建筑廢棄物再生微粉在混凝土中應(yīng)用的試驗研究

李建勇 馬雪英 尚百雨 崔久傳, 蔣中強

（1. 北京新奧混凝土集團有限公司；2. 北京奧潤開元環(huán)保科技研究院，北京 100076）

前言

建筑廢棄物的資源化利用是目前世界上的一個熱點，特別是在國內(nèi)，更是實踐循環(huán)經(jīng)濟和節(jié)能減排的重要領(lǐng)域之一。對于建筑廢棄物的處置和利用，國內(nèi)已經(jīng)有很多的研究和應(yīng)用實踐，多數(shù)集中在利用廢棄混凝土制作再生骨料混凝土和生產(chǎn)各種磚等方面[1]。國內(nèi)產(chǎn)生的建筑廢棄物中，以粘土磚和少量混凝土為主體材料的磚混建筑廢棄物占據(jù)了主要部分。但是關(guān)于磚混建筑廢棄物的利用，國內(nèi)相應(yīng)的研究和實踐并不多。將建筑廢棄物磨細制成再生微粉，研究這種微粉作為礦物摻合料在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)，對于大規(guī)模資源化利用建筑廢棄物具有重要意義，將會有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟效益。

本研究使用磚混建筑廢棄物為原料，通過粉磨加工制備了顆粒微細的建筑廢棄物再生微粉，測試分析了再生微粉的組成、顆粒特性和強度活性等綜合品質(zhì)和性能，試驗研究了不同強度等級混凝土中再生微粉的摻量對混凝土抗壓強度和工作性的影響，系統(tǒng)試驗研究了利用再生微粉作為礦物摻合料制備的C30和C60混凝土的力學(xué)性能、耐久性能和體積穩(wěn)定性能。研究結(jié)果證明，建筑廢棄物再生微粉是一種具有良好性能的混凝土用礦物摻合料。本研究所得研究結(jié)果，可以為建筑廢棄物再生微粉作為礦物摻合料在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

1 建筑廢棄物再生微粉活性試驗

1.1 再生微粉的組成和粒度

使用以磚混建筑廢棄物為原材料，通過專用粉磨設(shè)備磨細后，再經(jīng)選粉機選粉得到本研究中使用的建筑廢棄物再生微粉。從原材料和粉磨工藝分析，所得的再生微粉的主要組成材料應(yīng)當(dāng)是粘土磚粉末，并且有少量水泥石細粉和石灰石粉。表1中給出了再生微粉的化學(xué)成分測試結(jié)果，可以看出，再生微粉的化學(xué)成分以SiO2、Al2O3和CaO為主。

按照國標(biāo)GB/T1596-2005規(guī)定的粉煤灰細度的測定方法測試了再生粉體的細度，使用勃氏法測試了粉體的比表面積，使用激光顆粒粒度分析儀測定了粉體的顆粒粒度分布，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，再生粉體的顆粒微細，比表面積較大。這樣的顆粒細度比較有利于再生微粉的活性和微顆粒效應(yīng)的發(fā)揮。

1.2 單摻再生微粉水泥膠砂強度試驗

參照國標(biāo)GB/T17671-1999規(guī)定的試驗方法，采用固定用水量，測定不同摻量再生微粉對水泥膠砂的抗壓強度、抗折強度和流動度的影響。強度試驗齡期為7天和28天，以同齡期下?lián)郊釉偕⒎勰z砂抗壓強度與純水泥膠砂抗壓強度的百分比來表征再生微粉的活性指數(shù)。使用金隅P.O42.5水泥，比表面積為340m2/kg，28天抗壓強度為51MPa；標(biāo)準(zhǔn)砂為符合GB/T17671-1999規(guī)定的中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗結(jié)果在表3中給出。

結(jié)果顯示：（1）再生微粉對水泥膠砂流動度有明顯影響，膠砂流動度隨著再生微粉摻量的增加呈下降趨勢，說明再生微粉會增大水泥膠凝材料體系的需水性；（2）隨著再生微粉摻量的增大，水泥膠砂各齡期的抗壓強度和抗折強度都呈降低趨勢；（3）再生微粉的活性隨著微粉摻量增大而迅速降低，在30%摻量下，微粉7天活性指數(shù)為70%，28天活性指數(shù)為64%，這說明再生微粉的活性較低，替代水泥的比例不宜過大。

