砖混类再生微粉泡沫胶凝材料力学性能研究

崔 宁，栾仲豪

(1.北京市市政工程研究院，北京 100037；2.北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司，北京 100037)

0 引 言

随着我国社会发展进程的加快，建筑垃圾的资源化利用问题得到了越来越多的关注。据统计，建筑垃圾的含量占城市垃圾总质量的30%～40%[1]。国内外诸多学者针对建筑垃圾的回收利用提出了解决办法，但每年新产生的建筑垃圾利用率仍不足10%[2]。建筑垃圾处置过程中多以破碎除杂后的再生骨料作为基础应用产品，而在再生骨料生产过程中会产生大量微粉，其中部分微粉颗粒混入再生骨料中，部分微粉颗粒悬浮在空气中被收尘设备收集。本文针对收尘设备收集的再生微粉配制的胶凝材料进行试验研究。

根据国内再生骨料的生产线运行情况，目前主要把再生微粉分成两类，混凝土类再生微粉和砖混类再生微粉。混凝土类再生微粉是在生产混凝土类再生骨料过程中收集的,砖混类再生微粉是在生产砖混类再生骨料过程中收集的，通常微粉颗粒中砖瓦类材料颗粒占比可达30%(质量分数)以上。再生微粉的应用是提高建筑垃圾资源利用率的一种有效途径[3]，但不同种类建筑垃圾和不同生产加工工艺制备的再生微粉性能存在一定差异。其中混凝土类建筑垃圾处理过程中普遍采用分拣大块混凝土进行破碎生产，原材料组分相对单一。砖混类建筑垃圾来源较为广泛，组成复杂，通常还有大量土和杂物，企业生产线破碎生产再生骨料过程中产生的再生微粉含有部分土、有机质等杂物,与混凝土类再生微粉在化学组成、粒径尺寸、活性等方面均存在明显差异。目前，相关研究主要集中在混凝土类再生微粉，多采用部分替代水泥材料的方法制备高强度水泥胶砂，以减少水泥用量[4-5]。试验发现水泥砂浆流动度随再生微粉掺量增加而降低[6]，再生微粉掺量较低时，对水泥胶砂强度影响不大，当质量掺量超过10%时，胶砂强度大幅下降[7-8]。对于泡沫混凝土，增大再生微粉掺量，其流动度及抗压强度均会减小，但吸水率逐渐增大。再生微粉掺入量较少时，对泡沫混凝土28 d抗压强度有增强效果，但过量掺入则会导致泡沫混凝土抗压强度下降[9]。目前，针对砖混类再生微粉产品性能以及低强度需求材料的研究较少。再生微粉在低标号回填材料中的应用强度要求低且用量大，更符合近阶段再生微粉的大规模推广。因此，本文首先研究了砖混类再生微粉和发泡剂掺量对泡沫胶凝材料力学性能和流动度的影响，旨在探究满足不同工程需求的再生微粉胶凝材料配合比。其次，研究了不同批次间砖混类再生微粉性能及所制备的胶凝材料力学性能的差异，旨在探究同种再生微粉产品间的性能差异，为工程应用提供重要依据。

1 实 验

1.1 试剂与材料

图1 再生微粉宏观照片Fig.1 Macro photo of recycled fine powder

砖混类再生微粉(简称再生微粉，BP)取材自北京及北京周边地区多家砖厂生产线上的收尘设备，取材时对同一厂家按不同日期进行多次取样并编号，再生微粉宏观照片如图1所示。水泥、再生微粉化学成分如表1所示。

再生微粉胶凝材料的制备和再生微粉活性测试所使用的硅酸盐水泥为抚顺水泥股份有限公司生产的P·I 42.5基准硅酸盐水泥(简称SC)，执行标准为《混凝土外加剂》(GB 8076—2008)，性能参数如表2所示。发泡剂为鑫牛化工建材有限公司生产的浓缩型高效水泥发泡剂。

表1 再生微粉和水泥的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of recycled fine powder and cement

表2 水泥的性能参数Table 2 Performance parameters of cement

图2 再生微粉粒度测试结果Fig.2 Granularity test results of recycled fine powder particle

采用TopSizer激光粒度分析仪，搭配SCF-105B循环进样系统测定再生微粉的粒径分布情况。试验结果如图2所示，再生微粉粒径分布均匀，颗粒尺寸较小，粒径峰值为71.56 μm，45.00 μm以下颗粒体积占比为35.42%，75.00 μm以下颗粒体积占比为53.58%，200.00 μm以下颗粒体积占比为83.55%。

