建筑垃圾再生微粉對水泥膠砂強度影響研究①

□□ 焦曉飛 (山西職業技術學院，山西 太原 030006)

引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，每年將產生上億t的建筑垃圾，2020年我國建筑垃圾產生量將會突破30億t，其中以廢混凝土、砂漿、碎磚為主[1]。目前我國建筑垃圾的處理方法還停留在堆放和填埋階段[2]，資源化率僅在10%左右，與發達國家差距較大。為實現建筑垃圾的資源化利用，國內外學者進行了大量研究，主要集中在再生骨料和再生微粉兩個研究領域，其中再生骨料的研究應用技術較為成熟，用于部分或全部取代天然骨料制備再生混凝土、砂漿、墻體材料等，并已制定了相關國家和行業標準。而對于再生骨料生產過程中產生的約占總質量的15%、粒徑<0.16 mm的再生微粉研究應用還停留在試驗研究階段[3]，剛剛頒布的行業標準JG/T 573—2020《混凝土和砂漿用再生微粉》于2020年8月1日起實施。由于再生微粉具有粒徑小，且有一定活性的特點，當前研究最多的是作為礦物摻合料來代替膠凝材料[4]，考慮到再生微粉工業化生產的經濟成本和能耗因素，資源化利用程度較低，因此，如何有效激發再生微粉的活性，以最佳的比例代替膠凝材料，提高再生微粉的回收利用效率具有很高的研究價值。

再生微粉的制備工藝有三種[5]，第一種為實驗室對廢棄的混凝土試塊進行破碎、研磨制備得到的微粉，這種微粉數量少，性能波動較大，不適合大規模使用；第二種為建材生產企業專業化設備生產得到的再生微粉，這種微粉性能穩定，但是目前此類生產企業不多；第三種為再生骨料生產過程中收集的微細粉末副產品，生產成本低，數量多，目前工程應用中以路基墊層為主。

再生微粉活性低，未經活化處理前，不宜代替水泥使用，余小小等[6]研究發現：利用氣流粉碎機對再生微粉進行機械力活化處理，得到的再生微粉活性高、粒徑分布范圍窄、粒形規整，替代水泥摻入砂漿中，該砂漿抗壓強度高于摻加振動球磨機制備再生微粉的砂漿強度。此次試驗利用氣流粉碎機激發建筑垃圾再生微粉活性，粉磨不同時間，再以不同比例替代水泥制備水泥膠砂試體，養護至規定齡期測試其抗折強度和抗壓強度，并計算其強度活性指數，以分析再生微粉對水泥膠砂強度的影響。

1 試驗原料與方法

1.1 原材料

水泥：太原獅頭中聯水泥有限公司生產的P·O 42.5水泥；

標準砂：廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO標準砂；

水：太原市生活飲用水；

再生微粉：某建筑垃圾處理企業制備再生骨料過程中產生的微粉。

1.2 試驗設計

先對再生微粉的細度指標和化學成分進行分析，將再生微粉利用超微氣流粉碎機分別粉磨10 min(B組)、20 min(C組)、30 min(D組)、40 min(E組)，然后按照10%、20%、30%比例分別取代水泥并制備成40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試體，試驗方案見表1，A組為不摻再生微粉的空白試驗。強度檢驗按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行，養護至3 d、28 d齡期后測試其抗折強度和抗壓強度，并計算再生微粉28 d的活性指數。

表1 試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 再生微粉的理化性能

再生微粉的表觀密度約為2 600 kg/m3，比表面積為450～750 m2/kg[7]，平均粒徑為30～50 μm，與P·O水泥相比，再生微粉粒徑大、內部孔隙多、自然狀態下質地疏松。按照GB/T 1345—2005《水泥細度檢驗方法(篩析法)》中45 μm負壓篩析法進行測試，篩析時間為3 min，測得再生微粉45 μm篩余量為32.4%，參考JG/T 573—2020《混凝土和砂漿用再生微粉》中的技術要求，該再生微粉細度達到Ⅱ級再生微粉技術指標≤45.0%。

再生微粉的化學成分見表2。主要成分為CaO、SiO2、Al2O3，與硅酸鹽水泥和粉煤灰基本一致，只是含量不同，因此，再生微粉具有潛在活性，活性激發后替代膠凝材料是可行的。從化學成分推斷，該再生微粉為混凝土和粘土磚的混合再生微粉。

表2 再生微粉的化學成分

2.2 水泥膠砂強度分析

摻再生微粉的水泥試體3 d、28 d抗折強度和抗壓強度結果見表3。不同粉磨時間、不同再生微粉摻量對試體3 d和28 d強度影響分析如圖1所示。

表3 水泥膠砂強度檢測結果

圖1 不同粉磨時間、不同再生微粉摻量對水泥膠砂強度影響

從圖1可以看出，隨著再生微粉摻量的增加，水泥膠砂試體3 d和28 d抗壓強度值均有所降低。當摻量為30%時，3 d抗壓強度可以達到GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準規定的強度≥17.0 MPa。這是由于再生微粉在水化早期可以較快的消耗水泥水化產生的Ca(OH)2，使其具有較高的早期活性[8]，但28 d抗壓強度均不符合標準規定的強度≥42.5 MPa。摻量為20%時，粉磨時間在20 min以上的再生微粉28 d抗壓強度才能達到標準規定值；摻量為10%時，粉磨20 min，28 d的抗壓強度為44.6 MPa，達到標準規定值；當摻量>20%時，抗壓強度均出現急劇下降。因此，再生微粉采用超微氣流粉碎機活性激發的粉磨時間宜在20 min以上，且替代水泥摻量不宜超過20%。

以20%再生微粉摻量為例，不同粉磨時間對水泥膠砂試體強度的影響如圖2所示。

圖2 不同粉磨時間對水泥膠砂強度的影響

從圖2可以看出，隨著粉磨時間的延長，再生微粉的活性逐漸增大，水泥膠砂試體3 d和28 d強度值均所提高，這是由于機械力活性激發使得再生微粉中α-SiO2的正四面體結構畸變為無定形SiO2，增加了再生微粉活性，促進水泥水化。

2.3 強度活性指數

按照JG/T 573—2020《混凝土和砂漿用再生微粉》中再生微粉活性指數測定方法，再生微粉以30%比例替代水泥制備水泥膠砂試體，養護28 d齡期后測試其抗壓強度，計算28 d的活性指數。上述粉磨不同時間的四組再生微粉試樣28 d活性指數分別為：66.5%、70.8%、74.2%、75.2%，不同粉磨時間強度活性指數的變化如圖3所示。

圖3 不同粉磨時間強度活性指數變化情況

從圖3可以看出，再生微粉活性指數隨粉磨時間延長呈上升趨勢，粉磨10 min可達到Ⅱ級再生微粉活性指數技術指標≥60%，粉磨20 min可以達到Ⅰ級再生微粉活性指數技術指標≥70.0%，但粉磨30 min以后，活性指數的增進率略有下降，綜合考慮再生微粉的生產成本，利用超微氣流粉碎機激發再生微粉活性的粉磨時間宜控制在25～30 min。

3 結論

3.1 建筑垃圾再生微粉具有潛在活性，經過氣流粉碎機活化處理，可有效提高其活性，隨著粉磨時間的延長，活性逐漸增大，最佳粉磨時間宜控制在25～30 min。

3.2 再生微粉作為輔助膠凝材料替代水泥制備水泥膠砂試體，相同粉磨時間條件下，隨著再生微粉摻量增加，水泥膠砂強度逐漸下降，替代水泥摻量宜控制在20%以下。