1.3 再生微粉與粉煤灰或礦渣粉雙摻對水泥膠砂性能的影響

參照國標(biāo)GB/T17671-1999規(guī)定的試驗方法，采用固定用水量，固定摻合料對水泥的總?cè)〈蕿?0%，研究雙摻再生微粉和粉煤灰以及雙摻再生微粉和礦渣粉對水泥膠砂的抗壓強度、抗折強度和流動度的影響。強度試驗齡期為7天和28天。水泥為金隅P.O42.5水泥，比表面積為340m2/kg，28天抗壓強度為51MPa；粉煤灰為北京產(chǎn)II級粉煤灰，45um篩余為14%，28天強度活性指數(shù)為64%；礦渣粉為順天昊礦粉，45um篩余為5%，比表面積為451m2/kg，28天強度活性指數(shù)為66%；標(biāo)準(zhǔn)砂為符合GB/T17671-1999規(guī)定的中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗結(jié)果在表4中給出。

表1 再生粉體的化學(xué)成分

表2 再生粉體的細度和顆粒分布

表3 單摻再生微粉水泥膠砂強度和流動度試驗結(jié)果

結(jié)合表3和表4的結(jié)果，可以看出：（1）在固定摻合料總摻量為30%的條件下，礦渣粉摻量的增加有利于改善水泥膠砂漿體的流動性和抗壓、抗折強度。同時，再生粉體與礦渣粉共同使用，不論是對膠砂強度還是流動性，效果都要優(yōu)于單摻再生粉體。（2）在固定摻合料總摻量為30%的條件下，與單摻再生粉體相比，雙摻粉煤灰和再生粉體有利于改善水泥膠砂漿體的流動性。結(jié)果同時顯示，與單摻再生粉體相比，再生粉體與粉煤灰共同使用時，粉煤灰摻量的增大會降低水泥膠砂早期強度，但會改善28天強度。這說明，再生粉體雖然與粉煤灰性能相近，但再生粉體可能具有更好的早期活性，因此二者適宜共同配合使用，以獲得更好的早期和后期強度。（3）再生微粉適宜與礦渣粉或粉煤灰雙摻使用，以發(fā)揮良好的疊加效應(yīng)。

2 建筑廢棄物再生微粉對混凝土抗壓強度的影響

2.1 原材料

使用的原材料包括：前述的再生微粉，在水泥中的摻量為10%～30%；北京金隅P.O42.5水泥，比表面積為340m2/kg，28天抗壓強度為51MPa；北京產(chǎn)聚羧酸減水劑，含固量12%，減水率29%；河北產(chǎn)Ⅱ區(qū)中砂河砂，細度模數(shù)2.7，含石量6%，含泥量2.2%，表觀密度2670kg/m3；北京產(chǎn)5mm～25mm礦山廢石碎石，連續(xù)級配，含泥量1.2%，壓碎指標(biāo)4.5%，表觀密度2630kg/m3；自來水。

表4 雙摻再生微粉和礦渣粉/粉煤灰對水泥膠砂強度和流動度的影響

表5 再生微粉摻量對混凝土強度的影響

2.2 混凝土抗壓強度試驗結(jié)果

選取了C20、C30和C40三個混凝土強度等級，研究再生微粉對混凝土各齡期抗壓強度的影響。為了便于比較混凝土的強度發(fā)展，所有的混凝土拌合物均在基本相同的工作性基礎(chǔ)上成型制作抗壓強度試件，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期。坍落度試驗結(jié)果表明，所有的拌合物的出機坍落度都在210mm～230mm之間，出機坍落擴展度都在450mm～550mm之間，粘聚性和保水性良好，可以滿足泵送澆筑要求。混凝土抗壓強度試驗結(jié)果在表5中給出。

結(jié)果表明：（1）隨著再生粉體的摻量的提高，為了獲得基本相同的坍落度和坍落擴展度，需要相應(yīng)增加混凝土中減水劑的用量。這說明，使用再生粉體會降低拌合物的流動性。這種趨勢與水泥膠砂流動度的試驗結(jié)果相似。（2）摻入再生粉體替代部分水泥后，各等級混凝土的各齡期的抗壓強度均呈下降趨勢，總體而言，在15%的再生微粉摻量水平下，各齡期的抗壓強度均能維持在所對應(yīng)的基礎(chǔ)混凝土的抗壓強度的80%～90%的范圍內(nèi)。（3）C20至C40的混凝土均可摻加15%～20%的再生粉體代替水泥，滿足抗壓強度的設(shè)計要求。

