黃輝，王文軍

（1.浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，浙江寧波 315100；2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 102627）

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)規(guī)模不斷擴大，每年都會拆除大量老舊建筑，產(chǎn)生大批量的廢棄混凝土。目前，將破碎后的廢棄混凝土作為粗細骨料用于生產(chǎn)再生混凝土是常見的利用方法之一，實現(xiàn)了廢棄混凝土的循環(huán)再生利用，但廢棄混凝土在破碎、篩分的過程中，將產(chǎn)生一定量的粒徑小于0.16mm 的粉塵，這種微粉被稱為廢棄混凝土再生微粉，主要來源于硬化水泥石、粗骨料和細骨料研磨的粉末，有一定的活性，具備形成水化碳鋁酸鈣與水化碳硅酸鈣、作為水泥水化晶胚和繼續(xù)水化形成凝膠產(chǎn)物的能力，若運用一定的處理方式進一步激發(fā)再生微粉的活性，能夠用作膠凝材料，實現(xiàn)微粉的再生利用。

目前，對再生微粉特性以及應(yīng)用于砂漿和混凝土中的研究已經(jīng)較多，研究表明再生微粉能為水泥水化提供結(jié)核，合適的摻量范圍內(nèi)，再生微粉并不降低水泥的力學(xué)性能，甚至能略微提高水泥的力學(xué)性能，在低水膠比條件下，再生微粉能改善水泥膠砂的微觀結(jié)構(gòu)，提高膠砂的抗壓強度并對混凝土的抗壓強度具有促進效果[1-5]。借鑒再生微粉為砂漿和混凝土等水泥基材料中的應(yīng)用，可將其替代部分水泥作為高含水率淤泥的固化劑，不僅可以解決量大面廣的淤泥地基的處理難題，并且能有效節(jié)約自然資源，創(chuàng)造更好的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

國內(nèi)外已有將破碎廢棄混凝土及其磨細粉用于土體改性方面的研究。趙光鵬，付亮等[6，7]對摻入廢棄混凝土（2～0.75mm）的水泥復(fù)合土的試驗研究表明，在水泥摻入比相同的情況下，摻加廢棄混凝土的水泥土比普通水泥土強度提高20%左右。楊朝旭等[8]試驗證明，堿渣和廢混凝土用于替代傳統(tǒng)改性材料改性淤泥質(zhì)土能滿足路用性能要求。栗霞等[9]將廢棄混凝土破碎為顆粒后過16mm 篩和水泥一起加入到粉質(zhì)黏土中，當水泥摻量為15%時，摻20%廢棄混凝土水泥土的抗壓強度比單摻水泥的水泥土的抗壓強平均提高38.09%。馬嘯，陳四利等[10]將無篩分的廢棄混凝土顆粒（大部分為10～16mm 的中粗粒）摻入水泥土中，適宜的摻量下，抗壓強度在28～60d 齡期區(qū)間內(nèi)仍可保持較高增長速度。Singh 等[11]研究表明，摻加40%廢棄混凝土細骨料，路基土CBR 提高345%。Shima 等[12]將熱激發(fā)和機械磨碎后的廢棄混凝土細粉用于土體固化，摻加細粉的水泥土的CO 排放減少。Kluge 等[13]研究指出，摻入土體中的CGR（concrete grinding residue）能夠提供必要的化學(xué)成分，改變土體PH 值，減小酸雨的影響。Yang 等[14]研究指出，CGR 微粉具有更高的CaO 含量和PH 值，其中的Ca2+、Mg2+等堿性陽離子能夠與土體的弱陽離子Na+、K+、H+交換，減少雙電層厚度，使得土體絮凝，進而增加表面張力和土體強度。

以上這些研究表明，將廢棄混凝土用于土體加固具有可行性，現(xiàn)有的研究中，用于土體加固的廢棄混凝土顆粒相對較粗，大部分是直接利用或者僅將廢棄混凝土簡單粗加工后應(yīng)用，用于道路路基填料的研究相對較多，總體上來說，對廢棄混凝土特別是再生微粉應(yīng)用于土體加固的研究仍較少。文中針對廢棄混凝土再生微粉，在分析測試其物理化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，將其替代部分水泥，應(yīng)用于高含水率淤泥固化，分析再生微粉摻量對不同齡期淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強度影響規(guī)律，并添加Ca（OH）2堿激發(fā)劑，探討其作用效果和作用機理，為再生微粉應(yīng)用于量大面廣的淤泥固化提供研究基礎(chǔ)，擴展再生微粉的應(yīng)用范圍，提高廢棄混凝土的綜合利用水平。

