薛翠真，朱翔琛

(1.甘肅路橋建設集團有限公司 公路建設與養(yǎng)護技術、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，甘肅 蘭州 730030； 2.蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

1 前 言

建(構)筑物的新建及拆除過程中會產(chǎn)生大量固體廢棄物，我國建筑垃圾年產(chǎn)量高達30億噸，堆存量巨大。建筑垃圾堆積不僅占用大量土地、污染環(huán)境，而且還是資源的一種浪費[1-3]。我國建筑垃圾主要由廢棄混凝土和廢磚組成，近年來國內外學者關于廢混凝土的再生利用開展了一系列的研究，取得了較多成果，其再生利用率較高[4-6]。以往關于廢磚的研究主要集中在其作為再生骨料的應用或磚粉摻量對水泥基材料性能的影響[7-9]。研究表明，磚粉的化學組成與水泥及其他礦物摻合料基本相似，存在一定的活性，具有作為混凝土摻合料的潛質。但廢磚由于裂縫較多、吸水性較強、強度較低等原因，其再生利用率極低，且大部分為填筑路基等低值利用[10-12]。Issam Aalil等[13]研究表明，磚粉的摻入可產(chǎn)生一定的火山灰效應，提高試件抗壓強度。作者做過研究表明，建筑垃圾磚粉雖具有一定的活性，但活性較小[14-15]。因此，如何提高磚粉的高效再生利用率是亟待解決的問題。

已有的研究表明，礦物摻合料對水泥基材料性能的影響不僅與其化學活性有關，還與其顆粒特征及填充密實效應有關。礦物摻合料的顆粒細度及分布對水泥基材料宏觀性能存在一定的影響[16-17]。張永娟等[18]研究了粉煤灰顆粒群與水泥的匹配情況，結果表明粉煤灰的摻入提高了膠凝材料體系的堆積密度與強度。現(xiàn)階段，關于建筑垃圾磚粉顆粒特征及分布對水泥基材料填充效應及宏觀性能影響的研究較少，對磚粉的顆粒級配與水泥等膠凝材料的配伍情況沒有引起足夠重視，實際上粉體材料的顆粒級配對水泥基材料強度及耐久性有重要影響。因此，將磚粉用作礦物摻合料應磨細到什么程度，如何針對水泥的顆粒分布對磚粉顆粒進行控制應開展進一步的研究，以提高磚粉再生利用率。

本研究在測試分析水泥、磚粉、硅灰基本性質、顆粒特征的基礎上，運用Andreasen模型，探討了磚粉以及磚粉-硅灰復摻對膠凝材料密實程度的影響；并結合電鏡測試方法，揭示磚粉、磚粉-硅灰對砂漿微觀密實程度的影響機理。

2 原材料

水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥；砂為細度模數(shù)為2.46的河砂；硅灰為S95級，SiO2含量>90%；磚粉由實驗室加工而成，其制備過程為原材料的獲取→破碎→粉磨→篩分，最終得到兩種不同細度的磚粉(表1和圖1，2)微觀形貌使用Hitachi S-4800場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察。

表1 水泥和磚粉化學組成Table 1 Chemical compositions of cement and brick powder wt%

圖2 水泥 (a)及磚粉(b)的SEM圖像Fig. 2 SEM images of cement and brick powder (a) cement; (b) brick powder

由表1可知，磚粉的化學組成與水泥相似，均以Si、Al、Ca、Fe元素的氧化物為主。與水泥的化學組成相比，磚粉的氧化鈣(CaO)含量較低，二氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)含量較高，氧化鐵(Fe2O3)含量相差不大。由圖1可知，水泥的主要礦物組成為硅酸鈣、鋁酸鈣、鐵鋁酸鈣等水泥熟料礦物及一定含量的碳酸鈣(CaCO3)；磚粉的礦物組成主要為石英(SiO2)、剛玉(Al2O3)、赤鐵礦(Fe2O3)以及少量的游離CaO。由圖2可知，與水泥相比，磚粉總體顆粒較細、棱角性降低，粗細顆粒均有一定的分布，顆粒尺寸介于幾微米與20 μm之間，磚粉顆粒的形貌較為合理，理論上具有較好的填充和形態(tài)效應。

