建筑垃圾再生微粉對水泥凈漿性能的影響

王炳雷， 呂泊寧， 姚坤宇， 顏士榮

(1.山東大學土建與水利學院， 濟南 250061; 2. 泰安(山東大學)城鄉固廢綜合利用研究院， 泰安 271000)

2020年9月，中國明確提出“碳達峰、碳中和”目標限制高碳排放產業，水泥等建筑原材料生產受到影響。同時，城市化大規模的拆遷產生了大量建筑廢棄物，其中廢棄的混凝土占了很大比例。據統計，世界多數國家的建筑垃圾數量占城市垃圾的30%～40%[1]。中國每年產生的廢棄混凝土近億噸[2-3]。廢棄混凝土傳統的處理方式以填埋為主[4-7]，不僅未能充分利用廢棄資源，而且造成了嚴重的環境污染[8]。目前國內外的專家學者們對廢棄混凝土的再生利用主要分為兩種途徑[9-14]：一種是作為再生骨料使用，另一種是制備成再生微粉作為輔助膠凝材料以一定的比例替代水泥使用。而將廢棄混凝土破碎后作為再生骨料生產建筑材料的性能由于再生骨料的自身缺陷和內部多重界面過渡區的復雜性，其力學性能、耐久性能等均有降低[15]，因此許多專家學者提出將廢棄混凝土研磨為再生微粉應用于綠色建筑材料的研發與利用中。

Duan等[16]研究表明，廢棄混凝土資源化利用生產的再生微粉中含有的SiO2和Al2O3具有潛在的活性，且具有細度高、粒度分布良好的特點。馬郁[17]發現通過研磨的方式可以增大再生微粉的比表面積并將其中SiO2的晶體硅轉化為具有不穩定晶格結構的無定型硅。田青等[18]通過加熱的方式可以使C—S—H凝膠[Ca5Si6O16(OH)·4H2O]、Ca(OH)2晶體脫水重新具有水化膠凝能力從而提高再生微粉的水化活性。呂雪源等[12]證明經過煅燒過后的再生微粉活性強于普通再生微粉，水泥膠砂的強度比隨再生微粉熱處理溫度的升高而提高，當熱處理溫度達到800 ℃時膠砂強度比明顯下降。華天星[19]采用多種測試手段探究了煅燒溫度對改性再生微粉在650～700 ℃下脫水相的產物結構及活性，探明最佳煅燒溫度。 Schackow等[20]通過X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)和傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer，FTIR)分析表明，粉末狀黏土磚廢料在700 ℃煅燒后形成脫羥基高嶺石和無定形二氧化硅，具有與火山灰材料相似的特征。

廢棄混凝土生產再生骨料技術已較為成熟，國家已頒布了相關使用規范。但基于再生微粉作為輔助膠凝材料[21-22]在實際工程中應用還有待更加深入的研究。除以上學者對再生微粉最佳煅燒溫度和再生微粉水泥凈漿力學性能的試驗，再生微粉在實際工程應用中的工作性能、力學強度、水化過程中微觀形貌仍有待探究。

針對以上問題，現設計普通再生微粉和700 ℃低溫煅燒再生微粉工作性能、力學強度和活性指數的測定，采用再生微粉強度活性指數作為兩種再生微粉膠凝能力的評價方式，并借助掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖從微觀角度說明再生微粉煅燒及再生微粉取代率對水泥凈漿水化產物的影響，引入類折壓比函數關系表達式，為再生微粉的應用提供理論和技術支撐。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗采用的水泥為明泉牌42.5級普通硅酸鹽水泥，主要性能指標見表1。試驗用水為泰安市普通自來水。所用的再生微粉均為服役15年的橋梁構件拆除產生的C40級混凝土，利用實驗室小型反擊破碎機將之破碎成粗細骨料，再利用水泥試驗磨破碎碾磨，過篩后制備得再生微粉。對水泥和再生微粉進行XRF分析，結果見表2。對水泥和再生微粉進行了SEM和能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)分析，結果見圖1。由圖1可知，水泥顆粒粒徑分布較為均勻，再生微粉顆粒表面凸起、裂紋較多，顆粒形狀尖銳鋒利。

