建筑垃圾復合粉體材料對小型混凝土構件收縮性能和微觀結構的影響

薛翠真，申愛琴，萬晨光，郭寅川，李　輝

(1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安　710064；2.西安建筑科技大學材料科學與工程學院，西安　710064)

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建筑垃圾復合粉體材料對小型混凝土構件收縮性能和微觀結構的影響

薛翠真1，申愛琴1，萬晨光1，郭寅川1，李輝2

(1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安710064；2.西安建筑科技大學材料科學與工程學院，西安710064)

針對我國建筑垃圾堆積如山，再生利用率較低的現狀，將建筑垃圾磨細磚粉與礦粉、粉煤灰和激發劑復合形成建筑垃圾復合粉體材料(以下簡稱CWCPM)，從宏觀和微觀兩方面研究了CWCPM對小型混凝土強度和收縮性能的影響。結果表明：摻CWCPM的混凝土具有較好的強度效應和收縮性能；當替代量小于30%時，混凝土早期強度有小幅度降低，而后期強度高于基準試樣；60 d齡期時，CWCPM的摻入提高了混凝土的收縮性能，隨其摻量的增加收縮系數先減小后增大。DSC-TG、壓汞試驗結果表明：孔隙率并不是影響混凝土性能的決定性因素，混凝土各項性能與其內部孔徑分布有密不可分的關系；CWCPM良好的填充效應和火山灰效應改善了水泥水化產物組成和內部孔結構，提高了混凝土密實度。

粉體材料；預制構件；強度；干燥收縮；微觀機理分析

1　引　言

現如今，建筑垃圾堆積如山，不僅占用大量土地、污染環境，而且是資源的一種極大浪費[1]。如何科學、合理、高效地對建筑垃圾進行再生利用，已成為國內外政府及相關科研工作者重點關注的研究課題之一。我國建筑垃圾廢磚約占建筑垃圾總量的40%，已有研究將建筑垃圾廢磚用做再生砂、再生骨料、生產再生水泥和再生磚等[2-5]。然而，由于建筑垃圾廢磚本身存在裂縫、強度較低、吸水率較大,品質較差，其作為再生骨料、再生砂和生產水泥并未得到廣泛應用，導致其再生利用率極低。總體來說，我國建筑垃圾廢磚資源化再生利用仍處于管理無序、技術簡單、再生利用率極低的初級狀態，因此，探尋合理、高效的建筑垃圾廢磚再生利用新方法、新技術和新政策是亟待解決的問題。

研究表明，建筑垃圾磨細磚粉具有一定的火山灰活性[6]，但活性較小。為了提高建筑垃圾磚粉活性，課題組將建筑垃圾廢磚粉與其他礦物摻合料、激發劑復合，通過多種技術途徑開發出了建筑垃圾復合粉體材料(Construction Waste Composite Powder Material，CWCPM)。從宏觀和微觀兩方面深入、系統地研究了CWCPM對小型混凝土預制構件強度和收縮性能的影響，研究結果對促進建筑垃圾廢磚塊再生利用、保護環境和節約能源具有重要的理論意義，同時為減少小型混凝土開裂破壞提供了基礎數據，具有一定的工程實用價值。

2　試　驗

2.1原材料

水泥：秦嶺牌42.5級普通硅酸鹽水泥，表觀密度3.112 g/cm3；粗集料：興平石料廠5～19 mm連續級配碎石；細集料：普通河砂，細度模數2.48，原材料各性能指標均滿足規范要求。試驗用建筑垃圾磚粉比表面積450 m2/kg，主要化學組成為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO，其中CaO含量較少，僅為1.13%。用化學滴定法對建筑垃圾磚粉中的活性物質進行測定表明，建筑垃圾磚粉中含有6%的活性SiO2和2.3%的活性Al2O3，說明建筑垃圾磚粉活性較小。

