全再生细骨料免蒸压陶粒轻质混凝土隔墙板研究

杨医博，曾威振，李颜君，陈峭卉，郭文瑛，詹建潮， 陈应钦，王恒昌

(1.华南理工大学土木与交通学院，广州 510641;2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510641; 3.中铁房地产集团华南有限公司，广州 510000;4.广东省建筑材料研究院，广州 510000)

0 引 言

2019年我国开展“无废城市”建设试点，其中建筑垃圾处理是重要组成部分。我国建筑垃圾数量已占到城市垃圾总量的30%～40%[1]，且多是直接填埋。与发达国家接近98%的回收率相比[2]，中国建筑废弃物回收利用率只有不到5%[3]。将建筑垃圾中占比较大的混凝土分离、破碎，制备成再生骨料被认为是废弃混凝土再利用的有效方法之一。传统工艺将废弃混凝土破碎，并通过筛分得到再生粗、细骨料。由于其性能不及机制砂石，售价较低,特别是再生细骨料，其在混凝土中应用较少,多用于填方。

全再生细骨料(Complete Recycled Fine Aggregate，简称CRFA)技术[4]将废弃混凝土全部制备为再生细骨料，能有效提高表观密度，降低吸水率[5]，其饱和面干吸水率低于7.0%，通常为5.0%～6.5%，能够全部取代河砂制备混凝土，从而大幅提高其利用效益。

近年来我国大力推进建筑工业化，其中隔墙板是主要构件类型，其市场潜力很大。蒸压陶粒混凝土空心墙板是市场接受程度较高的一种轻质隔墙板，但其需要使用蒸压釜进行养护。而蒸压釜需采用锅炉供热，能耗大且具有一定的危险性。为保护环境，我国在逐渐限制锅炉的使用。为此，迫切需要开发免蒸压的隔墙板产品，以解决建筑工业化快速发展和环境保护之间的矛盾。陶粒混凝土多采用河砂为细骨料，但近年来国内河砂价格高企，资源紧张，能否将废弃混凝土加工为再生细骨料取代河砂值得进行研究。

也有部分研究将传统再生粗骨料和再生细骨料用于墙体材料[6-8]。考虑到轻质是隔墙板的基本要求，故不宜使用密度大的再生粗骨料。CRFA性能优于传统再生细骨料，适用于轻质隔墙板，但未见研究报道。

为解决陶粒混凝土中陶粒上浮问题，有研究掺加引气剂引入少量气泡[9-13]，也有研究在泡沫混凝土中加入适量陶粒复合而成陶粒泡沫混凝土。与普通泡沫混凝土相比，陶粒起到骨架的作用，陶粒泡沫混凝土的收缩相对较低[14]。

陶粒泡沫混凝土主要采用泡沫剂方式[15]，需依赖发泡机，存在泡沫不能放置太久和泡沫不稳定等问题。与泡沫剂相比，引气剂使用更方便。通过引气剂引入大量气泡，取代现有的泡沫剂发泡，是较优的隔墙板引气方式，但相关研究很少。

轻质高强是隔墙板的基本要求，但轻质和高强本身就存在矛盾。曾威振等[16]通过对我国隔墙板标准及使用要求的分析，提出免蒸压隔墙板应按JG/T 169—2016《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》进行开发。面密度、抗压强度是隔墙板性能的基本指标，本文主要针对这两个指标开展研究。

在免蒸压陶粒轻质混凝土(Non-autoclaved Ceramsite Lightweight Concrete，简称NCLC)隔墙板开孔设计的基础上，使用全再生细骨料取代河砂研究CRFA-NCLC性能，并对比引气剂和泡沫剂两种造孔方式对试样性能的影响；进而优选配合比，进行CRFA-NCLC隔墙板性能研究，并与河砂NCLC进行对比；最后分析CRFA-NCLC的经济性。

1 NCLC隔墙板开孔设计

对于NCLC隔墙板而言，由于取消了蒸压养护，混凝土的抗压强度降低，直接采用原有的隔墙板开孔设计将使隔墙板抗压强度难以满足要求，需重新进行隔墙板开孔设计。

JG/T 169—2016《建筑隔墙板用轻质条板通用技术要求》中，对于板厚为90 mm和120 mm的空心板，要求其面密度分别不大于110 kg/m2和140 kg/m2。因此在一定隔墙板开孔率的情况下，用于制备隔墙板的混凝土密度有一个上限值。开孔率越大，能够使用的混凝土密度值越高。由于轻质多孔混凝土抗压强度随着密度增加而提高[17]，因此可通过隔墙板的开孔设计合理地提高其开孔率，使用密度更高的轻质多孔混凝土进行隔墙板的制备，从而解决NCLC隔墙板抗压强度不足的问题。