3 建筑廢棄物再生微粉混凝土綜合性能試驗

在前述試驗研究的基礎(chǔ)上，選取實際生產(chǎn)的C30和C60兩個等級的預(yù)拌混凝土的配合比為基礎(chǔ)配合比，使用建筑廢棄物再生微粉完全替代粉煤灰，用來進行摻加再生微粉混凝土綜合性能的系統(tǒng)試驗研究。

表6給出了混凝土的配合比設(shè)計。C30A和C60A分別為未摻建筑廢棄物再生微粉的C30和C60混凝土，C30B和C60B分別為摻加建筑廢棄物再生微粉的C30和C60混凝土。

3.1 混凝土工作性

混凝土工作性能如表7所示。

結(jié)果表明，使用再生微粉取代粉煤灰作為礦物摻合料后，混凝土的工作性能仍然保持良好。

3.2 混凝土力學(xué)性能

依據(jù)國標(biāo)GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，成型了尺寸為100×100×100（mm）立方體試件、尺寸為100×100×300（mm）長方體尺寸和為100×100×400（mm）長方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至規(guī)定齡期，測定混凝土的3天、7天和28天齡期的抗壓和抗折強度，以及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天試件的劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度和靜受壓彈性模量。表8給出了混凝土的各項力學(xué)性能的試驗結(jié)果。

表6 C30和C60混凝土的配合比

表7 混凝土工作性能試驗結(jié)果

結(jié)果表明，使用再生微粉取代粉煤灰作為礦物摻合料后，混凝土仍然具有良好的力學(xué)性能，能夠滿足混凝土的各項力學(xué)性能的設(shè)計要求。

3.3 混凝土耐久性能

依據(jù)國標(biāo)GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，試驗研究了再生微粉對C30和C60兩種等級的混凝土的抗凍融性能、抗氯離子滲透性能、抗水滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、碳化性能等主要耐久性能的影響。

（1）抗水滲透性能

制作了尺寸為Φ175×Φ185×150（mm）的圓臺體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28天齡期后測試混凝土的抗水滲透性能。試驗時的恒壓壓力為2.0MPa，恒壓時間為3小時。試驗結(jié)果見表9。結(jié)果顯示，混凝土的抗?jié)B等級均不低于P20。

（2）抗氯離子滲透性能

采用RCM方法測試混凝土試件的抗氯離子滲透性能。制作了尺寸為Φ100×50（mm）的圓柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28天齡期后進行測試。測試結(jié)果見表9。結(jié)果顯示，混凝土中摻加再生微粉后，氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)有明顯降低，混凝土的抗氯離子滲透的能力明顯提高。

（3）碳化性能

制作了尺寸為100×100×100（mm）立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28天齡期后進行測試。測試結(jié)果見表9。

結(jié)果顯示，混凝土中同時摻加再生微粉后，C30混凝土的抗碳化能力有所降低，但是C60混凝土的抗碳化能力沒有下降。

（4）抗凍融性能

采用快速凍融試驗方法測試混凝土試件的抗凍融性能。制作了尺寸為100×100×300（mm）長方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28天齡期后進行測試。測試結(jié)果見圖1和圖2。

結(jié)果顯示，對于強度等級較低的C30混凝土，混凝土中摻加再生微粉后，抗凍能力有所下降，主要表現(xiàn)在相對動彈性模量在經(jīng)歷150～200次的快速凍融循環(huán)后有較明顯的降低，但質(zhì)量損失與未摻再生微粉的混凝土并沒有差別，總體抗凍性能可以達到F250。對于高強度等級的C60混凝土，混凝土中摻加再生微粉后，在經(jīng)歷300次快速凍融循環(huán)后，無論是相對動彈模量還是質(zhì)量損失率，與未摻再生微粉的C60混凝土之間并沒有區(qū)別，總體抗凍性能均遠在F300以上。

表8 混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果

表9 混凝土抗水滲透性能、抗氯離子滲透和碳化試驗結(jié)果

圖1 混凝土抗凍融相對動彈模量試驗結(jié)果

圖2 混凝土抗凍融質(zhì)量損失試驗結(jié)果

（5）抗硫酸鹽侵蝕性能

混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗采用全浸泡法，即制作邊長為100mm的混凝土立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至26天齡期烘干冷卻后進行試驗。測試結(jié)果見表10。