為提高建筑垃圾磚粉活性，課題組通過多種技術途徑研究制備出建筑垃圾復合粉體材料，其由25%建筑垃圾磚粉、25%粉煤灰、50%礦粉和激發劑復合組成。CWCPM各組成成分在激發劑的作用下，具有較好的優勢互補效果[7]。前期砂漿試驗表明，當CWCPM摻量為40%時，砂漿28 d抗壓強度比為123.4%。CWCPM物理性能指標和化學組成見表1和表2，圖1和圖2分別為CWCPM和建筑垃圾磚粉掃描電鏡圖。

表1　建筑垃圾復合粉體材料物理性能指標

表2　建筑垃圾復合粉體材料化學組成

由表1和表2可知，CWCPM具有比水泥更大的比表面積(水泥比表面積為365 m2/kg)，說明CWCPM顆粒較細，能夠填充于水泥顆粒之間，提高混凝土的密實度。與建筑垃圾磚粉相比，CWCPM具有更加合理的化學組成，CaO含量較高，這可能是CWCPM活性高于建筑垃圾磚粉的原因。

圖1　CWCPM掃描電鏡圖Fig.1　SEM image of CWCPM

圖2　建筑垃圾磚粉掃描電鏡圖Fig.2　SEM image of construction waste brick powder

由圖1和圖2可知，與建筑垃圾磚粉相比，CWCPM粗細顆粒均有分布，且存在相當數量的細小微珠。這是由于CWCPM各原材料比表面積大小不一，相互填充形成良好的級配，因而可降低水泥-集料間過渡區泌水性和水泥漿體孔隙率，改善水泥漿體孔結構和密實度，進而提高混凝土各項性能。

2.2試驗方案設計

小型混凝土預制構件在道路工程中應用廣泛，但麻面、干縮裂縫等病害的存在嚴重影響了其使用壽命。基于此，研究了CWCPM對C25和C30兩種常用的小型混凝土預制構件強度和收縮性能的影響，并對其微觀機理進行了分析。C25、C30基準混凝土配合比是課題組前期通過正交試驗得出的，見表3。

表3　C25、C30混凝土基準配合比

在上述基準配合比的基礎上，研究20%、30%、40%三種CWCPM摻量對小型混凝土預制構件強度和收縮性能的影響。力學性能測試參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，抗壓強度測試齡期為7 d和28 d，抗彎拉強度齡期為90 d。收縮試驗測試采用比長儀，混凝土成型1 d后拆模，養護3 d后測量其初始長度，然后放入溫度和相對濕度分別為(20±2)℃和60%±5%的干縮室，從移入干縮室日起，測試1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d的長度。微觀試驗齡期均為90 d，熱分析試驗采用美國TA公司生產的Q1000DSC+TG試驗儀，溫度變化范圍為室溫到900℃，升溫速率為10℃/min；壓汞試驗采用AutoPoreIV9510壓汞儀。

3　CWCPM對小型混凝土構件宏觀性能的影響

3.1強度試驗結果及分析

C25、C30混凝土強度試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3　C25、C30混凝土抗壓強度試驗結果Fig.3　Compressive strength patterns of C25、C30 concrete

圖4　C25、C30混凝土抗彎拉強度試驗結果Fig.4　Flexural strength image of C25、C30 concrete

由圖3和圖4可知，CWCPM對C25、C30混凝土強度的影響有相同的變化規律。當其摻量小于30%時，C25、C30混凝土7 d抗壓強度有所降低，28 d抗壓強度有所增長，但變化幅度不大；當摻量大于40%時，混凝土強度降低較為顯著。以C30混凝土為例，7 d、28 d抗壓強度較基準混凝土分別降低了16.3%和2.3%。此外，當CWCPM摻量≤30%時，C25、C30混凝土90 d抗彎拉強度均大于基準混凝土；而摻量為40%時，二者抗彎拉強度較基準混凝土分別降低了6.1%和4.4%。