综合考虑隔墙板的孔型设计需注意的事项，针对板厚90 mm、宽度600 mm、长度2 200 mm和板厚120 mm、宽度600 mm、长度2 200 mm两种尺寸的隔墙板，采用圆角矩形开孔(圆角半径为3 mm)的设计，具体参数见表1。

表1 隔墙板的规格及密度要求Table 1 Specification and density requirements of partition wallboard

由表1可知，采用上述隔墙板开孔设计，混凝土最大密度为1 735 kg/m3。考虑到墙板配筋，选择1 650 kg/m3为实验中混凝土最大湿密度。

2 实 验

采用广州市珠江水泥有限公司生产的P·II 42.5R硅酸盐水泥，300级粘土陶粒(堆积密度290 kg/m3，表观密度485 kg/m3，1 h吸水率1.4%，粒径2～10 mm)，固含量为20%的聚羧酸减水剂，自来水。引气剂采用能引入大量微细气泡的特种引气剂，透明液体。泡沫剂采用烟台威驰化工有限公司生产的蛋白类泡沫剂，黑色液体。CRFA是将实验室废弃混凝土块用中试设备全部破碎为砂[5]所得，砂的颗粒级配见表2，物理性能见表3。

表2 砂的颗粒级配Table 2 Size grain of sand

表3 砂的物理性能Table 3 Physical properties of sand

引气NCLC按图1制备，发泡NCLC按图2制备。二者主要区别在于气孔引入方式不同，引气NCLC使用引气剂在搅拌过程中实现，而发泡NCLC使用发泡机制备泡沫后与料浆混合搅拌。

实验中发现，泡沫剂得到的泡沫细小且较均匀，但其稳定性较差。为保证试验所使用的泡沫性能一致，泡沫放置时间不超过3 min。

实验用的NCLC含有较多气泡，工作性能较好，且使用的骨料粒径不大，扩展度参照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》中的水泥净浆法进行测试。湿密度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的表观密度试验进行测试。

在成型时主要通过分层装料及左右摇晃使混凝土均匀分布，而不采用振捣方式。具体方式为：分两层装料，每装完一层后左右摇晃两次，最后刮平。

干热养护可得到表观质量较好的制品及所需的设备投资较少[17]，本研究采取的免蒸压养护方式为：成型后静停5 h，然后在50 ℃的烘箱中干热养护5 h后脱模，再自然养护至3 d龄期。养护后密度是指混凝土养护结束后，在进行抗压强度测定前的混凝土体积密度，龄期为3 d，称为3 d密度。抗压强度采用70.7 mm立方体试件，加载速度设置为0.5 kN/s。

图1 引气NCLC制备方法Fig.1 Preparation method of air entrained NCLC

图2 发泡NCLC制备方法Fig.2 Preparation method of foamed NCLC

干燥收缩实验方法：采用40 mm×40 mm×160 mm的干缩试件，养护完成后将试件放入温度为(20±2) ℃的水中浸泡72 h，浸泡结束后测定初始长度,再将试件放入温度为(20±1) ℃,相对湿度在(43±2)%的干缩室中，测定放入干缩室后试件的3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d的长度变化，并计算混凝土的干缩值。

图3 隔墙板试件的平面尺寸Fig.3 Plane dimensions of the partition wallboard specimens

采用制备同样规格隔墙板试件的方法进行面密度和抗压强度实验。按照JG/T 169—2016的要求，确定隔墙板试件的平面尺寸，如图3所示，制备高度为90 mm和120 mm的隔墙板试件。养护结束后，测量隔墙板试件的质量，计算得到混凝土3 d密度和隔墙板面密度，然后按JG/T 169—2016要求测定3 d抗压强度。

NCLC内部有大量微小气孔，将试件切割后，用数码相机拍照，使用Image-Pro Plus 6.0 软件进行气孔孔结构分析。使用德国蔡司(ZEISS)EVO 18 Special Edition扫描电镜进行微观结构分析。

