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1 前 言

建筑物拆除過程中產(chǎn)生的廢磚，年產(chǎn)量高達5200萬噸。隨著我國城鎮(zhèn)化的進一步發(fā)展，廢磚產(chǎn)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(huán)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(guān)注。為提高廢磚再生利用價值，有學(xué)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(xué)成分及礦物組成與水泥熟料相似，將其磨細(xì)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(fā)及其摻磚粉砂漿強度定量關(guān)系的研究。若通過一定的技術(shù)途徑對磚粉進行活性激發(fā)，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(fù)合激發(fā)方法對磚粉進行活性激發(fā)，首先將建筑垃圾廢磚進行篩檢、破碎并磨細(xì)至比表面積為415m2/kg，然后通過砂漿力學(xué)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(guī)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(guān)系模型，為廢磚活性激發(fā)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(shè)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(xì)集料：細(xì)度模數(shù)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(jīng)挑揀、破碎、磨細(xì)而得，化學(xué)組成及物理指標(biāo)見表1、表2。

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

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

復(fù)合激發(fā)可充分發(fā)揮不同粉體材料之間的“疊加效應(yīng)”，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(yīng)和后期強度，因此選用在混凝土工程中應(yīng)用、研究較為成熟的粉煤灰及礦粉與磚粉復(fù)合，并添加少量堿激發(fā)劑以提高磚粉活性，形成建筑垃圾復(fù)合粉體材料(CWCPM)，減少了單純依靠堿激發(fā)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(xué)成分及物理指標(biāo)見表1和表2。

由表1可知，磚粉的主要化學(xué)成分及礦物組成與水泥相似。主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3及CaO，約占總量的79.4%?；瘜W(xué)滴定法對磚粉中活性物質(zhì)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(dāng)摻量為40%時，28d抗壓活性指數(shù)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(jīng)濟的、環(huán)保型礦物摻合料。

2.2 試驗方案設(shè)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(guī)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(guī)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(dāng)流動度不滿足要求時，通過用水量調(diào)整至規(guī)定范圍。試驗參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》JTG E30-2005進行。

采用Hitachi S-4800場發(fā)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(zhǔn)及摻30%CWCPM的凈漿試件水化產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至60d。將養(yǎng)護至規(guī)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(jié)果分析與討論

3.1 強度試驗結(jié)果分析

不同方案砂漿試件抗壓及抗折強度測試結(jié)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(guī)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(jié)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(zhǔn)試件(A4)；90d齡期時，當(dāng)摻量≤30%時，試件的強度均高于基準(zhǔn)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(dǎo)致體系內(nèi)部水化產(chǎn)物含量的降低。當(dāng)摻量≤30%時，90d強度優(yōu)于基準(zhǔn)試件，摻量為40%時，試件強度降低較多。分析原因可知，CWCPM復(fù)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(zhì)在水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2及堿激發(fā)劑的作用下發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成性能較優(yōu)的水化產(chǎn)物，提高了試件后期強度。而當(dāng)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(dǎo)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F(xiàn)ig.3 SEM of the brick powder

圖4 CWCPM的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.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(yīng)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(tài)。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(guī)則結(jié)晶體為主、棱角分明、微珠含量較少，且粗細(xì)顆粒兩極分化，替代部分水泥后易形成多孔結(jié)構(gòu)，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(shù)量的細(xì)小微珠。細(xì)小微珠有利于水分的均勻分散，大小顆粒可形成緊密結(jié)構(gòu)，提高體系內(nèi)部密實度，減少毛細(xì)孔數(shù)量，有效減緩試件內(nèi)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(zhǔn)與摻30%CWCPM凈漿試件的DSC-TG曲線。

圖5 基準(zhǔn)試件的DSC-TG曲線(基準(zhǔn)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(zhǔn)試件相同，均在100℃、430℃和680℃附近出現(xiàn)吸熱峰并伴隨質(zhì)量損失。20～300℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失對應(yīng)水泥水化產(chǎn)物脫水，基準(zhǔn)、摻30%CWCPM試件質(zhì)量損失分別為15.05%、15.07%，相差不大；300～500℃范圍內(nèi)質(zhì)量損失對應(yīng)Ca(OH)2脫水，分別為4.803%、4.117%，摻CWCPM試樣質(zhì)量損失較基準(zhǔn)試件降低14.3%。以上測試結(jié)果說明CWCPM的摻入并未生成新的水化產(chǎn)物，但降低了結(jié)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(xué)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(zhì)較為穩(wěn)定[7]，宏觀上表現(xiàn)為摻CWCPM試件后期砂漿強度的提高。

4 灰色關(guān)聯(lián)分析及模型的建立

灰色關(guān)聯(lián)分析理論在于尋求系統(tǒng)中各影響因素之間的主要關(guān)系，并分析和確定子序列對母序列貢獻程度，進而提取系統(tǒng)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(guān)聯(lián)分析，關(guān)聯(lián)度與關(guān)聯(lián)極性的計算步驟參考文獻[9]，計算結(jié)果見表3。

表3 砂漿強度與水灰比、CWCPM摻量的灰色關(guān)聯(lián)度Table 3 Grey correlation between mortar strength and W/C、dosage of CWCPM

由表3可知，子序列的關(guān)聯(lián)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(zhǔn)優(yōu)因素，水灰比為抗折強度的準(zhǔn)優(yōu)因素。除90d抗折強度外，關(guān)聯(lián)極性均為負(fù)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(jié)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(shè)計時，均應(yīng)有所考慮。

CWCPM的摻入改變了砂漿強度的形成機制及微觀結(jié)構(gòu)特征，以往砂漿強度模型不能準(zhǔn)確地預(yù)測摻CWCPM的砂漿強度，因此需要建立新的模型來預(yù)測水泥-CWCPM復(fù)合漿體的力學(xué)性能。由前述試驗結(jié)果可知，試件抗壓強度與水灰比呈線性關(guān)系，與CWCPM摻量、齡期呈二次多項式的變化規(guī)律。基于此以砂漿抗壓強度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(shù)據(jù)分析軟件建立多元回歸預(yù)測模型如式(1)[10]。其中相關(guān)系數(shù)為0.95302，方差回歸分析結(jié)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(xiàn)(5,18)=94.31>F(α=0.05)=5.83，顯著性概率2.88×10-12<0.05，認(rèn)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(guān)系。

5 結(jié) 論

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

2.除90d抗折強度外，水灰比與CWCPM摻量的關(guān)聯(lián)極性均為負(fù)值，這說明隨著水灰比和CWCPM摻量的增加，砂漿強度逐漸減??；

3.基于多元線性回歸理論建立的砂漿強度預(yù)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(guān)系。

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