總體說來，CWCPM具有較好的強度效應。水化前期，CWCPM組成成分中的建筑垃圾磚粉及粉煤灰早期活性較小，替代部分水泥后，水化產物較少，但CWCPM較好的顆粒級配和活性較高的礦粉部分彌補了早期強度的降低，因而早期強度降低幅度不大。水化后期，CWCPM各組成部分在水泥水化的堿性環境中相互誘導激發火山灰反應，降低了強度較低、比表面積較小、取向性較強的Ca(OH)2含量，生成強度較高的低堿度硅酸鈣凝膠，優化了混凝土內部孔結構；此外，未水化粉體顆粒為水泥及活性物質水化提供“晶核”作用，改善了水化產物在空間的均勻分布，優化了水泥石界面結構，使得混凝土后期強度持續提高[8]。

3.2收縮試驗結果及分析

C25、C30混凝土收縮試驗結果如圖5、圖6所示。

圖5　C25混凝土干縮試驗結果Fig.5　Shrinkage image of C25 concrete

圖6　C30混凝土干縮試驗結果Fig.6　Shrinkage image of C30 concrete

結合圖5和圖6可知，C25、C30混凝土干縮系數均隨齡期的增長逐漸增大，C30混凝土干縮系數小于C25混凝土，說明適當降低水膠比可提高混凝土的干縮性能。這是由于水灰比較小時，混凝土內部自由水分較少，且水泥水化生成物較多，混凝土內部結構較為致密，阻礙了混凝土的干縮變形。60 d齡期時，CWCPM的摻入降低了C25、C30混凝土的干縮系數，摻量為30%時收縮性能最好。這一方面是由于CWCPM摻入減少了水泥用量，降低了水泥水化速率及水化放熱量，從而減少了水化初期微裂紋的出現；結合強度分析可知，水化后期摻CWCPM的混凝土具有較高的強度，提高了其抵抗收縮開裂的能力。另一方面，CWCPM的部分未水化顆粒發揮了較好的微集料效應，提高了混凝土密實度，使得內部自由水不易蒸發出來，起到了抑制基體收縮的作用[9]。

4　微觀機理分析

水泥基材料宏觀性能的變化與其微觀結構有密不可分的關系，借助熱分析和壓汞試驗對摻CWCPM混凝土的微觀結構進行了分析。

4.1DSC-TG試驗結果分析

對純水泥凈漿和摻30%CWCPM水泥凈漿進行了熱分析試驗，其中水灰比為0.5，試驗結果如圖7和圖8所示。

圖7　基準水泥凈漿DSC-TG曲線Fig.7　DSC-TG image of reference cement paste

圖8　摻30%CWCPM水泥凈漿DSC-TG曲線Fig.8　DSC-TG image with 30% CWCPM

對比圖7和圖8可知，基準水泥凈漿和摻30%CWCPM水泥凈漿DSC-TG曲線均在50～300℃、400～500℃和600～800℃溫度范圍內出現吸熱峰和質量損失，但二者峰值溫度、峰面積和質量損失大小有所差別，說明CWCPM的摻入未改變水泥基材料的水化產物類型，但改變了其水化進程和水化產物數量。

各溫度范圍內摻CWCPM水泥凈漿的峰值高度和峰面積均低于基準水泥凈漿，說明CWCPM的摻入降低了水泥水化放熱量，宏觀上表現為收縮性能的提高。各特征峰峰值溫度有所不同，這是由于CWCPM的填充效應提高了水泥漿體密實度，改變了水泥石熱傳導性。50～300℃范圍內，水化產物失去結合水，兩類試樣質量損失相差不大，說明CWCPM的摻入并未提高C-S-H凝膠的數量；400～500℃范圍內，Ca(OH)2脫水，摻30%CWCPM的試樣質量損失較基準試樣降低了14.3%，說明CWCPM的火山灰效應消耗了結晶粗大、穩定性較差的Ca(OH)2含量，生成了性能較優、穩定性較好的低堿度C-S-H凝膠[10]。CWCPM的摻入改善了水泥石-骨料界面結構，減少了骨料周圍水膜厚度與泌水，因此降低了原生裂縫數量，提高了骨料與水泥石粘結強度，宏觀上表現為混凝土強度與收縮性能的提高；由化學平衡原理可知，Ca(OH)2含量的減少進一步促進了水泥水化，而且未水化的粉體顆粒填充于硬化漿體和集料之間，進一步提高了混凝土的密實度，從而提高了混凝土后期強度。

