摻CWCPM的砂漿強度灰色關聯分析及預測模型的建立

，，，(． ， ； ． ， 70064)

1 前 言

建筑物拆除過程中產生的廢磚，年產量高達5200萬噸。隨著我國城鎮化的進一步發展，廢磚產量逐年增加，而其再生利用率僅為5%，且主要用于填筑路基。大量廢磚的堆積不僅占用土地、污染環境，而且是資源的一種浪費，因此其再生利用成為一項需要迫切解決的問題[1]。另一方面，隨著我國基礎設施建設的大力開展，水泥原材料日趨枯竭，對各種固體廢棄物進行有效利用并作為礦物摻合料的研究受到較多關注。為提高廢磚再生利用價值，有學者嘗試將廢磚用作再生骨料，但由于吸水率大、強度低等原因其再生效果不佳[2]。研究表明[3]，廢磚化學成分及礦物組成與水泥熟料相似，將其磨細成粉后具有潛在活性，但活性較小，限制了其作為礦物摻合料的再生利用。將磚粉用作礦物摻合料的研究尚不成熟，未見對磚粉活性激發及其摻磚粉砂漿強度定量關系的研究。若通過一定的技術途徑對磚粉進行活性激發，并替代部分水泥用作混凝土摻合料，將是廢磚的一種高效利用方式。為此，本文采用復合激發方法對磚粉進行活性激發，首先將建筑垃圾廢磚進行篩檢、破碎并磨細至比表面積為415m2/kg，然后通過砂漿力學及收縮性能，確定CWCPM的組成為磚粉∶粉煤灰∶礦粉=25%∶25%∶50%。分析水灰比、CWCPM摻量及齡期對砂漿強度的影響規律及其微觀影響機理；借助多元回歸分析理論建立砂漿強度與水灰比、CWCPM摻量和齡期之間的定量關系模型，為廢磚活性激發及其再生利用提供一定的借鑒作用。

2 原材料及試驗方案設計

2.1 原材料

水泥：42.5級秦嶺普通硅酸鹽水泥，表觀密度及比表面積分別為3.112g/cm3、365m2/kg；細集料：細度模數為2.48的普通河砂。試驗用磚粉由使用近30年建筑物拆除垃圾經挑揀、破碎、磨細而得，化學組成及物理指標見表1、表2。

表1 磚粉、CWCPM化學組成Table 1 Chemical composition of brick powder and CWCPM /Wt%

表2 磚粉、CWCPM物理性質Table 2 Physical property of brick powder and CWCPM

復合激發可充分發揮不同粉體材料之間的“疊加效應”，提高粉體材料的綜合性能[4,5]。礦粉具有較好的早期強度，粉煤灰具有較好的減水效應和后期強度，因此選用在混凝土工程中應用、研究較為成熟的粉煤灰及礦粉與磚粉復合，并添加少量堿激發劑以提高磚粉活性，形成建筑垃圾復合粉體材料(CWCPM)，減少了單純依靠堿激發而引起的副作用。磚粉、礦粉、粉煤灰的比例通過課題組前期試驗確定為2∶2∶1，CWCPM化學成分及物理指標見表1和表2。

由表1可知，磚粉的主要化學成分及礦物組成與水泥相似。主要化學成分為SiO2、Al2O3及CaO，約占總量的79.4%。化學滴定法對磚粉中活性物質測試表明：其活性SiO2、Al2O3含量分別為11.80%、6.78%；磚粉砂漿強度試驗表明，當摻量為40%時，28d抗壓活性指數為61.3%，說明磚粉具有一定的活性，具有作為礦物摻合料的潛力，但活性較小。此外，磚粉的粉磨能耗僅為水泥熟料的5%。因此，磚粉是一種潛在的、經濟的、環保型礦物摻合料。

2.2 試驗方案設計

固定CWCPM摻量為30%，研究水灰比(0.45、0.49、0.52，編號分別為A1、A2、A3)對砂漿強度的影響規律；固定水灰比為0.45，研究CWCPM摻量(0%、20%、40%，編號分別為A4、A5、A6)對砂漿強度的影響規律，測試齡期為3d、7d、28d和90d。所有灰砂配合比均為1∶3，砂漿的流動度控制在20±2cm，當流動度不滿足要求時，通過用水量調整至規定范圍。試驗參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》JTG E30-2005進行。

采用Hitachi S-4800場發射掃描電鏡(SEM)對磚粉及CWCPM的微觀形貌進行分析；采用Q1000DSC-TG試驗儀對基準及摻30%CWCPM的凈漿試件水化產物進行分析，試驗溫度為25～900℃，升溫速率10℃/min。DSC-TG凈漿試樣水灰比為0.5，標準養護至60d。將養護至規定齡期的水泥凈漿試樣敲碎，取試件中心部分進行粉碎并研磨至通過80μm篩，浸入無水乙醇中停止水化，并在60℃下烘干至恒重備用。