3 粉體材料顆粒特征

水泥、硅灰與磚粉顆粒參數(shù)及粒徑分布測試結果如表2和圖3所示。由表2可知，各粉體材料細度由大到小分別為硅灰、磚粉-細、水泥、磚粉-粗，表現(xiàn)為粉體材料細度比表面積越大，面積平均粒徑和體積平均粒徑越小。從圖3可知，與水泥顆粒相比，硅灰與較細磚粉中<10 μm的顆粒分別增多了180.4%和141.1%，>40 μm的顆粒分別減少了50.2%和40.8%，即硅灰和較細磚粉細度的提高主要是由于顆粒分布中<20 μm的顆粒含量增多和>40 μm顆粒含量的降低。

表2 粉體材料顆粒參數(shù)測試結果Table 2 Particle characteristics of different powder materials

圖3 粉體材料顆粒分布測試結果Fig. 3 Particle size distribution of different powder materials

綜上可見，根據(jù)磚粉的化學礦物組成以及形貌特點，具有作為混凝土礦物摻合料的潛質。

4 粉體材料-水泥膠凝體系填充效應分析

Andreasen研究表明，要使粉體材料顆粒體系獲得緊密堆積，其顆粒粒徑分布應滿足以下方程：

w1(D)=100(D/D1)n

(1)

式中：w1(D)為粒徑小于D的顆粒質量百分數(shù)；n為分布模數(shù)；D1為顆粒體系中最大顆粒粒徑，根據(jù)粉體材料粒度分布測試結果，統(tǒng)一確定為138.038 μm。研究表明，水泥基材料孔隙率隨分布模數(shù)的減小而逐漸降低，當n降低至1/3時，孔隙達到最小，n值繼續(xù)降低則沒有意義[19]。通過對水泥、較細磚粉和較粗磚粉粒徑分布曲線回歸分析計算得出，水泥、較細磚粉和較粗磚粉的n值分別為0.655、0.381和0.648，說明較細磚粉具有較好的填充效應。

取D1為138.038，n為0.33，按照Andreasen模型畫出粉體材料最緊密顆粒分布，粉體材料最緊密堆積、水泥、硅灰、磚粉顆粒的累計百分率及分計百分率分布曲線見圖4。

圖4 粉體材料顆粒分計百分率及累計百分率曲線Fig. 4 Particle fraction percentage and cumulative percentage curves of powder material(a) individual percent retained;(b) percentage passing of different powder materials

從圖可見，不同粉體材料顆粒的分計百分率分布曲線及累計百分率分布曲線具有基本相同的形狀。從圖4(a)可見，硅灰、較細磚粉、較粗磚粉、水泥顆粒中較細顆粒(<20 μm)含量依次減少，較粗顆粒含量逐漸增多。從圖4(b)可見，水泥、較粗磚粉、較細磚粉和硅灰粒徑分布曲線依次向左移動，即朝向顆粒較細的方向移動，說明各粉體材料顆粒逐漸變細，與前述各粉體材料顆粒參數(shù)及顆粒分布分析結果一致。

由上述試驗結果可知，與水泥顆粒相比，硅灰、較細磚粉顆粒中，粒徑較小的顆粒含量較多，較粗顆粒含量較少。當在較粗的水泥顆粒體系中加入一定含量的硅灰與較細磚粉后，粗細顆粒之間可以互相填充，起到分散和致密作用，形成較為合理的二次顆粒級配，進而改善膠凝體系的堆積密實性能。較細粉體顆粒的摻入可提高膠凝材料體系的堆積密實度，進而置換出膠凝顆粒間的孔隙水。這一方面可提高膠凝材料內部自由水含量，用于粉體材料水化；另一方面，可優(yōu)化水泥-磚粉膠凝材料體系硬化后孔結構，表現(xiàn)為宏觀性能的提高。此外，較細的粉體顆粒可改善漿體-骨料間過渡區(qū)密實度，降低界面過渡區(qū)厚度，進而提高試件宏觀力學及耐久性能。

