李建勇 馬雪英 尚百雨 崔久傳, 蔣中強(qiáng)

（1. 北京新奧混凝土集團(tuán)有限公司；2. 北京奧潤(rùn)開元環(huán)?？萍佳芯吭?，北京 100076）

前言

建筑廢棄物的資源化利用是目前世界上的一個(gè)熱點(diǎn)，特別是在國內(nèi)，更是實(shí)踐循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的重要領(lǐng)域之一。對(duì)于建筑廢棄物的處置和利用，國內(nèi)已經(jīng)有很多的研究和應(yīng)用實(shí)踐，多數(shù)集中在利用廢棄混凝土制作再生骨料混凝土和生產(chǎn)各種磚等方面[1]。國內(nèi)產(chǎn)生的建筑廢棄物中，以粘土磚和少量混凝土為主體材料的磚混建筑廢棄物占據(jù)了主要部分。但是關(guān)于磚混建筑廢棄物的利用，國內(nèi)相應(yīng)的研究和實(shí)踐并不多。將建筑廢棄物磨細(xì)制成再生微粉，研究這種微粉作為礦物摻合料在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)，對(duì)于大規(guī)模資源化利用建筑廢棄物具有重要意義，將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

本研究使用磚混建筑廢棄物為原料，通過粉磨加工制備了顆粒微細(xì)的建筑廢棄物再生微粉，測(cè)試分析了再生微粉的組成、顆粒特性和強(qiáng)度活性等綜合品質(zhì)和性能，試驗(yàn)研究了不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土中再生微粉的摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和工作性的影響，系統(tǒng)試驗(yàn)研究了利用再生微粉作為礦物摻合料制備的C30和C60混凝土的力學(xué)性能、耐久性能和體積穩(wěn)定性能。研究結(jié)果證明，建筑廢棄物再生微粉是一種具有良好性能的混凝土用礦物摻合料。本研究所得研究結(jié)果，可以為建筑廢棄物再生微粉作為礦物摻合料在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

1 建筑廢棄物再生微粉活性試驗(yàn)

1.1 再生微粉的組成和粒度

使用以磚混建筑廢棄物為原材料，通過專用粉磨設(shè)備磨細(xì)后，再經(jīng)選粉機(jī)選粉得到本研究中使用的建筑廢棄物再生微粉。從原材料和粉磨工藝分析，所得的再生微粉的主要組成材料應(yīng)當(dāng)是粘土磚粉末，并且有少量水泥石細(xì)粉和石灰石粉。表1中給出了再生微粉的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果，可以看出，再生微粉的化學(xué)成分以SiO2、Al2O3和CaO為主。

按照國標(biāo)GB/T1596-2005規(guī)定的粉煤灰細(xì)度的測(cè)定方法測(cè)試了再生粉體的細(xì)度，使用勃氏法測(cè)試了粉體的比表面積，使用激光顆粒粒度分析儀測(cè)定了粉體的顆粒粒度分布，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，再生粉體的顆粒微細(xì)，比表面積較大。這樣的顆粒細(xì)度比較有利于再生微粉的活性和微顆粒效應(yīng)的發(fā)揮。

1.2 單摻再生微粉水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)

參照國標(biāo)GB/T17671-1999規(guī)定的試驗(yàn)方法，采用固定用水量，測(cè)定不同摻量再生微粉對(duì)水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響。強(qiáng)度試驗(yàn)齡期為7天和28天，以同齡期下?lián)郊釉偕⒎勰z砂抗壓強(qiáng)度與純水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的百分比來表征再生微粉的活性指數(shù)。使用金隅P.O42.5水泥，比表面積為340m2/kg，28天抗壓強(qiáng)度為51MPa；標(biāo)準(zhǔn)砂為符合GB/T17671-1999規(guī)定的中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗(yàn)結(jié)果在表3中給出。

結(jié)果顯示：（1）再生微粉對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度有明顯影響，膠砂流動(dòng)度隨著再生微粉摻量的增加呈下降趨勢(shì)，說明再生微粉會(huì)增大水泥膠凝材料體系的需水性；（2）隨著再生微粉摻量的增大，水泥膠砂各齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都呈降低趨勢(shì)；（3）再生微粉的活性隨著微粉摻量增大而迅速降低，在30%摻量下，微粉7天活性指數(shù)為70%，28天活性指數(shù)為64%，這說明再生微粉的活性較低，替代水泥的比例不宜過大。