采用KYKY-2800B型扫描电子显微镜对再生微粉微观形貌进行分析。再生微粉的SEM测试结果如图3所示，可以看出再生微粉呈颗粒状，尺寸均匀，表面有较多孔洞，与粒径测试分析得到的结果吻合。

图3 再生微粉的SEM照片Fig.3 SEM images of recycled fine powder

1.2 再生微粉样品制备

为研究再生微粉和发泡剂掺量对胶凝材料力学性能的影响，试验选取同一厂商、同一批次的砖混类再生微粉，按表3再生微粉胶凝材料配合比方案称取原料，依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)将混合料拌和后浇注成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，每个配合比方案共制备6组，每组3个试件。试件在(20±5) ℃的环境中静置一昼夜后进行拆模、编号，随后放入标准养护室中养护。胶凝材料配比前，按质量比1 ∶30将发泡剂用水稀释备用。

表3 再生微粉胶凝材料配合比方案Table 3 Mix ratio of recycled fine powder cementitious materials

为研究不同批次再生微粉胶凝材料力学性能的差异，选取同一厂商不同批次的10组砖混类再生微粉，按照表3中BP-4的配比方案称取原料，依照上述过程制备试件并进行养护，每个批次再生微粉共制备6组，每组3个试件，依次编号BP-10～BP-19。

1.3 分析和测试方法

1.3.1 胶凝材料空气含量测试方法

采用NELD-BS610硬化混凝土气泡间距系数分析仪，依据《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)中的直线导线法，测定再生微粉胶凝材料的空气含量，试验过程如图4所示。

图4 胶凝材料气泡特征参数分析过程Fig.4 Analysis process of bubble characteristic parameters of cementitious materials

1.3.2 再生微粉净浆流动度测试

水泥微粉净浆配合比方案如表4所示，采用符合《强度检验用水泥标准样品》(GSB 14-1510—2018)规定的强度等级42.5的标准水泥，通过水泥胶砂流动度用截锥圆模测量水泥微粉胶砂流动度。试验时将润湿过的截锥圆模置于润湿过的玻璃板上，净浆一次性倒入截锥圆模内，自流平后提起截锥圆模，净浆自由流动30 s后进行测量。

表4 水泥微粉净浆配合比Table 4 Mix ratio of cement and recycled fine powder paste

1.3.3 再生微粉活性测试方法

水泥微粉胶砂配合比方案如表5所示，采用P·I 42.5基准硅酸盐水泥和ISO标准砂按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)测试水泥胶砂和水泥微粉胶砂活性。

表5 水泥微粉胶砂配合比Table 5 Mix ratio of cement and recycled fine powder mortar

1.3.4 胶凝材料力学性能测试方法

采用YAW5306型微机液压万能试验机(量程0～3 000 kN)，按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)测定试件养护1 d、3 d、28 d后的抗压强度。

1.3.5 胶凝材料浆体流动度测试方法

按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077—2012)测定不同配合比的胶凝材料拌和后的浆体流动度。

2 结果与讨论

2.1 胶凝材料力学性能分析

图5(a)为BP胶凝材料抗压强度随养护时间的变化情况。由图5(a)可知，随着养护时间的增加，各组胶凝材料抗压强度均有不同程度的提高，1～3 d时，材料抗压强度增长幅度较大，后期增幅较小。增大再生微粉和发泡剂掺量，均会导致胶凝材料抗压强度降低。再生微粉以SiO2为主要成分，并含有部分CaO、MgO和Al2O3，活性远低于水泥粉末，在混合料早期强度发展中主要起填充作用。随着再生微粉掺量的增加，混合粉末中活性物质含量逐渐降低，在一定程度上导致胶凝材料中水化产物C-H-S凝胶含量减少，最终表现为早期和后期力学性能出现不同幅度下降。试验时，胶凝材料成型时出现不同程度的泌水现象，而发泡剂掺量的增加使得这一现象得到了改善。图5(b)为BP胶凝材料湿密度测试结果。由图5(b)可知，再生微粉掺量对试件湿密度影响不大，而发泡剂掺量的增加会显著降低试件的湿密度。

图5 BP胶凝材料抗压强度和湿密度测试结果Fig.5 Compressive strength and wet density test results of BP cementitious materials