圖1 水泥和再生微粉SEM圖、EDS圖Fig.1 SEM and EDS of cement and recycled powder

表1 水泥性能指標Table 1 Cement performance index

表2 水泥和再生微粉化學組成及物理性能Table 2 Chemical composition and physical properties of cement and recycled powder

試驗參考《混凝土和砂漿用再生細骨料》(GB/T 25176—2010)中對微粉的粒徑要求進行控制，制備得到的試驗用再生微粉粒徑均小于75 μm。再生微粉的細度試驗參照《水泥細度檢驗方法》(GB/T 1345—2005)中45 μm負壓篩析法進行，負壓篩析時間為3 min，以篩析之后的質量和篩析之前的質量之比確定細度。含水量試驗參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)中附錄C進行，將再生微粉在規定溫度下烘干至恒重，以烘干前后質量差與烘干前的質量比確定再生微粉的含水量。亞甲藍值試驗參照《建設用砂》(GB/T 1468—2011)進行。需水量比試驗參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)中附錄A進行，按《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)測定試驗膠砂和對比膠砂的流動度，二者達到規定流動度范圍時的加水量之比為試樣的需水量比。再生微粉的基本性能見表3。

表3 再生微粉的基本性能Table 3 Basic properties of recycled powder

1.2 試驗方案

普通再生微粉記為(recycled powder I，RPⅠ)，經過700 ℃低溫煅燒處理的再生微粉記為(recycled powder II，RPⅡ)。試驗共設計了8種取代率(0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%)，每種取代率共設置3、7、28 d齡期測試力學強度，每組制備3個立方體試件。普通再生微粉RPI和700 ℃煅燒的再生微粉RPII分別取代水泥，并進行工作性能試驗，配合比見表4。尺寸規格為40 mm×40 mm×160 mm。

表4 試驗配合比Table 4 Mix proportions

2 試驗結果與分析

2.1 流動度

再生微粉取代水泥凈漿流動度試驗根據《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)進行檢驗，再生微粉種類和再生微粉取代率對水泥凈漿流動度的影響規律見圖2。由圖2可見。隨著取代率的增加，普通再生微粉RPI和700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII取代水泥凈漿流動性降低，并且沒有出現流動性急劇減小的情況。RPI取代率為70%時流動度較水泥凈漿減小30.76%， RPII取代率為70%時流動度較水泥凈漿減小32.3%，RPI與RPII兩種再生微粉的取代率對流動度影響相差不大。這是因為影響再生微粉取代水泥凈漿流動度的主要因素是再生微粉的顆粒形貌和粒徑分布。再生微粉顆粒形貌較為鋒利粗糙，顆粒大小不規則，大部分再生微粉顆粒為不規則塊狀或薄片層狀，比表面積大，導致再生微粉取代水泥凈漿流動度降低。

圖2 再生微粉取代率對流動度的影響 Fig.2 Effect of substitution rate on flowability

2.2 標準稠度用水量

再生微粉取代水泥凈漿標準稠度用水量試驗根據《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2012)進行檢驗，再生微粉種類和再生微粉取代率對水泥凈漿標準稠度用水量的影響規律見圖3。由圖3可見，水泥凈漿標準稠度用水量隨再生微粉取代率的增加而平緩增加，并且沒有出現用水量急劇增加的情況。普通再生微粉RPI取代率為70%時的需水量比水泥凈漿高16.2%，700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII取代率為70%時的需水量比水泥凈漿高20.3%。這是因為再生微粉顆粒裂口鋒利，表面微裂紋較多，因此再生微粉標準稠度用水量隨著取代率的增加而增加。煅燒過后的再生微粉失去了自由水和結合水，Ca(OH)2、含鋁氧化物和硅鋁礦物分解產物重新水化導致了700 ℃低溫煅燒再生微粉在同取代率下需水量高于普通再生微粉。

圖3 再生微粉取代率對標準稠度用水量的影響Fig.3 Effect of substitution rate on standard consistency water consumption