1.3 再生微粉與粉煤灰或礦渣粉雙摻對(duì)水泥膠砂性能的影響

參照國標(biāo)GB/T17671-1999規(guī)定的試驗(yàn)方法，采用固定用水量，固定摻合料對(duì)水泥的總?cè)〈蕿?0%，研究雙摻再生微粉和粉煤灰以及雙摻再生微粉和礦渣粉對(duì)水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響。強(qiáng)度試驗(yàn)齡期為7天和28天。水泥為金隅P.O42.5水泥，比表面積為340m2/kg，28天抗壓強(qiáng)度為51MPa；粉煤灰為北京產(chǎn)II級(jí)粉煤灰，45um篩余為14%，28天強(qiáng)度活性指數(shù)為64%；礦渣粉為順天昊礦粉，45um篩余為5%，比表面積為451m2/kg，28天強(qiáng)度活性指數(shù)為66%；標(biāo)準(zhǔn)砂為符合GB/T17671-1999規(guī)定的中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗(yàn)結(jié)果在表4中給出。

表1 再生粉體的化學(xué)成分

表2 再生粉體的細(xì)度和顆粒分布

表3 單摻再生微粉水泥膠砂強(qiáng)度和流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合表3和表4的結(jié)果，可以看出：（1）在固定摻合料總摻量為30%的條件下，礦渣粉摻量的增加有利于改善水泥膠砂漿體的流動(dòng)性和抗壓、抗折強(qiáng)度。同時(shí)，再生粉體與礦渣粉共同使用，不論是對(duì)膠砂強(qiáng)度還是流動(dòng)性，效果都要優(yōu)于單摻再生粉體。（2）在固定摻合料總摻量為30%的條件下，與單摻再生粉體相比，雙摻粉煤灰和再生粉體有利于改善水泥膠砂漿體的流動(dòng)性。結(jié)果同時(shí)顯示，與單摻再生粉體相比，再生粉體與粉煤灰共同使用時(shí)，粉煤灰摻量的增大會(huì)降低水泥膠砂早期強(qiáng)度，但會(huì)改善28天強(qiáng)度。這說明，再生粉體雖然與粉煤灰性能相近，但再生粉體可能具有更好的早期活性，因此二者適宜共同配合使用，以獲得更好的早期和后期強(qiáng)度。（3）再生微粉適宜與礦渣粉或粉煤灰雙摻使用，以發(fā)揮良好的疊加效應(yīng)。

2 建筑廢棄物再生微粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.1 原材料

使用的原材料包括：前述的再生微粉，在水泥中的摻量為10%～30%；北京金隅P.O42.5水泥，比表面積為340m2/kg，28天抗壓強(qiáng)度為51MPa；北京產(chǎn)聚羧酸減水劑，含固量12%，減水率29%；河北產(chǎn)Ⅱ區(qū)中砂河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含石量6%，含泥量2.2%，表觀密度2670kg/m3；北京產(chǎn)5mm～25mm礦山廢石碎石，連續(xù)級(jí)配，含泥量1.2%，壓碎指標(biāo)4.5%，表觀密度2630kg/m3；自來水。

表4 雙摻再生微粉和礦渣粉/粉煤灰對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響

表5 再生微粉摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

選取了C20、C30和C40三個(gè)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，研究再生微粉對(duì)混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度的影響。為了便于比較混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，所有的混凝土拌合物均在基本相同的工作性基礎(chǔ)上成型制作抗壓強(qiáng)度試件，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。坍落度試驗(yàn)結(jié)果表明，所有的拌合物的出機(jī)坍落度都在210mm～230mm之間，出機(jī)坍落擴(kuò)展度都在450mm～550mm之間，粘聚性和保水性良好，可以滿足泵送澆筑要求?；炷量箟簭?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果在表5中給出。

結(jié)果表明：（1）隨著再生粉體的摻量的提高，為了獲得基本相同的坍落度和坍落擴(kuò)展度，需要相應(yīng)增加混凝土中減水劑的用量。這說明，使用再生粉體會(huì)降低拌合物的流動(dòng)性。這種趨勢(shì)與水泥膠砂流動(dòng)度的試驗(yàn)結(jié)果相似。（2）摻入再生粉體替代部分水泥后，各等級(jí)混凝土的各齡期的抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，總體而言，在15%的再生微粉摻量水平下，各齡期的抗壓強(qiáng)度均能維持在所對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)混凝土的抗壓強(qiáng)度的80%～90%的范圍內(nèi)。（3）C20至C40的混凝土均可摻加15%～20%的再生粉體代替水泥，滿足抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

