利用建筑廢棄物制備干粉砂漿的研究

陳福松，陸小軍，伊 立（. 鎮江建科建設科技有限公司，江蘇 鎮江 000；. 鎮江建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 鎮江 000)

目前，天然砂資源日漸減少，使得天然砂價格居高不下，依賴天然砂生產的干粉砂漿成本大幅度增加。本文通過對建筑垃圾進行分離，利用機械破碎再生細集料，研究利用再生細集料取代天然砂制備干粉砂漿，綜合考察各種原材料的用量對干粉砂漿性能的影響，得出再生細集料干粉砂漿的最佳原材料配比。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

制作干粉砂漿的原材料包括再生細集料、天然砂、水泥、粉煤灰和保水劑等。

1.1.1 再生細集料

再生細集料由建筑垃圾中廢棄混凝土、碎磚塊和廢棄砂漿經破碎過 4.75 mm 篩所得，化學組成如表1 所示；依據GB/T 14684─2011《建筑用砂》檢測其顆粒級配，細度模數為 2.3，如表2 所示。

表1 再生細集料化學組成

表2 再生細集料的顆粒級配

1.1.2 天然砂

天然砂采用從市場購得的天然河砂，依據GB/T 14684─2011 檢測其顆粒級配，如表3 所示。細度模數為2.6。

表3 天然砂的顆粒級配

1.1.3 水泥

采用江蘇某水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，其標號為 P˙O 42.5。其物理性能依據GB 175─2007《通用硅酸鹽水泥》進行檢測，如表4 所示；其化學組成如表5 所示。

表4 水泥的物理性能

表5 水泥的化學組成

1.1.4 粉煤灰

采用江蘇某發電有限公司生產的二級粉煤灰，其主要化學組成如表6 所示。按照 GB/T 1596─2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對其進行檢測，各項指標均符合要求。

表6 粉煤灰的主要化學組成

1.1.5 保水劑

保水劑采用羥丙基甲基纖維素醚，系白色固體粉末，黏度為 100 Pa˙s。

1.2 試驗方案

利用再生細集料取代干粉砂漿中的天然砂，考察不同摻量下的粉煤灰、保水劑的用量變化對干粉砂漿抗壓強度和施工性能的影響。

2 試驗與分析

2.1 不同再生細集料摻量對砂漿性能的影響

目前，干粉砂漿市場使用量較多的為DMP 5.0。本文以DPM 5.0 為基礎，分別考察再生細集料取代天然砂的摻量為0、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100% 時，干粉砂漿的各項性能。不同摻量再生細集料取代天然砂的原材料配比，如表7 所示。

表7 不同摻量的再生細集料取代天然砂的原材料配比

根據表7 中的配比，參照 JGJ/T 70─2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，測定不同摻量再生細集料制備干粉砂漿的初始稠度和 28 d 抗壓強度，結果如表8 所示。

表8 不同摻量再生細集料制備干粉砂漿的性能

從表8 可見，隨著再生細集料的摻量增大，砂漿初始稠度減小，28 d抗壓強度增加。一方面，因為再生細集料料中含 20%左右的灰粉，這部分灰粉主要由石粉和水泥硬化后破碎的灰粉組成，所以使得再生細集料的吸水率高于天然砂。成型砂漿試樣時所添加的水分，一部分被再生細集料中灰粉所吸收，使得稠度減小，但在水化后期時，由于砂漿內部水分的大量減少，這部分水分又會重新釋放出來。這使得砂漿內的膠凝材料水化更徹底，從而增大了強度。另一方面，因為同天然砂相比，再生細集料的棱角比較多，所以使得再生細集料與水泥水化產物之間有更大的機械嚙合力。這也是強度增大的一個原因[1]。水泥在加入水后攪拌，水泥與水的混合物填充到集料內的空隙中，不僅提高了再生細集料內部的密實度，而且也使水泥基體與集料間的界面結合更牢固，從而提高了砂漿的抗壓強度。

從表8 可見，當再生細集料摻量達到 80% 、90%、100% 時，砂漿的初始稠度和抗壓強度無法顯示。由于再生細集料中含有較多的灰粉，所以隨著摻量增加，稠度減小，砂漿工作性能下降，現場施工困難，同時較多的灰粉也會帶來開裂的風險。當再生細集料摻量達到80% 時，加水量已無法拌合干粉砂漿，需加大用水量。這使得水灰比增大，砂漿抗壓強度隨之下降。