結(jié)果顯示，對于強度等級較低的C30混凝土，混凝土中摻加再生微粉后，抗硫酸鹽侵蝕能力有所下降，經(jīng)歷60～70次的干濕循環(huán)后混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)比未摻再生材料的混凝土低5%～10%，但是抗硫酸鹽侵蝕性能仍可以達到KS60～KS70的等級，與未摻再生微粉的C30混凝土并沒有顯著差別。對于高強度等級的C60混凝土，混凝土中摻加再生微粉后，在經(jīng)歷60～70次的干濕循環(huán)后混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)與未摻再生微粉的C60混凝土相比并沒有降低甚至還有所提高，摻再生微粉的C60混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能明顯高于KS70等級。

表10 混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗結(jié)果

表11 混凝土收縮性能試驗結(jié)果

3.4 混凝土體積穩(wěn)定性

按照GB50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法，成型了尺寸為100×100×515（mm）棱柱體混凝土試件，用接觸法測試混凝土的收縮，研究混凝土的體積穩(wěn)定性。測定了初始長度后，按1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d的時間間隔測量其變形系數(shù)，測試結(jié)果見表11。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，四種混凝土試件的收縮率均呈現(xiàn)隨齡期延長而增長的趨勢，而且相同齡期下混凝土的收縮率也隨著強度等級的提高而減小。對于相同強度等級的混凝土來說，再生材料混凝土的各齡期收縮率稍大于普通材料混凝土，但是這種差別有隨著混凝土強度等級增大而減小的趨勢，例如，兩種C30混凝土的收縮率之間的差別要大于同齡期下兩種C60混凝土的收縮率之間的差別。同時，對于同類型的不同強度等級的混凝土來說，同齡期的收縮率值隨強度等級的提高而減小，例如，同齡期下C30A混凝土的收縮率大于C60A的收縮率，同齡期下C30B混凝土的收縮率大于C60B的收縮率。四種混凝土樣品的總的收縮率大小趨勢為：C60A＜C60B＜C30A＜C30B,這種收縮大小趨勢上的差別主要是由于混凝土的砂石料品種和用量、混凝土水膠比、混凝土密實度等參數(shù)之間的不同造成的。

總的收縮試驗結(jié)果表明，對于相同強度等級的混凝土來說，摻加再生微粉混凝土的各齡期收縮率雖然稍大于普通材料混凝土，但是二者之間并沒有顯著差別，而且對于高強度等級的混凝土這種差別更是微小，甚至可以說是沒有差別。

結(jié)論

本研究的試驗結(jié)果說明，建筑廢棄物再生微粉是一種較好的混凝土用礦物摻合料，可以替代粉煤灰用于制備C60以下等級的大流動性混凝土。主要結(jié)論如下：

（1）本研究中使用的磚混建筑廢棄物再生微粉，化學(xué)成分以SiO2、Al2O3和CaO為主，顆粒微細，粒度主要集中在10μm～20μm以下，比表面積達到600m2/kg以上，材料組成上主要是粘土磚粉，并含有少量水泥石粉和石灰石粉。

（2）摻加再生微粉的水泥膠砂強度和流動度試驗研究表明，再生微粉具有一定的活性效應(yīng)，但需水性稍大，對水泥的替代量不宜超過20%。單摻再生粉體，隨著再生微粉摻量的增加，膠砂流動度和強度均呈下降趨勢，再生粉體摻量超過20%，其下降趨勢明顯。雙摻礦粉和再生微粉或雙摻粉煤灰和再生微粉的膠砂流動度均優(yōu)于單摻再生粉體，其強度也有一定提高。

（3）單摻再生微粉混凝土抗壓強度試驗結(jié)果表明，在C40以下等級混凝土中再生微粉對水泥的取代量在20%以內(nèi)時，可以制備出具有良好強度的大流動性混凝土。

（4）對C30和C60混凝土的綜合性能試驗研究結(jié)果表明，使用再生微粉完全替代粉煤灰后，混凝土的工作性能保持良好，主要力學(xué)性能沒有下降甚至有所提高，綜合耐久性能優(yōu)異，體積穩(wěn)定性能基本不變，說明再生微粉可以作為礦物摻合料用來制備C60以下各等級的大流動性能混凝土。

[1] 李秋義，建筑垃圾資源化再生利用技術(shù)，中國建材工業(yè)出版社，北京，2011年4月。