图6为BP胶凝材料3 d、28 d抗压强度和湿密度随再生微粉质量与水泥质量比值(以下简称BP/SC)的变化情况。从图6(a)可以看出，当发泡剂掺量为0.6 kg，BP/SC小于1.00时，胶凝材料抗压强度随BP/SC的增大而减小，即随着再生微粉掺量的增大，胶凝材料抗压强度逐渐降低。当BP/SC比值由0.43增大至0.67时，胶凝材料抗压强度下降幅度较大，3 d和28 d抗压强度分别降低了63%和53%。BP/SC比值为1.00时，抗压强度达到最小值，3 d和28 d抗压强度分别为1.0 MPa和3.8 MPa。由图6(b)可知，再生微粉掺量对试件湿密度无显著影响，不同再生微粉掺量的试件湿密度约为1.35 g/cm3。根据文献[10]，再生微粉具有一定的火山灰性，能在一定程度上促进水化反应的进行，且良好的粒径分布能有效填充胶凝材料基体中的孔隙。这与试验结果相吻合，再生微粉良好的级配以及细小的粒径尺寸、多孔的颗粒形貌，使其具有一定的吸水性，故当BP/SC比值小于1.00时，胶凝材料湿密度随BP掺量的增大而小幅增大。当BP粉末掺量较大时，混合材料中水化活性矿物含量已达到较低值，过量BP导致水化硅酸钙含量的大幅减少，从而导致湿密度的降低。

图7为BP/SC比值为定值时，BP胶凝材料抗压强度、湿密度随发泡剂掺量的变化情况。试验表明发泡剂掺量的增加会导致胶凝材料抗压强度的下降。BP/SC比值为0.43时，当发泡剂掺量从0.4 kg增加至0.6 kg，3 d抗压强度由7.5 MPa降低至5.4 MPa，降幅28%，28 d抗压强度由11.5 MPa降低至10.5 MPa，降幅8.7%。BP/SC比值为1.50时，当发泡剂掺量从0.6 kg增加至0.7 kg，3 d、28 d抗压强度分别由1.6 MPa、4.8 MPa降低至1.0 MPa、2.9 MPa，降幅37.5%和39.6%。可见当微粉掺量较低时，发泡剂含量对胶凝材料前期抗压强度影响较大，而当微粉掺量较高时，发泡剂含量对胶凝材料前期及后期抗压强度均有较大影响。泡剂掺量的增加使得浆体内气泡数量增加，在一定程度上降低浆体中自由水含量，导致浆体流动度下降，胶凝材料成型后内部孔隙也随之增多，抗压强度下降，当再生微粉掺量较大时，胶凝材料中存在较多自由水，增加发泡剂虽会减少自由水含量，但不能有效消除过多的自由水，同时过量气泡的引入导致了胶凝材料强度和湿密度的降低。由图7(b)可知，试件湿密度随发泡剂掺量的增加而降低，当再生微粉掺量较低时，增大发泡剂掺量，试件湿密度降低。当再生微粉掺量较高时，发泡剂掺量的增加导致试件湿密度大幅降低。

图6 抗压强度、湿密度随BP/SC比值变化情况Fig.6 Variation of compressive strength and wet density with BP/SC ratio

图7 抗压强度、湿密度随发泡剂掺量变化情况Fig.7 Variation of compressive strength and wet density with foaming agent admixture

图8为胶凝材料浆体流动度随BP/SC比值和发泡剂掺量的变化情况。如图8(a)所示，当发泡剂掺量为0.6 kg时，增大BP/SC比值，浆体流动度先降低后增高。当BP/SC比值由0.43增大至1.00时，流动度由298 mm降低至262 mm，当BP/SC比值继续增大至1.50时，流动度由262 mm大幅增高至310 mm。浆体流动度大小受浆体中自由水含量影响，而自由水含量与胶凝材料吸水性及化学反应需水量有关。上述现象进一步证明再生微粉活性较低，化学反应需水量低于同等质量的水泥粉末，但其颗粒较细且多孔，具有一定的吸水性。因此再生微粉掺量较小时，即BP/SC比值小于0.67时，流动度曲线呈显著下降趋势，此时胶凝材料吸水性增长幅度大于化学反应需水量减小幅度，浆体流动度随再生微粉掺量增加而下降，这与文献[6]中混凝土类再生微粉的试验结果相似。当BP/SC比值由0.67增大至1.00时，流动度曲线为近似水平状，呈现出轻微下降趋势，表明胶凝材料吸水性增长幅度与化学反应需水量减小幅度接近。而当再生微粉掺量较大时，即BP/SC比值大于1.00时，材料化学反应需水量进一步降低，流动度骤然升高的原因可能在于材料中水化活性成分含量过低，存在大量未参与化学反应的水。