3 CRFA-NCLC性能研究

选择水胶比为0.30,砂胶比为2.0，陶粒绝对体积掺量设置为15%，用减水剂用量调整流动性，分别通过调整引气剂和泡沫用量制备目标湿密度分别为1 550 kg/m3和1 650 kg/m3的引气NCLC和发泡NCLC。考虑到材料波动，湿密度范围控制为目标值±30 kg/m3，实验得到的CRFA-NCLC配合比及工作性能见表4，试件3 d龄期密度与抗压强度见图4。

表4 CRFA-NCLC配合比和工作性能Table 4 Mix ratio and workability of CRFA-NCLC

图4 引气NCLC和发泡NCLC抗压强度与密度关系Fig.4 Relationship between compressive strength and density of air entrained NCLC and foamed NCLC

图5 引气NCLC和发泡NCLC中孔径分布Fig.5 Pore size distribution in air entrained NCLC and foamed NCLC

由表4可知，通过调整减水剂、引气剂、泡沫的用量，可以配制出湿密度满足要求的CRFA-NCLC，且均具有较好流动性。

由图4可知，在密度约为1 550 kg/m3时，引气NCLC的抗压强度比发泡NCLC高。在密度约为1 650 kg/m3时，二者的抗压强度基本相等。

为进一步研究不同气孔引入方式对NCLC强度及性能的影响，进行孔结构分析和形貌分析。将引气NCLC(YZ-2)和发泡NCLC(FZ-2)试件切割后，进行气孔的孔结构分析。采用手动选择区域，避开陶粒的部分进行孔径的分析，统计结果见图5及表5。

表5 引气NCLC和发泡NCLC中孔径分布比例Table 5 Proportion of pore size distribution in air entrained NCLC and foamed NCLC

孔隙率、孔径分布等是影响加气混凝土强度的重要因素[18-20]。由图5和表5可知，引气NCLC和发泡NCLC气孔孔径较小，孔径分布基本一致，这是二者抗压强度一致的主要原因。

朱炯等[18]认为通过引气剂方式得到混凝土的气孔孔径在0.20 mm左右，彭军芝[19]认为使用外加剂引入的气孔孔径在0.05～0.20 mm。而根据表5的结果，本研究的气孔孔径集中在0.05 mm以内，其主要原因为本研究的引气剂为特制，引入的气孔孔径较小。

对引气NCLC(YZ-2)和发泡NCLC(FZ-2)的气孔内部进行SEM分析，照片见图6。

图6 引气NCLC和发泡NCLC的气孔SEM照片Fig.6 SEM images of the air hole in air entrained NCLC and foamed NCLC

由图6可知，二者的孔壁均可见水化产物，但气孔内壁的水化产物存在一定的差异。引气NCLC气孔内壁的水化产物的针状体较长、较密集，而发泡NCLC气孔内壁的水化产物呈现较多的六角形的片状体(氢氧化钙)，针状体较短、较少。

4 CRFA对NCLC隔墙板性能影响

在上述研究基础上，采用目标湿密度为1 650 kg/m3的CRFA引气NCLC和发泡NCLC，并采用河砂制备的引气NCLC和发泡NCLC作为对比，具体的NCLC配合比及工作性能见表6。

表6 NCLC配合比和工作性能Table 6 Mix ratio and workability of NCLC

NCLC的3 d密度、隔墙板试件的面密度及3 d抗压强度实验结果见表7。

表7 NCLC的3 d密度、隔墙板试件的面密度及3 d抗压强度Table 7 3 d density of NCLC, area density and 3 d compressive strength of partition wallboard specimens

由表7可知，四种引气NCLC和发泡NCLC隔墙板试件的面密度均满足表1的要求，抗压强度均满足标准JG/T 169—2016不小于5 MPa的要求。同样面密度时，采用CRFA的引气NCLC隔墙板试件的抗压强度略高于河砂，采用CRFA的发泡NCLC隔墙板试件的抗压强度与河砂相当。采用CRFA和河砂时，引气NCLC隔墙板试件的抗压强度均略高于发泡NCLC，其中CRFA的提高幅度较大。这就表明，从隔墙板抗压强度性能看，CRFA优于河砂，引气优于发泡，引气CRFA-NCLC是最优的方式。

CRFA-NCLC和河砂NCLC的干燥收缩曲线见图7。由图7可知，CRFA-NCLC的干缩值明显高于河砂NCLC，同种骨料时引气NCLC和发泡NCLC的干燥收缩曲线基本一致，均为前14 d干缩发展较快，随后干缩发展速度较慢，且引气NCLC的后期干缩值略低。采用CRFA-NCLC不能满足标准中隔墙板干缩值不超过0.50 mm/m的要求。