4.2壓汞試驗結果分析

基準和摻30%CWCPM的C25、C30混凝土內部孔結構測試結果見表4。

表4　C25、C30混凝土壓汞試驗結果

由表4可知，CWCPM的摻入改變了混凝土的孔結構參數，但對C25和C30混凝土的影響規律不同。CWCPM的摻入增大了C25混凝土的總孔隙面積和孔隙率，降低了混凝土平均孔徑和中值孔徑；但C30混凝土由于CWCPM的摻入總孔隙面積、孔隙率、平均孔徑和中值孔徑均有所降低。結合混凝土宏觀性能可知，摻加CWCPM后，C25、C30混凝土力學和收縮性能均有所提高，說明混凝土孔隙率和孔隙面積并不是決定混凝土宏觀性能的唯一因素，并非孔隙率越小混凝土各項性能越優，混凝土各項性能和孔級配有密不可分的關系[11,12]。由C25、C30混凝土孔徑分布可知，CWCPM的摻入降低了C25、C30混凝土中大孔數量，增加了對混凝土各項性能有利的小于100 nm的孔徑數量。以摻CWCPM的C25混凝土為例，混凝土中<100 nm的孔徑占60.1%，較基準混凝土提高61.3%，而大于200 nm的有害孔徑較基準試件降低了45.9%。

5　結　論

(1)當CWCPM摻量≤30%時，混凝土早期抗壓強度有所降低，但幅度不大，后期抗壓強度優于基準混凝土，90 d抗彎拉強度大于基準混凝土；當摻量大于40%時，混凝土早期抗壓強度降低較為顯著，彎拉強度有所降低，但降低幅度不大；

(2)CWCPM的摻入降低了C25、C30混凝土60 d齡期的干縮系數，且隨著CWCPM摻量的增加，混凝土的干縮系數均出現先減小后增大的趨勢；

(3)CWCPM各組成部分來源廣泛，不需要二次加熱，生產成本較低，將其替代部分水泥用于小型混凝土預制構件中是建筑垃圾再生利用的一種新途徑，具有廣闊的應用前景。

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Influence of Construction Waste Composite Powder Material on Shrinkage and Microstructure of Small-scale Concrete Component

XUE Cui-zhen1，SHEN Ai-qin1，WAN Chen-guang1，GUO Yin-chuan1，LI Hui2

(1.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，China;2.College of Materials Science and Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xi'an 710064，China)

At present,construction waste is not utilized as efficient as it should be,therefore,construction waste composite powder material (CWCPM) is prepared by mixing construction waste brick powder,mineral powder,fly ash and activator together. This paper studied the influence of CWCPM on the strength and shrinkage performance of small-scale concrete components based on macroscopic and microscopic analysis. The results show:concrete mixed with CWCPM has good strength and shrinkage performance,when the replacement amount of CWCPM is less than 30%,concrete early strength reduced slightly,but its long-term strength is higher than that of control sample,CWCPM can improve concrete 60 d shrinkage performance,with the increase of its dosage,shrinkage coefficient decreased initially and then increased. The results of DSC-TG and mercury injection tests show,porosity is not the decisive factor influencing concrete performance,concrete performance has close relations to the pore size distribution,the good filling effect and volcano ash effect of CWCPM can improve the composition of cement hydration products and internal pore structure,thus improve the compactness of concrete.

powder materials;prefabricated concrete;strength;dryingshrinkage;microscopic mechanism analysis

國家自然科學基金(211000120308)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(310821165012)

薛翠真(1990-)，女，博士研究生.主要從事水泥基材料與建筑垃圾磚粉的再生利用方面的研究.

U416

A

1001-1625(2016)02-0363-06