图8 流动度随BP/SC比值、发泡剂掺量变化情况Fig.8 Variation of flow with BP/SC ratio and foaming agent admixture

由图8(b)可知，再生微粉掺量较小时，增大发泡剂掺量，浆体流动度大幅下降，由312 mm降低至298 mm，当再生微粉掺量较大时，发泡剂掺量的增加导致浆体流动度小幅提高。表明发泡剂在再生微粉掺量较低时，可有效降低胶凝材料中自由水含量，对浆体流动度的改善效果更为显著，当再生微粉掺量较大时，胶凝材料中自由水含量较高，发泡剂掺量对浆体流动度影响较小。

2.2 再生微粉性能差异分析

图9为同一厂家不同批次再生微粉材料的化学组成和粒度分布。由图可知，不同批次的再生微粉原料化学组分和粒度分布差异很小。

图9 不同批次再生微粉化学组成和粒度分布Fig.9 Chemical component and particle size distribution of different batches of recycled fine powder

图10为不同批次的再生微粉胶凝材料的抗压强度和湿密度。由图可知，不同批次的再生微粉胶凝材料抗压强度差异较大，3 d抗压强度最小值为2.0 MPa，最大值为4.7 MPa，28 d抗压强度最小值为4.4 MPa，最大值为8.9 MPa，这与粉末化学组成和粒径分布试验结果矛盾。湿密度试验结果与抗压强度分布规律相似，不同批次间同样存在一定差异。上述现象是由于发泡剂在不同批次的胶凝材料中作用效果不同，导致材料中空气含量存在差异，进而影响其抗压强度和湿密度。

不同批次再生微粉胶凝材料空气含量和流动度如图11所示，不同批次胶凝材料28 d抗压强度大小与空气含量和流动度为近似反比的关系，10组胶凝材料空气含量均值为22.08%，流动度均值为277 mm。试验结果表明，在原材料性能相似，并且采用相同配合比的情况下，发泡剂发泡效果的不同会严重影响胶凝材料中空气含量和浆体流动度，进而导致材料力学性能和湿密度产生较大差异。因此，在工程应用时，应做到发泡剂的现配现用，避免存放时间对发泡剂发泡效果产生影响。

图10 不同批次再生微粉胶凝材料抗压强度和养护后湿密度Fig.10 Compressive strength and wet density after curing of different batches of recycled fine powder cementitious materials

图11 不同批次再生微粉胶凝材料空气含量和流动度Fig.11 Air content and flow of different batches of recycled fine powder cementitious materials

3 结 论

(1)砖混类再生微粉粒度分布均匀，颗粒尺寸较小，45 μm以下颗粒占比35.42%，75 μm以下颗粒占比53.58%，200 μm以下占83.55%，颗粒表面存在较多孔洞，以SiO2为主要成分，并含有部分CaO、MgO和Al2O3，活性远低于水泥粉末，在混合料早期强度发展中主要起填充作用。

(2)砖混类再生微粉的掺入会降低胶凝材料的力学性能，BP/SC比值为1.00时，试件3 d和28 d抗压强度达到最低值1.0 MPa和3.8 MPa，当BP/SC比值大于1.00时，抗压强度随再生微粉掺量的增加小幅升高。再生微粉的掺量对浆体流动度影响较大，少量掺入可降低浆体流动度，BP/SC比值为1.00时，浆体流动度为262 mm，过量的再生微粉会导致流动度的大幅升高。

(3)发泡剂的掺入导致胶凝材料力学性能的下降，并可在一定程度上改善胶凝材料拌合性，再生微粉掺量较小时，浆体流动度随发泡剂掺量的增加而下降，再生微粉掺量较高时，浆体流动度随发泡剂掺量变化幅度较小。

(4)不同批次再生微粉化学组成和粒度分布无明显差异，但发泡剂的发泡效果在胶凝材料中存在一定差异，导致胶凝材料的空气含量和流动度不同，进而影响最终的力学性能和湿密度。因此，需注意发泡剂的掺加操作流程，并严格控制发泡剂掺加量。