3 建筑廢棄物再生微粉混凝土綜合性能試驗(yàn)

在前述試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，選取實(shí)際生產(chǎn)的C30和C60兩個(gè)等級(jí)的預(yù)拌混凝土的配合比為基礎(chǔ)配合比，使用建筑廢棄物再生微粉完全替代粉煤灰，用來進(jìn)行摻加再生微粉混凝土綜合性能的系統(tǒng)試驗(yàn)研究。

表6給出了混凝土的配合比設(shè)計(jì)。C30A和C60A分別為未摻建筑廢棄物再生微粉的C30和C60混凝土，C30B和C60B分別為摻加建筑廢棄物再生微粉的C30和C60混凝土。

3.1 混凝土工作性

混凝土工作性能如表7所示。

結(jié)果表明，使用再生微粉取代粉煤灰作為礦物摻合料后，混凝土的工作性能仍然保持良好。

3.2 混凝土力學(xué)性能

依據(jù)國標(biāo)GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，成型了尺寸為100×100×100（mm）立方體試件、尺寸為100×100×300（mm）長(zhǎng)方體尺寸和為100×100×400（mm）長(zhǎng)方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測(cè)定混凝土的3天、7天和28天齡期的抗壓和抗折強(qiáng)度，以及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天試件的劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和靜受壓彈性模量。表8給出了混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果。

表6 C30和C60混凝土的配合比

表7 混凝土工作性能試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，使用再生微粉取代粉煤灰作為礦物摻合料后，混凝土仍然具有良好的力學(xué)性能，能夠滿足混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能的設(shè)計(jì)要求。

3.3 混凝土耐久性能

依據(jù)國標(biāo)GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，試驗(yàn)研究了再生微粉對(duì)C30和C60兩種等級(jí)的混凝土的抗凍融性能、抗氯離子滲透性能、抗水滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、碳化性能等主要耐久性能的影響。

（1）抗水滲透性能

制作了尺寸為Φ175×Φ185×150（mm）的圓臺(tái)體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天齡期后測(cè)試混凝土的抗水滲透性能。試驗(yàn)時(shí)的恒壓壓力為2.0MPa，恒壓時(shí)間為3小時(shí)。試驗(yàn)結(jié)果見表9。結(jié)果顯示，混凝土的抗?jié)B等級(jí)均不低于P20。

（2）抗氯離子滲透性能

采用RCM方法測(cè)試混凝土試件的抗氯離子滲透性能。制作了尺寸為Φ100×50（mm）的圓柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天齡期后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表9。結(jié)果顯示，混凝土中摻加再生微粉后，氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)有明顯降低，混凝土的抗氯離子滲透的能力明顯提高。

（3）碳化性能

制作了尺寸為100×100×100（mm）立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天齡期后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表9。

結(jié)果顯示，混凝土中同時(shí)摻加再生微粉后，C30混凝土的抗碳化能力有所降低，但是C60混凝土的抗碳化能力沒有下降。

（4）抗凍融性能

采用快速凍融試驗(yàn)方法測(cè)試混凝土試件的抗凍融性能。制作了尺寸為100×100×300（mm）長(zhǎng)方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天齡期后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見圖1和圖2。

結(jié)果顯示，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)較低的C30混凝土，混凝土中摻加再生微粉后，抗凍能力有所下降，主要表現(xiàn)在相對(duì)動(dòng)彈性模量在經(jīng)歷150～200次的快速凍融循環(huán)后有較明顯的降低，但質(zhì)量損失與未摻再生微粉的混凝土并沒有差別，總體抗凍性能可以達(dá)到F250。對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)的C60混凝土，混凝土中摻加再生微粉后，在經(jīng)歷300次快速凍融循環(huán)后，無論是相對(duì)動(dòng)彈模量還是質(zhì)量損失率，與未摻再生微粉的C60混凝土之間并沒有區(qū)別，總體抗凍性能均遠(yuǎn)在F300以上。

表8 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表9 混凝土抗水滲透性能、抗氯離子滲透和碳化試驗(yàn)結(jié)果

圖1 混凝土抗凍融相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果

圖2 混凝土抗凍融質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果

（5）抗硫酸鹽侵蝕性能

混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)采用全浸泡法，即制作邊長(zhǎng)為100mm的混凝土立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至26天齡期烘干冷卻后進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果見表10。

