高，比表面积大[7]。

表2　砂筛分结果(累计筛余)　%

计算得，建筑垃圾再生砂细度模数为2.44，天然砂细度模数为2.77，属于中砂。筛分结果基本符合机制砂与天然砂颗粒级配要求[8]，但建筑垃圾再生砂偏细。

1.2　水泥

采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，其主要物理力学性能指标见表3。经检测水泥各项指标均符合相关的技术要求[9]。

表3　P.O42.5普通硅酸盐水泥性能指标

2　试验

2.1　试验方案

用建筑垃圾再生砂全部代替天然砂，制作建筑垃圾再生水泥砂浆，研究水泥掺量对再生水泥砂浆抗折强度、抗压强度和干燥收缩性能的影响。传统水泥砂浆强度试验的灰砂比采用1:3或1:4[10]。由于建筑垃圾再生砂来源复杂，综合分析其应用状况与适应性，适当扩大灰砂比的范围，确定采用灰砂比为1:9、1:4、1:2.3、1:1.5、1:1五个配合比进行研究，即全部固体材料中水泥的质量分数(掺量)分别为10%、20%、30%、40%、50%，用水量则根据水泥砂浆稠度达到一定合理的范围(20～30 mm)确定[11]。普通水泥砂浆对照试验采用相同的灰砂比，用水量确定方法与再生水泥砂浆用水量确定方法相同。

2.2　成型及养护方法

再生水泥砂浆和普通水泥砂浆的抗折强度和抗压强度试验采用ISO法，测定各水泥掺量的再生水泥砂浆7、28、60 d 3个龄期的抗压强度和抗折强度。采用振动成型，标准试件为40 mm×40 mm×160 mm，试件在(20±1)℃、相对湿度大于95%的养护箱中养护24 h拆模，拆模后放入(20±1)℃水中养护至上述龄期。

再生水泥砂浆的干缩采用砌墙砖干燥收缩试验方法[12]，干缩试件采用振动成型，用各水泥掺量的再生水泥砂浆制作3个两端带有收缩头、尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的标准试件，24 h拆模后放入恒温水槽养护，养护温度为(20±1)℃。

3　试验结果与分析

3.1　水泥掺量对抗压强度的影响

分别采用再生砂与天然砂按标准方法制备水泥砂浆试件，水中养护至7、28、60 d龄期，进行抗压强度试验，加载速率为2.4 kN/s。水泥砂浆抗压强度试验结果见表4。在水泥砂浆稠度基本相同的条件下，对比分析再生水泥砂浆与普通水泥砂浆的抗压强度。

表4　水泥砂浆抗压强度试验汇总

由表4可知，再生水泥砂浆和普通水泥砂浆7、28、60 d龄期抗压强度均随水泥掺量增加而提高，且强度变化的整体趋势相同。再生水泥砂浆和普通水泥砂浆抗压强度从7～28 d增长较快， 28～60 d增长缓慢。不同水泥掺量的再生水泥砂浆7～28 d的抗压强度增长幅度为3.1～11.6 MPa，而28～60 d的抗压强度增长幅度为1.6～3.3 MPa，可见，再生水泥砂浆早期强度较高，后期强度增长缓慢。当水泥掺量较大时，7 d的抗压强度再生水泥砂浆比普通水泥砂浆大，而当试件养护到28 d和60 d时，再生水泥砂浆的抗压强度小于普通水泥砂浆。总体分析认为，再生水泥砂浆较普通水泥砂浆的抗压强度普遍降低，但相差不大，且随着水泥掺量的增加，强度差距逐渐缩小。

再生水泥砂浆28 d抗压强度为9.8 ～57.5 MPa。目前我国现行规范划分建筑砂浆等级为M5～M30[13]，可见，当水泥掺量不超过30%时均可满足砂浆的强度等级要求。当水泥掺量大于30%时，可配置更高强度的再生水泥砂浆，如M40、M50以满足建筑砂浆实际工程需求。

3.2　水泥掺量对抗折强度的影响

将再生水泥砂浆试件置于砂浆抗折仪上，试验加载速率为0.05 kN/s，试件受弯拉力折断后的试验结果见表5。

表5　水泥砂浆抗折强度试验结果

由表5可知，再生水泥砂浆和普通水泥砂浆7、28、60 d抗折强度均随水泥掺量的增加而提高，其抗折强度与水泥掺量大致呈线性关系。当水泥掺量从10%增加到50%时，再生水泥砂浆7、28、60 d抗折强度增加较快，7～28、28～60 d抗折强度平均增幅分别为1.0、0.6 MPa，可见，各水泥掺量再生砂浆的早期抗折强度较后期增长较快。除水泥掺量为10%的再生水泥砂浆较普通水泥砂浆抗折强度高以外，其它水泥掺量的普通水泥砂浆较再生水泥砂浆各龄期的抗折强度均高，但相差较小。