2.3 凝結時間

再生微粉取代水泥凈漿凝結時間試驗根據《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2012)進行檢驗，再生微粉種類和再生微粉取代率對水泥凈漿標準稠度用水量的影響規律見圖4。普通再生微粉RPI取代率為70%使水泥凈漿初凝時間減少了44 min，700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII取代率為70%使水泥凈漿初凝時間減少了41 min。研究試驗數據表明，再生微粉取代后水泥凈漿初凝時間縮短，終凝時間變化較小。引起這樣變化的原因有兩點，再生微粉相比于水泥顆粒較為粗糙，含有較多孔隙，在制備過程中吸收大量水分使水化體系中的游離水含量減少。與水泥相比，再生微粉發生水化反應的活性SiO2、Al2O3數量不同，活性顆粒水化使游離的水含量減少，導致再生微粉水泥基材料的工作性降低[23-24]。相同再生微粉取代率下，RPII取代水泥凈漿凝結時間均低于普通再生微粉，這是由于RPII活性較高、膠凝能力較強，水化速度較普通再生微粉快，凝結時間縮短[25]。

圖4 再生微粉取代率對凝結時間的影響Fig.4 Effect of recycled powder substitution rate on setting time

2.4 抗折強度

再生微粉取代水泥凈漿試件不同取代率下各齡期的抗折強度試驗根據《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)進行，再生微粉取代水泥凈漿試件3、7、28 d抗折強度見圖5，誤差條是再生微粉取代水泥凈漿抗折強度試驗數據標準差。在同種取代率下700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII取代水泥凈漿的抗折強度均大于普通再生微粉RPI取代水泥凈漿抗折強度。當RPI取代率不超過30%時，水泥凈漿的3 d抗折強度可達到4.4 MPa。在RPII試驗組中，10%、20%和30%取代率的3 d抗折強度均大于5.2 MPa。試驗證明，通過煅燒處理的方法，對于再生微粉取代水泥凈漿早期的抗折強度的提高非常明顯，尤其在3 d齡期時，RPⅡ60比RPⅠ60的抗折強度提高了45%；在7 d齡期時，RPⅡ60比RPⅠ60的抗折強度提高了52%。這是由于高溫熱活化能夠破壞再生微粉中穩定形態的硅鋁體結構，使其轉變為亞穩態結構[19]，激發再生微粉的潛在活性，從而提高膠凝能力。

2.5 抗壓強度

再生微粉取代水泥凈漿試件不同取代率下各齡期的抗壓強度試驗按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)進行，再生微粉取代水泥凈漿試件3、7、28 d抗壓強度見圖6，誤差條是再生微粉取代水泥凈漿抗壓強度試驗數據標準差。由圖6可見，隨著取代率的增加抗壓強度呈現不斷減小的趨勢，當取代率超過30%抗壓強度下降幅度較大。3 d齡期時RPⅠ40抗壓強度比RPⅠ30抗壓強度下降了約26%，7 d齡期下降了約23%，28 d齡期下降了約18%；而3 d齡期時RPⅠ30抗壓強度比RPⅠ20抗壓強度下降了約12%，7 d齡期下降了約9%，28 d齡期下降了約7%，說明取代率超過30%的普通再生微粉對于水泥凈漿早期的抗壓強度影響較大。

圖6 再生微粉取代率對抗壓強度的影響Fig.6 Effect of recycled powder substitution rate on compressive strength

在同種再生微粉取代率下，RPII試驗組抗壓強度均大于RPI試驗組抗壓強度。對于早期的抗壓強度，當取代率不超過30%時兩種再生微粉水泥凈漿的抗壓強度相差不大。當再生微粉取代率超過30%后，RPⅡ試驗組的抗壓強度明顯高于RPⅠ試驗組。這是由于當再生微粉取代率較小時，水泥在膠凝材料中占比較大，水泥的膠凝作用提供了大部分水泥凈漿的強度，當再生微粉取代率超過30%后，水泥含量降低導致膠凝能力降低對強度的影響大于再生微粉提供的膠凝能力增加。3 d和7 d齡期的RPⅡ60試驗組抗壓強度比RPⅠ60試驗組抗壓強度分別提高了50%和48%。說明700 ℃煅燒后的再生微粉具有一定的膠凝能力，能夠彌補再生微粉取代水泥帶來的強度損失。