結(jié)果顯示，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)較低的C30混凝土，混凝土中摻加再生微粉后，抗硫酸鹽侵蝕能力有所下降，經(jīng)歷60～70次的干濕循環(huán)后混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)比未摻再生材料的混凝土低5%～10%，但是抗硫酸鹽侵蝕性能仍可以達(dá)到KS60～KS70的等級(jí)，與未摻再生微粉的C30混凝土并沒有顯著差別。對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)的C60混凝土，混凝土中摻加再生微粉后，在經(jīng)歷60～70次的干濕循環(huán)后混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)與未摻再生微粉的C60混凝土相比并沒有降低甚至還有所提高，摻再生微粉的C60混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能明顯高于KS70等級(jí)。

表10 混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)結(jié)果

表11 混凝土收縮性能試驗(yàn)結(jié)果

3.4 混凝土體積穩(wěn)定性

按照GB50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法，成型了尺寸為100×100×515（mm）棱柱體混凝土試件，用接觸法測(cè)試混凝土的收縮，研究混凝土的體積穩(wěn)定性。測(cè)定了初始長(zhǎng)度后，按1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d的時(shí)間間隔測(cè)量其變形系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見表11。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，四種混凝土試件的收縮率均呈現(xiàn)隨齡期延長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而且相同齡期下混凝土的收縮率也隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高而減小。對(duì)于相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土來說，再生材料混凝土的各齡期收縮率稍大于普通材料混凝土，但是這種差別有隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)增大而減小的趨勢(shì)，例如，兩種C30混凝土的收縮率之間的差別要大于同齡期下兩種C60混凝土的收縮率之間的差別。同時(shí)，對(duì)于同類型的不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土來說，同齡期的收縮率值隨強(qiáng)度等級(jí)的提高而減小，例如，同齡期下C30A混凝土的收縮率大于C60A的收縮率，同齡期下C30B混凝土的收縮率大于C60B的收縮率。四種混凝土樣品的總的收縮率大小趨勢(shì)為：C60A＜C60B＜C30A＜C30B,這種收縮大小趨勢(shì)上的差別主要是由于混凝土的砂石料品種和用量、混凝土水膠比、混凝土密實(shí)度等參數(shù)之間的不同造成的。

總的收縮試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土來說，摻加再生微粉混凝土的各齡期收縮率雖然稍大于普通材料混凝土，但是二者之間并沒有顯著差別，而且對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土這種差別更是微小，甚至可以說是沒有差別。

結(jié)論

本研究的試驗(yàn)結(jié)果說明，建筑廢棄物再生微粉是一種較好的混凝土用礦物摻合料，可以替代粉煤灰用于制備C60以下等級(jí)的大流動(dòng)性混凝土。主要結(jié)論如下：

（1）本研究中使用的磚混建筑廢棄物再生微粉，化學(xué)成分以SiO2、Al2O3和CaO為主，顆粒微細(xì)，粒度主要集中在10μm～20μm以下，比表面積達(dá)到600m2/kg以上，材料組成上主要是粘土磚粉，并含有少量水泥石粉和石灰石粉。

（2）摻加再生微粉的水泥膠砂強(qiáng)度和流動(dòng)度試驗(yàn)研究表明，再生微粉具有一定的活性效應(yīng)，但需水性稍大，對(duì)水泥的替代量不宜超過20%。單摻再生粉體，隨著再生微粉摻量的增加，膠砂流動(dòng)度和強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，再生粉體摻量超過20%，其下降趨勢(shì)明顯。雙摻礦粉和再生微粉或雙摻粉煤灰和再生微粉的膠砂流動(dòng)度均優(yōu)于單摻再生粉體，其強(qiáng)度也有一定提高。

（3）單摻再生微粉混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，在C40以下等級(jí)混凝土中再生微粉對(duì)水泥的取代量在20%以內(nèi)時(shí)，可以制備出具有良好強(qiáng)度的大流動(dòng)性混凝土。

（4）對(duì)C30和C60混凝土的綜合性能試驗(yàn)研究結(jié)果表明，使用再生微粉完全替代粉煤灰后，混凝土的工作性能保持良好，主要力學(xué)性能沒有下降甚至有所提高，綜合耐久性能優(yōu)異，體積穩(wěn)定性能基本不變，說明再生微粉可以作為礦物摻合料用來制備C60以下各等級(jí)的大流動(dòng)性能混凝土。

[1] 李秋義，建筑垃圾資源化再生利用技術(shù)，中國建材工業(yè)出版社，北京，2011年4月。