1 再生微粉的物理化學(xué)性質(zhì)

試驗所用廢棄混凝土再生微粉來源于寧波順達墻體材料廠。廢棄混凝土再生微粉的制備通常直接將工廠生產(chǎn)的再生骨料過0.16mm 篩后得到，但是這樣獲得的再生微粉比表面積小，活性低，常常為了提高再生微粉活性，將再生骨料進行再次研磨或者采用微粉煅燒等方法。楊琳提出的微粉的最佳活化方法是微粉過篩后使用球磨機研磨60min，750℃煅燒2h[15]，但如此活化同時消耗了更多能源，增加了生產(chǎn)成本。張平等結(jié)合實際情況，考慮應(yīng)用的經(jīng)濟性，認為微粉的最佳球磨時間為60min[16]，因此，將再生微粉用球磨機如圖1 所示以1kW 功率進行60min 球磨活化，然后測定再生微粉的物理化學(xué)性質(zhì)如圖2 所示。

圖1 球磨機活化微粉

圖2 制備的再生微粉

1.1 粒徑分布

采用馬爾文3000 激光粒度分析儀對再生微粉大小及粒徑分布進行測試，測試結(jié)果見圖3。

圖3 再生微粉粒徑累計分布圖

分析可得，獲得的再生微粉的平均粒徑為16.8μm。一般認為，水泥顆粒在40μm 以下有較高活性，大于100μm 活性較低。試驗的微粉40μm 以下含量約70%，有較高的活性。呂雪源等研究所用的微粉平均粒徑為30.4μm，試驗采用研磨方法獲得的微粉平均粒徑相對更小。

1.2 密度與比表面積

參照GB/T 208-2014《水泥密度測定法》測得再生微粉的密度為2930kg/m3，堆積密度為644kg/m3，與文獻［17］中提及的微粉（密度一般在為2500～3000kg/m3之間，堆積密度一般為800 kg/m3）基本一致。

采用SBT-127 型數(shù)顯勃氏透氣比表面積儀，根據(jù)GB/T 8074-2008《水泥比表面積測定方法勃氏法》，測得微粉的比表面積為870m2/kg。

1.3 物質(zhì)組成

采用S8 TIGER 波長色散X 射線熒光光譜儀，測得再生微粉的化學(xué)成分見表1。

表1 再生微粉的主要化學(xué)成分%

由表1 可以看出，再生微粉的主要化學(xué)成分均為SiO2和CaO，約占微粉含量74%，其次為Al2O3和Fe2O3占17.72%。國內(nèi)文獻中所用微粉的Al2O3和Fe2O3常為5%～20%不等，表明再生微粉的成分含量因廢棄混凝土來源不同而存在一定的差異。

采用D8 ADVANCE 型高分辨XRD 儀器測定再生微粉的礦物成分如表2，分析表明，除了石英、鈉長石、伊利石等主要礦物成分外，存在一定量的水化硅酸鈣凝膠以及未水化的硅酸二鈣，說明微粉中的水泥顆粒尚未完全水化，具有一定活性。

表2 再生微粉的主要礦物成分%

1.4 膠砂流動度

采用海螺P.O42.5 水泥、廈門艾思歐標準砂有限公司生產(chǎn)的標準砂以及室內(nèi)自來水制備砂漿，根據(jù)GBT 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》，測定摻加再生微粉的水泥砂漿的流動度如圖4 所示，其中微粉摻量（替代水泥的質(zhì)量百分比，記為aw）分別為0%（純水泥膠砂，對照組）、10%、20%、30%。