分析导致上述现象的原因，砂浆强度取决于砂与水泥接触界面水泥浆的数量和性质，水泥掺量越大，接触界面水泥浆的数量越多，接触界面越牢固，水泥砂浆7、28、60 d强度均随水泥掺量的增加而提高[14]。由于建筑垃圾再生砂中有一定含量的未水化水泥和活性粉料，在试件养护前期，这些组分可以产生具有黏结作用的水化产物，提高再生水泥砂浆的早期抗压强度[15]。养护到28 d和60 d时，抗压强度主要由水泥水化产物和砂粒提供，未水化水泥和活性粉料继续水化的产物的比例减少，黏结作用相对减小，而且建筑垃圾再生砂内部的微裂纹多，从而降低再生水泥砂浆的抗压强度[16-17]。

3.3　水泥掺量对干缩的影响

标准试件养护4 d，测量原始长度，然后放入温度为(50±1)℃、湿度以饱和氯化钙控制的鼓风干燥箱中干燥，每隔1 d测量一次长度，直至2 d读数相差不大于0.01 mm。干燥收缩变化如图1所示。

a)再生水泥砂浆　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b)普通水泥砂浆图1　不同水泥掺量砂浆干燥收缩变化规律

由图1知，再生水泥砂浆和普通水泥砂浆的干燥收缩均随着水泥掺量的增加而增大。水泥掺量从10%增加到50%，干燥收缩增加0.28 mm/m，水泥掺量每增加10%,干燥收缩平均增加0.07 mm/m。再生水泥砂浆干燥试件0～3 d龄期时干燥收缩增长最快，3～5 d收缩略有降低，龄期大于5 d时，其干燥收缩平稳。再生水泥砂浆水泥掺量越大，其干燥收缩达到稳定的龄期越长。对比分析可以看出，再生水泥砂浆干燥收缩大于普通水泥砂浆的干燥收缩，但差距很小。

分析原因认为，砂在水泥砂浆中可以起到一定的骨架作用，随着水泥掺量增加，砂的用量减少，因而骨架作用减小，砂浆抵抗收缩的能力减弱[18]，干燥收缩增大。水泥在水化反应时体积收缩，水泥掺量越大，水泥水化引起的收缩越大，干燥收缩也越大。建筑垃圾再生砂存在裂缝，导致其承载能力较天然砂低，减弱了再生砂颗粒在砂浆中的骨架作用，也是增大干燥收缩量的原因之一[19-21]。

4　结语

1)随着水泥掺量的增加，再生水泥砂浆的抗压强度、抗折强度与普通水泥砂浆的变化规律基本相似，均随水泥掺量的增加而提高。

2)再生水泥砂浆在水泥掺量≤30%时，其抗压强度可满足M5～M30的要求，增大水泥掺量可配置M40～M50较高强度等级的再生水泥砂浆。

3)再生水泥砂浆干燥收缩大于普通水泥砂浆干燥收缩，且随水泥掺量的增加而增大，干燥稳定所需要的龄期随水泥掺量的增大而延长。

参考文献：

[1]张聪.建筑垃圾产生量大，资源利用率低，原因何在？[N].中国环境报.2015-03-03(12).

[2]王雷,许碧君,秦峰.我国建筑垃圾处理现状与分析[J].环境卫生工程, 2009,17(1):53-56．

WANG Lei, XU Bijun, QIN Feng.Status and analysis of construction waste treatment in China[J].Environmental Sanitation Engineering, 2009,17(1):53-56．

[3]刘飞.建筑垃圾粉料的利用研究[D].广州:广东工业大学, 2016.

LIU Fei.Study on the utilization of the construction waste power[D].Guangzhou:Guangdong University of Technology,2016.

[4]陈胜利,李炳炎.非蒸养建筑垃圾墙体材料的应用[J].砖瓦, 2007(4):37-39.

CHEN Shengli,LI Bingyan.The utilization of non-autoclaved wall materials made of building wastes[J].Brick and Tile, 2007(4):37-39.