3 結果分析與討論

3.1 強度試驗結果分析

不同方案砂漿試件抗壓及抗折強度測試結果如圖1和圖2所示。

圖1 不同方案砂漿的抗壓強度Fig.1 Compressive strength of mortar

圖2 不同方案砂漿的抗折強度Fig.2 Flexural strength of mortar

由圖1和圖2可知，不同方案砂漿的強度有基本相同的變化規律，隨齡期的增長及水灰比的減小，強度逐漸增加。對比A4、A5、A1、A6試驗結果可知，隨著CWCPM摻量的增加，試件抗壓強度先增大后減小，在摻量為30%處取得最大值，抗折強度逐漸減小。摻CWCPM的3d、7d、28d強度均低于基準試件(A4)；90d齡期時，當摻量≤30%時，試件的強度均高于基準試件。綜合考慮砂漿強度，并最大限度地利用CWCPM，CWCPM摻量以20%～30%為宜。

CWCPM降低了試件的早期強度，這是由于水化早期CWCPM中的粉煤灰及磚粉活性較低，基本不參與水化，主要起填充作用，導致體系內部水化產物含量的降低。當摻量≤30%時，90d強度優于基準試件，摻量為40%時，試件強度降低較多。分析原因可知，CWCPM復雜的顆粒形貌和合理的比表面積一方面可改善膠凝材料的二次級配，提高試件密實度；另一方面CWCPM中的活性物質在水泥水化產物Ca(OH)2及堿激發劑的作用下發生二次水化反應，生成性能較優的水化產物，提高了試件后期強度。而當摻量為40%時，上述兩方面的作用并不能彌補由于水泥含量的降低而導致強度的降低。

3.2 SEM觀察及分析

圖3 磚粉的掃描電鏡照片Fig.3 SEM of the brick powder

圖4 CWCPM的掃描電鏡照片Fig.4 SEM of the CWCPM

磚粉及CWCPM的微觀顆粒形貌如圖3、4所示。礦物摻合料的物理效應是影響其活性的重要因素[6]，主要取決于其顆粒大小及形態。由圖3，4可知，磚粉與CWCPM微觀形貌有較大的差別：磚粉顆粒形貌以不規則結晶體為主、棱角分明、微珠含量較少，且粗細顆粒兩極分化，替代部分水泥后易形成多孔結構，降低試件的強度。CWCPM各粉體材料比表面積大小不一，相互填充形成良好的級配，顆粒尺寸介于幾個微米與二十微米之間，大顆粒含量較少并含有一定數量的細小微珠。細小微珠有利于水分的均勻分散，大小顆粒可形成緊密結構，提高體系內部密實度，減少毛細孔數量，有效減緩試件內部裂紋及早期干縮變形，從而提高試件各項性能[7]。

3.3 熱分析

圖5、6分別為基準與摻30%CWCPM凈漿試件的DSC-TG曲線。

圖5 基準試件的DSC-TG曲線(基準試件指純水泥凈漿，不含CWCPM的漿體)Fig.5 DSC-TG of benchmark specimen

圖6 摻30%CWCPM試件的DSC-TG曲線Fig.6 DSC-TG of specimen with 30% CWCPM

由圖6可知，摻CWCPM試件的DSC-TG曲線形式與基準試件相同，均在100℃、430℃和680℃附近出現吸熱峰并伴隨質量損失。20～300℃范圍內的質量損失對應水泥水化產物脫水，基準、摻30%CWCPM試件質量損失分別為15.05%、15.07%，相差不大；300～500℃范圍內質量損失對應Ca(OH)2脫水，分別為4.803%、4.117%，摻CWCPM試樣質量損失較基準試件降低14.3%。以上測試結果說明CWCPM的摻入并未生成新的水化產物，但降低了結晶粗大、取向性較強的Ca(OH)2含量，生成低堿度C-S-H凝膠。Ca(OH)2含量的降低可打破水泥漿體的化學平衡，促進水泥進一步水化，低堿度C-S-H凝膠可與其他離子聚合，強度較高、性質較為穩定[7]，宏觀上表現為摻CWCPM試件后期砂漿強度的提高。

4 灰色關聯分析及模型的建立

灰色關聯分析理論在于尋求系統中各影響因素之間的主要關系，并分析和確定子序列對母序列貢獻程度，進而提取系統主要影響因素的一種方法[8-9]。以3d、28d和90d砂漿的抗壓(Y1，Y2，Y3)、抗折強度(Y4，Y5，Y6)為母序列，以水灰比(X1)、CWCPM摻量(X2)為子序列，進行灰關聯分析，關聯度與關聯極性的計算步驟參考文獻[9]，計算結果見表3。