圖4 再生微粉摻量對水泥膠砂流動度的影響

分析圖4 可知，隨著微粉摻量的增加，水泥膠砂流動度逐步減小，當aw為10%時，膠砂流動度僅降低了3%，但當aw超過20%時，摻微粉的膠砂流動度降低的幅度較大，與未摻時相比，降低了14.5%。因此，今后在應(yīng)用微粉時，不能只增大摻量，需要考慮微粉對漿液流動度的影響。

2 再生微粉對水泥固化土無側(cè)限抗壓強度的影響

2.1 試驗用土

試驗土取自于寧波鎮(zhèn)海的淤泥質(zhì)粘土，取樣深度2.5～10m，該土樣為灰色流塑態(tài)淤泥質(zhì)黏土，其基本性質(zhì)指標見表3。

表3 土的基本物理性質(zhì)指標

2.2 配合比

主要考慮再生微粉摻量與齡期因素，故為減少試驗組數(shù)，按照固化土工程常用固化劑摻量水平，試驗中，將固化劑摻量（（水泥質(zhì)量+再生微粉質(zhì)量）/濕土質(zhì)量）統(tǒng)一設(shè)為定值15%，其中，再生微粉替代水泥的質(zhì)量比即摻量aw分別為0%（純水泥土為對照組），10%、15%、20%、25%和30%；淤泥初始含水率統(tǒng)一按照50%考慮，水灰比（水的質(zhì)量/固化劑質(zhì)量）為0.8；每組配比均考慮3個平行試樣。

2.3 固化土試樣制備與養(yǎng)護

先將土樣風(fēng)干磨碎過5mm 篩備用。制樣時，按照配合比稱取一定質(zhì)量的微粉和水泥與淤泥質(zhì)黏土粉末拌和均勻，然后加入拌合自來水，用水泥砂漿攪拌機攪拌15min 后制備70.7mm×70.7mm×70.7mm 的立方體固化土試塊，制樣時，分兩層振搗，每次放置于振動臺震動2min，最后刮平后將試樣連同試模放入標準養(yǎng)護室（20±5℃，濕度大于95%）養(yǎng)護，48h 后拆模，繼續(xù)在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期7d 和28d。標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護的試樣見圖5。

圖5 標準養(yǎng)護室養(yǎng)護的試樣

2.4 試驗結(jié)果分析

使用TYE-6 微機控制電子抗壓抗折試驗機測試各齡期固化土的無側(cè)限抗壓強度qu。對于每組3個平行試驗，強度確定方法為：當平行試樣qu差異小于20%時，取3個平行試樣的qu平均值；若三者qu差異大于20%時，則重新配制試樣。獲得的固化土qu隨再生微粉摻量aw的關(guān)系見圖6。

圖6 各齡期固化土強度與再生微粉的關(guān)系

分析圖6 可以看出，替代水泥后，摻加再生微粉的固化土強度均有不同程度的降低，下降程度與齡期和aw大小有關(guān)，7d 齡期，當aw為10%～30%，固化土強度下降約21.5%～46.2%；28d 齡期，10%微粉摻量的固化土強度與純水泥土強度基本相同，微粉摻加15%～30%，固化土強度下降約14.5%～31.5%；與28d相比，7d 固化土強度隨微粉摻量的下降幅度較大，表明微粉對固化土早期強度的影響更大；無論是7d 還是28d，當摻量較大時，強度下降幅度降低。

為更好判斷固化土強度發(fā)展隨再生微粉摻量的變化趨勢，繪制了aw（≥10%）與28d 固化土qu關(guān)系的擬合曲線，如圖7 所示。

圖7 再生微粉摻量與28d 固化土無側(cè)限抗壓強度關(guān)系的擬合曲線

圖7 中看出，擬合曲線近似服從對數(shù)分布，擬合公式：

2.5 再生微粉在固化土體系中作用機理分析

盡管與水泥相比，固化土體系中，再生微粉的活性一般，摻加微粉替代部分水泥后的固化土強度均有不同程度的下降，但以28d 固化土強度為例，aw為10%時，固化土強度基本未下降，另即使aw為30%時，28d 固化土強度也已經(jīng)達到了1.13MPa，大于1.0MPa，固化效果良好，能滿足大部分工程所需。