2.2 不同粉煤灰摻量對再生細集料干粉砂漿性能影響

再生細集料中灰粉量為 20%，因此可以考慮利用再生細集料中 10% 灰粉取代部分粉煤灰，再來研究對抗壓強度和施工性能的影響。試驗原材料配比，如表9 所示。

表9 再生細集料中 10% 灰粉取代部分粉煤灰的原材料配比

根據表9 中的配比，參照JGJ/T 70─2009的相關標準測定砂漿的稠度、保水率和 28 d 抗壓強度，如表10 所示。

表10 再生細集料中 10% 灰粉取代部分粉煤灰的性能檢測

從表10 中可以看出，隨著再生細集料摻量的增加，粉煤灰的用量在減少，灰粉的用量在增加，砂漿的初始稠度在減小。這是由于再生細集料對水的吸收比較大，同時灰粉量的增多也增加了吸水量，所以導致保水率不斷減小，砂漿的施工性能降低。

從表10 中的抗壓強度數值可以看出，隨著再生細集料摻量的增加，抗壓強度先是增加，當摻量達到 50% 時，抗壓強度達到最大值 7.1；隨著再生細集料摻量繼續增加，抗壓強度呈現下降的趨勢。這是由于粉煤灰的微集料填充效應，提高水泥基體的密實性，所以在粉煤灰摻量較小的時候，隨著粉煤灰摻量的增加，砂漿試樣的抗壓強度會先增大。另外，在摻入少量粉煤灰時，粉煤灰中的活性 SiO2與水泥的水化產物 Ca(OH)2進行二次水化反應，生成難溶的C-S-H 凝膠，沉積在集料-水泥石界面的孔隙內。這樣降低了粗大結晶、改善了界面結構，使結構明顯改變、更趨致密，從而增強了干粉砂漿的抗壓強度。但隨著粉煤灰摻量的增加，由于粉煤灰有一部分很大程度上不能參與灰粉反應，只起到干粉砂漿漿體的填料作用，所以不能提高干粉砂漿的抗壓強度[2]。

2.3 不同保水劑摻量對再生細集料干粉砂漿性能影響

從表10 還可以看出，再生細集料的摻量在 50%、60%、70%時，制備的干粉砂漿的力學性能較高，但是其施工性能還有待進一步提高。由于保水劑的保水增稠效果明顯，還能調節體系用水量、降低產品的干收縮率、有效提高產品的綜合性能，所以可以通過增加保水劑摻量，提高其工作性能。不同保水劑摻量下的原材料配比，如表11 所示。

表11 不同保水劑摻量下的原材料配比 kg

根據表11 中的配比，參照 JGJ/T 70─2009 測定砂漿的初始稠度、保水率和 28 d 抗壓強度，如表12 所示。

表12 不同保水劑摻量的砂漿性能檢測結果

從表12 可見，干粉砂漿的初始稠度和保水率隨著保水劑摻量的增大而逐漸增大。這是由于保水劑為羥丙基甲基纖維素，其分子結構上含有羥基等基團，這些基團與水分子產生分子間的氫鍵，鎖住水分，所以增加了砂漿的稠度，起到了保水作用。相同的保水劑摻量，隨著再生細集料摻量的增加保水率減小。這是由于再生細集料中的灰粉吸附了一定量的保水劑，所以減弱了保水劑的保水作用。

干粉砂漿試樣的 28 d 抗壓強度隨著保水劑摻量的增加而呈總體下降趨勢。在再生細集料干粉砂漿中加入保水劑后，相當于在干粉砂漿集料孔隙中填充入了柔性聚合物。這些柔性聚合物在復合基體受剪切應力時，起不到連接作用，從而使砂漿的抗壓強度下降；同時保水劑的纖維素乳膠顆粒吸附在水泥顆粒表面，影響了水泥的正常水化反應[5]，使干粉砂漿的力學性能降低。雖然纖維素乳膠顆粒在受到較大壓應力時，對干粉砂漿的漿體有不利作用，但其摻入提高了干粉砂漿的稠度，并使干粉砂漿的拉伸黏結強度得到較大提高。

綜合考慮初始稠度、保水率和 28 d 抗壓強度，根據表11 中 PB5-4、PB6-4 的原材料配比制備的 DPM 5.0 干粉砂漿，各項性能均能滿足 GB/T 25181─2010《預拌砂漿》的指標要求。

3 結 語

本文研究利用固體廢棄物再生細集料取代部分天然砂：通過調節粉煤灰和保水劑摻量改善其施工性能和力學性能，制備出DPM 5.0干粉砂漿，其各項性能均能滿足GB/T 25181─2010的指標；DPM 5.0干粉砂漿的最佳原材料配比為 110（水泥）∶40（粉煤灰）∶510（再生細集料）∶340（天然砂）∶0.26（保水劑）；相應的再生細集料利用率可達 50%～60%。本文的研究成果可以節約資源，降低成本，產生良好的經濟和環保效益。