表3 砂漿強度與水灰比、CWCPM摻量的灰色關聯度Table 3 Grey correlation between mortar strength and W/C、dosage of CWCPM

由表3可知，子序列的關聯度具有有序性，說明水灰比和CWCPM摻量對砂漿強度的貢獻不同。從各列求和來看，對于抗壓強度而言，CWCPM摻量為準優因素，水灰比為抗折強度的準優因素。除90d抗折強度外，關聯極性均為負值，說明隨著水灰比和CWCPM摻量的增加，砂漿強度逐漸減小，與上述宏觀試驗分析結果相吻合。綜合上述分析可知，水灰比與CWCPM摻量是影響砂漿強度的重要因素，在配合比設計時，均應有所考慮。

CWCPM的摻入改變了砂漿強度的形成機制及微觀結構特征，以往砂漿強度模型不能準確地預測摻CWCPM的砂漿強度，因此需要建立新的模型來預測水泥-CWCPM復合漿體的力學性能。由前述試驗結果可知，試件抗壓強度與水灰比呈線性關系，與CWCPM摻量、齡期呈二次多項式的變化規律?；诖艘陨皾{抗壓強度y為因變量，以水灰比(W/C)、CWCPM摻量(w)和齡期(d)為自變量，采用多元回歸分析方法，借助origin數據分析軟件建立多元回歸預測模型如式(1)[10]。其中相關系數為0.95302，方差回歸分析結果見表4。

y=38.031-49.588W/C+0.097w-0.005w2+0.942d-0.007d2

(1)

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

由表4可知，F(5,18)=94.31>F(α=0.05)=5.83，顯著性概率2.88×10-12<0.05，認為砂漿抗壓強度與水灰比、CWCP摻量和齡期之間存在顯著的定量關系。

5 結 論

1.CWCPM的摻入降低了砂漿試件的早期強度，當摻量≤30%時，28d砂漿強度與基準試件相差不大，90d強度大于基準試件；

2.除90d抗折強度外，水灰比與CWCPM摻量的關聯極性均為負值，這說明隨著水灰比和CWCPM摻量的增加，砂漿強度逐漸減?。?/p>

3.基于多元線性回歸理論建立的砂漿強度預測模型能很好地反映砂漿抗壓強度與水灰比、CWCPM摻量及齡期之間的顯著的定量關系。

[1] BEGUM R A, SIWAR C, PEREIRA J J, JAAFAR A H. A Benefit-cost Analysis on the Economic Feasibility of Construction Waste Minimisation: the Case of Malaysia[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2006, 48(1): 86～98.

[2] PARANAVITHANA S, MOHAJERANI A. Effects of Recycled Concrete Aggregates on Properties of Asphalt Concrete[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2006, 48(1): 1～12.

[3] 薛翠真,申愛琴,郭寅川,等.堿激發和復合激發下建筑垃圾磚粉活性研究[J].材料導報, 2016, 30(10): 130～134.

[4] Kovtun M,Kearsley E P,Shekhovtsova J. Chemical Acceleration of a Neutral Granulated Blast-furnace Slag Activated by Sodium Carbonate[J]. Cement and Concrete Research, 2015, 72:1～9.

[5] Rashad A M, Zeedan S R, Hassan A A. Influence of the Activator Concentration of Sodium Silicate on the Thermal Properties of Alkali-activated Slag Pastes[J]. Construction and Building Materials, 2016, 102: 811～820.

[5] 李煒,孫南屏,何健恒.廢磚粉水泥膠砂基本性能試驗研究[J].磚瓦, 2014(2): 3～6.

[6] 豐曙霞, 劉賢萍. 粉煤灰粒徑特征對水泥砂漿性能的影響[J]. 材料科學與工程學報, 2015, 33(5):707～710.

[7] 牛全林, 馮乃謙. 礦渣超細粉作用機理的探討[J].建筑材料學報, 2002, 5(1): 84～89.

[8] 彭艷周,陳凱,胡曙光.鋼渣粉顆粒特征對活性粉末混凝土強度的影響[J].建筑材料學報, 2011, 14(4): 541～545.

[9] 周立霞,王起才.粉煤灰粒度分布及其活性的灰色關聯分析[J].硅酸鹽通報, 2011, 30(3): 656～661.

[10] 周勝波,申愛琴,等.基于多元線性回歸理論的道路混凝土干縮預測模型[J].長安大學學報:自然科學版, 2014, 34(3): 28～34.