結(jié)合再生微粉的粒度以及成分分析，將固化土體系的中微粉作用機理歸納分析為以下幾個方面：

（1）火山灰反應(yīng)。微粉中較小顆粒的比表面積大，自身有一定活性，和水泥類似，硅酸二鈣等成分可以產(chǎn)生火山灰反應(yīng)：2（2CaO·SiO2）+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2

（2）促進水泥水化。再生微粉顆粒中的較小成分能夠誘導(dǎo)水泥水化，一般認為10μm 以下的微粒能夠較好地促進C3S 和C3A 的水化，且能提高有效結(jié)晶產(chǎn)物的含量。由表1 可知，試驗測得再生微粉粒徑小于10μm 占40%以上，不僅能夠促進水泥顆粒的水化速度，而且微粒的分散作用夠增大水泥顆粒的水化程度。

（3）促進離子交換。粘土顆粒中含有少量具有活性的SiO2和Al2O3，這些活性氧化物在堿性環(huán)境下將與Ca2+離子產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，稱為“二次反應(yīng)”或者“硬凝反應(yīng)”，這種反應(yīng)在消耗Ca2+離子的同時生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)。摻加再生微粉，水化使得體系中的Ca2+離子濃度提高，有利于提高體系中黏土顆粒的離子交換效應(yīng)和“二次反應(yīng)”的發(fā)揮程度，有利于土體的團?；?。

（4）填充效應(yīng)。未參與化學(xué)反應(yīng)的再生微粉顆粒，可以直接“物理”填充固化土中的孔隙，能改善和增強固化土結(jié)構(gòu)強度，提高勻質(zhì)性和致密性。同時也可被水泥水化產(chǎn)物包裹，增大水化物的強度，增強膠結(jié)作用，同時若顆粒較大，可以充當砂粒，在膠凝材料作用下膠合連接，起到骨架作用，能提高淤泥固化土強度。

（5）吸附水效應(yīng)。再生微粉顆粒比表面積大，表面有較多棱角空隙，易吸附水。將其摻入到高含水率淤泥中，可以吸附土中的孔隙水，從而影響土中黏土顆粒-水的作用機制，影響結(jié)合水的存在形態(tài)，有利于降低自由水含量，進而提高土體強度。

試驗中所用微粉中的主要活性成分硅酸二鈣僅為5%，固化淤泥的效果仍可以進一步提升，下一步還需要對微粉進行機械活性提高處理，并考慮摻加堿激發(fā)劑，提高其固化淤泥的效果。此外，關(guān)于微粉摻量與固化土強度關(guān)系研究，仍需要設(shè)計更多的微粉摻量水平以及更多的齡期如60、90d 等，以全面了解再生微粉對高含水率淤泥的固化處理效果。

3 堿激發(fā)劑對再生微粉-水泥固化土的影響研究

3.1 試驗概況

在再生微粉膠砂和混凝土中，常摻加堿激發(fā)劑以提高再生微粉的潛在活性，常見的如CaO、Na2SO4、NaOH、Ca（OH）2、NaHCO3、Na2SiO3·9H2O 等，這些成分能夠加速微粉的水化硬化。為了探討堿激發(fā)劑在摻加再生微粉的水泥固化土中的作用效果，選取了Ca（OH）2，摻加在再生微粉-水泥-淤泥固化體系中，探討其作用效果。

采用的為國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析級純度Ca（OH）2，其摻量Ca（OH）2質(zhì)量/（微粉和水泥的質(zhì)量）分別為1.0%、2.0%和3.0%，考慮到試樣組數(shù)，將再生微粉摻量aw設(shè)定為15%。其余試驗材料以及試樣制備方法同文中3.1。同樣考慮3個平行試驗，共制備18個試樣。

3.2 試驗結(jié)果

獲得的固化土無側(cè)限抗壓強度qu隨Ca（OH）2摻量的關(guān)系見圖8。

圖8 Ca（OH）2 摻量對固化土無側(cè)限抗壓強度的影響

分析圖8 可以看出，堿激發(fā)劑Ca（OH）2對7d 和28d 齡期固化土抗壓強度的影響規(guī)律不同，7d 齡期下，隨著Ca（OH）2摻量增加，固化土強度均略有增加，且摻量越大，效果越明顯，摻量3%時，強度增大8.7%；而28d 齡期下，Ca（OH）2摻量為2%的效果最佳，比不摻Ca（OH）2的固化土強度提高了7.1%，而摻加1%和3%時強度反而降低了5.7%和17.7%?？傮w上分析認為，再生微粉-水泥-淤泥固化體系中，作為堿激發(fā)劑的Ca（OH）2的增強效果一般，且不同齡期下的影響規(guī)律不同，存在最佳摻量。