2.6 強度活性指數

強度活性指數是試驗膠砂與對比膠砂在規定齡期的抗壓強度之比。再生微粉取代水泥凈漿強度活性指數試驗根據《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)，水泥凈漿強度活性指數如圖7所示。普通再生微粉RPⅠ試驗組與700 ℃低溫煅燒再生微粉RPⅡ試驗組不同齡期的抗折強度活性指數和抗壓強度活性指數見圖7。由圖7可見，RPⅡ試驗組強度活性指數普遍大于同種取代率的RPⅠ試驗組強度活性指數，說明了低溫煅燒的方法可以有效地提升再生微粉的活性。當再生微粉取代率不超過40%時，RPⅠ試驗組與RPⅡ試驗組7 d強度活性指數是最高的，說明再生微粉取代率不超過40%時再生微粉中期的強度活性較高，與不摻再生微粉水泥凈漿的強度更為接近。齡期超過7 d后再生微粉取代水泥凈漿強度較小，與水泥凈漿的差距越來越大。取代率為10%和20%的RPⅡ試驗組28 d抗折和抗壓強度的活性指數達到75%以上。而RPⅠ試驗組只有取代率為10%的試驗組28 d抗折和抗壓強度活性指數達到75%的以上，其余取代率的抗折和抗壓強度的活性指數都低于75%。

圖7 再生微粉取代率對強度活性指數的影響Fig.7 Effect of recycled powder substitution rate on strength activity index

2.7 水化產物的SEM分析

圖8(a)和圖8(b)分別為取代率60%普通再生微粉RPI和取代率為60%的700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII的3 d齡期的凈漿SEM圖。RPI 3 d SEM圖與RPII 3 d SEM圖相比，RPI水泥凈漿中結晶體較少且晶粒較為粗大，C—S—H凝膠粒子較少，相比RPII取代水泥石的結構較為疏松。60% RPII的3 d齡期的凈漿SEM圖可見大量Ca(OH)2結晶體縱橫連接，呈層狀分布定向排列成晶簇。這是由于RPI活性較RPII低，導致水泥石結構疏松，抗折強度、抗壓強度和活性指數均低于700 ℃低溫煅燒再生微粉水泥凈漿試件。

圖8(c)和圖8(d)分別為取代率60%普通再生微粉RPI 28 d試件和700 ℃低溫煅燒再生微粉RPII 28 d齡期試件SEM圖。在兩種再生微粉28 d齡期的SEM圖中可以看到大量短針狀鈣礬石(AFt)晶體的形成，相較于3 d齡期SEM圖，凝膠數量變多且與Ca(OH)2晶體結合得較好。說明隨著齡期的增長，水泥凈漿中膠凝材料繼續進行水化反應，生成各水化產物橋聯搭接緊密，使得漿體強度有所提升。

圖8 再生微粉取代水泥凈漿不同齡期下SEM照片Fig.8 SEM of cement paste replaced by recycled powder at different ages

2.8 類折壓比

圖9 再生微粉類折壓比擬合Fig.9 Fitting of similar flexure and compression ratio of recycled powder

表5 Exponential函數、Polynomial函數類折壓比擬合結果Table 5 Similar flexure and compression’s ratio of recycled powder

3 結論

(1)隨著再生微粉取代率增加，普通再生微粉和700 ℃低溫煅燒再生微粉取代水泥凈漿的流動度均勻減小，標準稠度用水量和凝結時間均勻增加，沒有出現隨著取代率的增加工作性能劇烈變化的現象。再生微粉取代水泥凈漿的抗折強度、抗壓強度和強度活性指數均下降，抗壓強度的損失較抗折強度大。

(2)700 ℃低溫煅燒再生微粉取代水泥凈漿各齡期的力學強度和強度活性指數均高于普通再生微粉取代水泥凈漿試件，水化產物數量更多，微觀結構更密實。原因是煅燒過后再生微粉活性變強，水硬膠凝能力提高，總體活性優于普通再生微粉。