[5]石莹,徐仁崇,戴鹏.我国建筑垃圾资源化利用现状[J].粉煤灰, 2016, 28(1):27-30.

SHI Ying,XU Renchong,DAI Peng.Present situation of utilization of construction waste in China[J].Coal Ash,2016, 28(1):27-30.

[6]周文娟,陈家珑,路宏波.我国建筑垃圾资源化现状及对策[J].建筑技术, 2009, 40(8):741-744.

ZHOU Wenjuan, CHEN Jialong, LU Hongbo.Status and countermeasures of domestic construction waste resources[J].Architecture Technology, 2009, 40(8):741-744.

[7]徐健,蔡基伟,王稷良.人工砂与人工砂混凝土的研究现状[J].国外建材科技, 2004,25(3):20-24.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建设用砂: GB/T 14684—2011[S].北京:中国标准出版社,2011.

[9]国家质量技术监督局.水泥砂浆强度检验方法(ISO法):GB/T 17671—1999[S].北京:中国标准出版社,2001.

[10]李秋义,李云霞,朱崇绩,等.再生混凝土骨料强化技术研究[J].混凝土, 2006(1):74-77.

LI Qiuyi,LI Yunxia,ZHU Chongji,et al.Strengthening technique of recycled concrete aggregate[J].Concrete, 2006(1):74-77.

[11]夏龙兴,吴蓉.机制砂与天然砂的性能研究[J].混凝土, 2008(7):60-61.

XIA Longxing,WU Rong.Properties of artificial sand and natural sand[J].Concrete, 2006(1):74-77.

[12]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.砌墙砖试验方法:GB/T 2542—2012[S].北京:中国标准出版社, 2012.

[13]中华人民共和国住房和城乡建设部.砌筑砂浆配合比设计规程:JGJT98—2010[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[14]薛森森,王爱勤.建筑垃圾生产建筑砂浆的配合比优化[J].商品混凝土, 2010(12):74-84.

XUE Sensen,WANG Aiqin.Construction waste production building design optimization of cement mortar [J].Ready-Mixed Concrete, 2010(12):74-84.

[15]黄天勇,侯云芬.再生细骨料中粉料对再生砂浆抗压强度的影响[J].东南大学学报(自然科学版), 2009(增刊2):279-282.

HUANG Tianyong,HOU Yunfen.Effect of powder in recycled fine aggregate on compressive strength of recycled mortar[J].Journal of Southeast University(Natural Science Edition), 2009(suppl.2):279-282.

[16]王军强,陈年和,蒲琪.再生混凝土强度和耐久性能试验[J].混凝土, 2007(5):53-56.

WANG Junqiang,CHEN Nianhe,PU Qi.Experimental study of behavior of strength and durability of recycled aggregate concrete[J].Concrete, 2007(5):53-56.

[17]崔正龙,路沙沙,汪振双.再生骨料特性对再生混凝土强度和碳化性能的影响[J].建筑材料学报, 2012, 15(2):264-267.

CUI Zhenglong,LU Shasha,WANG Zhenshuang.Influence of recycled aggregate on strength and anti-carbonation properties of recycled aggregate concrete[J].Journal of Building Materials, 2012, 15(2):264-267.

[18]王健,巩玉霞.水泥混凝土收缩影响因素分析[J].山西建筑, 2009,35(15):153-155.

WANG Jian,GONG Yuxia.Analysis on the factors influencing the shrinkage of cement concrete[J].Shanxi Architecture, 2009,35(15):153-155.

[19]田倩.低水胶比大掺量矿物掺合料水泥基材料的收缩及机理研究[D].南京:东南大学, 2006.

TIAN Qian.Shrinkage and the mechanism of the cement-based material at low water to binder ratio incorporating high volume mineral admixtures[D].Nanjing:Southeast University,2006.

[20]王雨利,刘素霞,王卫东,等.机制砂砂浆干缩性能的研究[J].材料导报, 2011, 25(18):113-116.

WANG Yuli,LIU Suxia,WANG Weidong,et al.Drying shrinkage of mortar with manufactured sand[J].Materials Review, 2011, 25(18):113-116.

[21]崔强,高超,陈富强,等.石灰岩机制砂砂浆的干缩与耐磨性能[J].山东交通学院学报，2017,25(2):61-65,80.

CUI Qiang，GAO Chao，CHEN Fuqiang，et al.Dry shrinkage and wear resistance of mortar with limestone manufactured sand[J].Journal of Shandong Jiaotong University,2017,25(2):61-65,80.