图7 CRFA-NCLC和河砂NCLC干燥收缩曲线对比Fig.7 Comparison of dry shrinkage curves of CRFA-NCLC and river sand NCLC

图8 3 d和7 d龄期CRFA-NCLC干燥收缩曲线对比Fig.8 Comparison of dry shrinkage curves of 3 d and 7 d CRFA-NCLC

混凝土内部含水率、水化产物结晶程度及环境相对湿度是影响混凝土干燥收缩的重要因素[21-23]。CRFA-NCLC较高的干缩值可能是两个原因造成：一是CRFA-NCLC含水率较高，为8.3%左右，而河砂NCLC含水率只有4.5%左右，失水引起较大的收缩。二是混凝土在湿度为100%的环境下会出现一定程度的膨胀[23]，实验前试件经过3 d的浸泡，测试方法放大了CRFA-NCLC的实际干缩率。

考虑到随龄期延长，胶凝材料水化充分，混凝土强度和抗渗性提高，CRFA-NCLC干燥收缩可能降低，进一步将试件按照制度养护结束后，再进行4 d自然养护，得到龄期为7 d的试件，再进行干缩测定，3 d和7 d龄期CRFA-NCLC干燥收缩曲线见图8。

由图8可知，延长养护龄期至7 d，CRFA-NCLC的干缩值明显降低，其中引气NCLC的后期干缩值略低于发泡NCLC，35 d干缩值不超过0.50 mm/m，满足标准要求。这就表明，通过适当延长养护龄期的方式，能够得到干缩值满足要求的引气CRFA-NCLC。

在实际生产中，隔墙板从出库到实际施工的过程一般超过10 d，且不会有浸泡饱水过程。因此，虽然CRFA-NCLC的测定干缩值较高，需要7 d的养护龄期，但实际上并不影响其生产及应用。

综上所述，引气NCLC的抗压强度略高于发泡NCLC，干缩值略低于发泡NCLC，是较优的制备NCLC的方式。与河砂相比，在面密度相同时，采用CRFA的NCLC隔墙板抗压强度略高，干缩值较大，但可通过适当延长养护龄期的方式降低干缩值。优选配比的引气CRFA-NCLC隔墙板试件的面密度、抗压强度和干缩性能均能满足JG/T 169—2016《建筑隔墙板用轻质条板通用技术要求》标准的要求。采用CRFA制备NCLC隔墙板是促进废弃混凝土再生利用和隔墙板绿色生产的有效途径。

5 经济性分析

经济性分析主要包括养护成本以及材料成本两个方面。采用免蒸压养护会降低养护成本，但由于未进行批量生产，难以估算，故仅计算材料成本。

水泥、河砂及陶粒的价格参考某隔墙板厂家价格，CRFA按照目前上海市再生骨料的价格60 元/吨进行计算。材料单价见表8。

表8 原材料单价Table 8 Unit price of raw materials

选取引气CRFA-NCLC配合比进行混凝土的材料成本计算(外加剂用量少，不进行计算)，并与某隔墙板厂家在蒸压养护方式下使用的配合比K进行对比。计算采用的配合比和总价见表9。

表9 成本计算的配合比及总价Table 9 Mix ratio and total price of costing

由表9可知，采用CRFA-NCLC有很好的经济优势，CRFA-NCLC的混凝土材料成本只有蒸压陶粒轻质混凝土的77%。

6 结 论

(1)干热养护条件下，采用CRFA的引气NCLC隔墙板面密度、抗压强度和干缩值均能满足JG/T 169—2016《建筑隔墙板用轻质条板通用技术要求》标准要求。与现有蒸压陶粒轻质混凝土墙板相比，CRFA-NCLC具有明显的经济优势，混凝土材料成本可降低23%。采用CRFA制备NCLC隔墙板是促进废弃混凝土再生利用和隔墙板绿色生产的有效途径。

(2)与河砂相比，在面密度相同时，采用CRFA的NCLC隔墙板抗压强度略高，干缩值较大。CRFA-NCLC较高的干缩值可能是其含水率较高及实验前浸泡饱水所致，可通过延长养护时间至7 d解决。因隔墙板从出库到实际施工的过程一般超过10 d，故延长养护时间至7 d不影响其生产及应用。

(3)与利用泡沫剂引入泡沫相比，利用引气剂引入气泡施工更方便，气泡稳定性更好，同密度时抗压强度更高，干缩值略低，是较优的制备NCLC的方式。