建筑垃圾再生微粉对水泥胶砂强度影响研究①

□□ 焦晓飞 (山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

随着我国城市化进程的不断推进，每年将产生上亿t的建筑垃圾，2020年我国建筑垃圾产生量将会突破30亿t，其中以废混凝土、砂浆、碎砖为主[1]。目前我国建筑垃圾的处理方法还停留在堆放和填埋阶段[2]，资源化率仅在10%左右，与发达国家差距较大。为实现建筑垃圾的资源化利用，国内外学者进行了大量研究，主要集中在再生骨料和再生微粉两个研究领域，其中再生骨料的研究应用技术较为成熟，用于部分或全部取代天然骨料制备再生混凝土、砂浆、墙体材料等，并已制定了相关国家和行业标准。而对于再生骨料生产过程中产生的约占总质量的15%、粒径<0.16 mm的再生微粉研究应用还停留在试验研究阶段[3]，刚刚颁布的行业标准JG/T 573—2020《混凝土和砂浆用再生微粉》于2020年8月1日起实施。由于再生微粉具有粒径小，且有一定活性的特点，当前研究最多的是作为矿物掺合料来代替胶凝材料[4]，考虑到再生微粉工业化生产的经济成本和能耗因素，资源化利用程度较低，因此，如何有效激发再生微粉的活性，以最佳的比例代替胶凝材料，提高再生微粉的回收利用效率具有很高的研究价值。

再生微粉的制备工艺有三种[5]，第一种为实验室对废弃的混凝土试块进行破碎、研磨制备得到的微粉，这种微粉数量少，性能波动较大，不适合大规模使用；第二种为建材生产企业专业化设备生产得到的再生微粉，这种微粉性能稳定，但是目前此类生产企业不多；第三种为再生骨料生产过程中收集的微细粉末副产品，生产成本低，数量多，目前工程应用中以路基垫层为主。

再生微粉活性低，未经活化处理前，不宜代替水泥使用，余小小等[6]研究发现：利用气流粉碎机对再生微粉进行机械力活化处理，得到的再生微粉活性高、粒径分布范围窄、粒形规整，替代水泥掺入砂浆中，该砂浆抗压强度高于掺加振动球磨机制备再生微粉的砂浆强度。此次试验利用气流粉碎机激发建筑垃圾再生微粉活性，粉磨不同时间，再以不同比例替代水泥制备水泥胶砂试体，养护至规定龄期测试其抗折强度和抗压强度，并计算其强度活性指数，以分析再生微粉对水泥胶砂强度的影响。

1 试验原料与方法

1.1 原材料

水泥：太原狮头中联水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥；

标准砂：厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂；

水：太原市生活饮用水；

再生微粉：某建筑垃圾处理企业制备再生骨料过程中产生的微粉。

1.2 试验设计

先对再生微粉的细度指标和化学成分进行分析，将再生微粉利用超微气流粉碎机分别粉磨10 min(B组)、20 min(C组)、30 min(D组)、40 min(E组)，然后按照10%、20%、30%比例分别取代水泥并制备成40 mm×40 mm×160 mm的水泥胶砂试体，试验方案见表1，A组为不掺再生微粉的空白试验。强度检验按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行，养护至3 d、28 d龄期后测试其抗折强度和抗压强度，并计算再生微粉28 d的活性指数。

表1 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 再生微粉的理化性能

再生微粉的表观密度约为2 600 kg/m3，比表面积为450～750 m2/kg[7]，平均粒径为30～50 μm，与P·O水泥相比，再生微粉粒径大、内部孔隙多、自然状态下质地疏松。按照GB/T 1345—2005《水泥细度检验方法(筛析法)》中45 μm负压筛析法进行测试，筛析时间为3 min，测得再生微粉45 μm筛余量为32.4%，参考JG/T 573—2020《混凝土和砂浆用再生微粉》中的技术要求，该再生微粉细度达到Ⅱ级再生微粉技术指标≤45.0%。

再生微粉的化学成分见表2。主要成分为CaO、SiO2、Al2O3，与硅酸盐水泥和粉煤灰基本一致，只是含量不同，因此，再生微粉具有潜在活性，活性激发后替代胶凝材料是可行的。从化学成分推断，该再生微粉为混凝土和粘土砖的混合再生微粉。

表2 再生微粉的化学成分

2.2 水泥胶砂强度分析

掺再生微粉的水泥试体3 d、28 d抗折强度和抗压强度结果见表3。不同粉磨时间、不同再生微粉掺量对试体3 d和28 d强度影响分析如图1所示。

表3 水泥胶砂强度检测结果

图1 不同粉磨时间、不同再生微粉掺量对水泥胶砂强度影响

从图1可以看出，随着再生微粉掺量的增加，水泥胶砂试体3 d和28 d抗压强度值均有所降低。当掺量为30%时，3 d抗压强度可以达到GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准规定的强度≥17.0 MPa。这是由于再生微粉在水化早期可以较快的消耗水泥水化产生的Ca(OH)2，使其具有较高的早期活性[8]，但28 d抗压强度均不符合标准规定的强度≥42.5 MPa。掺量为20%时，粉磨时间在20 min以上的再生微粉28 d抗压强度才能达到标准规定值；掺量为10%时，粉磨20 min，28 d的抗压强度为44.6 MPa，达到标准规定值；当掺量>20%时，抗压强度均出现急剧下降。因此，再生微粉采用超微气流粉碎机活性激发的粉磨时间宜在20 min以上，且替代水泥掺量不宜超过20%。

以20%再生微粉掺量为例，不同粉磨时间对水泥胶砂试体强度的影响如图2所示。

图2 不同粉磨时间对水泥胶砂强度的影响

从图2可以看出，随着粉磨时间的延长，再生微粉的活性逐渐增大，水泥胶砂试体3 d和28 d强度值均所提高，这是由于机械力活性激发使得再生微粉中α-SiO2的正四面体结构畸变为无定形SiO2，增加了再生微粉活性，促进水泥水化。

2.3 强度活性指数

按照JG/T 573—2020《混凝土和砂浆用再生微粉》中再生微粉活性指数测定方法，再生微粉以30%比例替代水泥制备水泥胶砂试体，养护28 d龄期后测试其抗压强度，计算28 d的活性指数。上述粉磨不同时间的四组再生微粉试样28 d活性指数分别为：66.5%、70.8%、74.2%、75.2%，不同粉磨时间强度活性指数的变化如图3所示。

图3 不同粉磨时间强度活性指数变化情况

从图3可以看出，再生微粉活性指数随粉磨时间延长呈上升趋势，粉磨10 min可达到Ⅱ级再生微粉活性指数技术指标≥60%，粉磨20 min可以达到Ⅰ级再生微粉活性指数技术指标≥70.0%，但粉磨30 min以后，活性指数的增进率略有下降，综合考虑再生微粉的生产成本，利用超微气流粉碎机激发再生微粉活性的粉磨时间宜控制在25～30 min。

3 结论

3.1 建筑垃圾再生微粉具有潜在活性，经过气流粉碎机活化处理，可有效提高其活性，随着粉磨时间的延长，活性逐渐增大，最佳粉磨时间宜控制在25～30 min。

3.2 再生微粉作为辅助胶凝材料替代水泥制备水泥胶砂试体，相同粉磨时间条件下，随着再生微粉掺量增加，水泥胶砂强度逐渐下降，替代水泥掺量宜控制在20%以下。