3.3 Ca（OH）2 的作用機理分析

再生微粉-水泥-淤泥固化體系中，摻入的Ca（OH）2的作用機理復(fù)雜，整個體系的Ca2+離子濃度以及酸堿度既表現(xiàn)正面效應(yīng)，也存在負面效應(yīng)，而效應(yīng)的發(fā)揮與摻入Ca（OH）2量的多少有關(guān)，且在水泥水化硬化各個階段的作用程度不同。摻加Ca（OH）2，部分溶解后產(chǎn)生Ca2+離子以及OH-，會影響水化的水化、微粉的活性發(fā)揮以及黏土顆粒表面的離子交換與團?；取．斦麄€體系的堿性增強，可以破壞微粉表面的Si-O-Si 和Si-O-Al 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的雙重保護層，激發(fā)微粉中的活性SiO2和Al2O3的水化反應(yīng)，促進黏土顆粒表面少量具有活性的SiO2和Al2O3的“二次反應(yīng)”，參與形成水化硅酸鈣類膠凝物質(zhì)，改善固化土的物質(zhì)成分與組成結(jié)構(gòu)。另一方面，摻加Ca（OH）2，可以補充再生微粉中CaO 的含量，對水泥中的C3A，C3S 的水化有促進作用。而當Ca（OH）2摻量過大時，負面效應(yīng)較為明顯，Ca（OH）2晶體本身的強度很高，但是它們常以層狀結(jié)構(gòu)存在，疏松多孔，穩(wěn)定性差，在酸性環(huán)境下極易遭侵蝕，故Ca（OH）2往往構(gòu)成水泥石結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，同時過多的摻量會導(dǎo)致反應(yīng)過程中在水泥和再生微粉顆粒表面會形成Ca（OH）2薄膜，阻礙水熱反應(yīng)的持續(xù)進行，因此，不同的水泥摻量、不同的再生微粉摻量下，有一個合理的堿激發(fā)劑摻量范圍。針對再生微粉-水泥-淤泥固化體系，由于土體加入，堿激發(fā)劑的作用機理以及最佳摻量仍需要結(jié)合一些微觀測試深入探討。

4 結(jié)語

（1）再生微粉化學(xué)成分中，Al2O3和Fe2O3含量差異較大。除石英、鈉長石、伊利石等主要礦物成分外，存在一定量的水化硅酸鈣凝膠以及未水化的硅酸二鈣。隨著微粉摻量的增加，水泥膠砂流動度逐步減小，當摻量超過20%時，流動度降低了14.5%，因此工程應(yīng)用中需要考慮微粉摻量對漿液流動度的影響。

（2）摻加再生微粉的水泥固化土無側(cè)限抗壓強度試驗表明，再生微粉摻量為10%～30%，7d 固化土強度下降約21.5%～46.2%；再生微粉摻量10%時，28d 固化土強度與純水泥土強度基本相同；與28d 相比，7d 固化土強度隨微粉摻量的下降幅度較大，表明微粉對固化土早期強度的影響更大；無論是7d 還是28d，當摻量較大時，強度下降幅度降低。盡管摻加再生微粉的固化土強度大部分呈現(xiàn)不同程度的下降，但再生微粉替代水泥量為30%時，28d 固化土強度也已經(jīng)達到了1.13MPa，達到了較好的固化效果。

（3）當再生微粉摻量為15%時，摻加1%～3%的Ca（OH）2，7d 齡期固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著摻量的增加而略有增加；28d 固化土，摻加1%和3%時強度反而降低，摻加2%時強度提高7.1%；再生微粉-水泥-淤泥固化體系中，作為堿激發(fā)劑的Ca（OH）2的增強效果一般，且不同齡期下的影響規(guī)律不同。