由圖4(a)可知，粉體材料最緊密堆積顆粒分計百分率曲線與水泥、磚粉等各粉體材料有四個交點，即A，B，C，D。顆粒粒徑在橫坐標A～B與C～D之間時，最緊密堆積顆粒曲線處于水泥和其他粉體材料之間，說明在這一粒徑區(qū)間內，可通過調整水泥與粉體材料之間的比例，使其達到最緊密堆積狀態(tài)。顆粒粒徑橫坐標小于A點與大于D點時，與最緊密堆積顆粒曲線相比，水泥及各粉體材料在此粒徑范圍內的顆粒含量較少，無法通過調整粉體材料顆粒含量使其達到最緊密堆積狀態(tài)。同理，處于B～C之間粉體材料的顆粒含量較多，同樣無法通過調整粉體材料顆粒含量使其達到最緊密堆積狀態(tài)。因此，下一步在生產(chǎn)磚粉等再生微粉時，應增加粉體中較小顆粒含量及較大顆粒含量(小于A點，大于D點)，減少中間顆粒含量(B～C之間)，使水泥與磚粉顆粒之間形成緊密堆積，以提高摻磚粉水泥基材料的宏觀及微觀性能。

可見通過調控粉體材料的顆粒分布及摻量，可使粉體材料之間形成最緊密堆積，發(fā)揮材料之間的復合膠凝效應，即適當提高磚粉顆粒細度，有利于膠凝材料顆粒體系形成顆粒級配，實現(xiàn)多元輔助膠凝材料顆粒間的緊密堆積效應，進而提高微粉的物理、化學活性。但是，由于磚粉、硅灰的細度小于水泥，磚粉、硅灰顆粒存在級配不合理情況，經(jīng)過搭配后的水泥-磚粉、水泥-磚粉-硅灰膠凝體系在整個顆粒粒徑范圍內仍無法形成最緊密堆積，其內部孔隙還可進一步填充。因此，應進一步對磚粉的顆粒群分布進行控制，使得水泥-再生微粉顆粒體系達到最緊密堆積狀態(tài)，提高膠凝材料體系內部密實度，降低結構內部孔隙率，進而改善水泥基材料宏觀性能，提高建筑垃圾的高效再生利用率。

5 摻磚粉砂漿微觀形貌分析

圖5為28 d基準砂漿、單摻磚粉砂漿(BP-120)和磚粉-硅灰復摻砂漿(BP-1-5∶5)SEM形貌圖像。從圖可見，磚粉及磚粉-硅灰的摻入對砂漿內部密實度、水化產(chǎn)物形貌及數(shù)量均有一定的影響。與基準試件相比，摻磚粉、磚粉-硅灰砂漿試件內部微觀形貌較為密實，但仍存在一定的孔隙，其顆粒級配仍可進一步進行調控，與前述分析結果一致。由圖5a可知，基準試件內部微觀形貌較為疏松，內部孔洞及裂縫較多，水化產(chǎn)物以針狀鈣礬石和片狀Ca(OH)2為主，性能較優(yōu)的C-S-H含量較少。從圖5(b)可見，與基準試件相比，摻磚粉砂漿試件內部微觀形貌較為密實，針狀鈣礬石及片狀Ca(OH)2相對含量降低，絮狀、簇狀C-S-H含量增多。從圖5(c)可見，磚粉-硅灰復摻進一步提高了砂漿試件內部密實度，水化產(chǎn)物形貌及數(shù)量更為合理。綜上，磚粉單摻及磚粉-硅灰復摻對膠凝材料體系均起到一定的填充效應，同時對體系內部水化產(chǎn)物種類及數(shù)量產(chǎn)生一定的影響。

圖5 摻粉體材料砂漿微觀形貌圖像Fig. 5 SEM images of mortar mixed with powder (a) control specimen;(b) BP-1-20;(c)BP-1-5∶5

上述研究表明：通過優(yōu)化配置磚粉、硅灰顆粒大小、組成及用量，可使膠凝材料體系的顆粒級配更合理，使得粉體材料之間產(chǎn)生疊加效應，調控多元膠凝粉體的密實度，進而改善水泥基材料宏觀及微觀性能。因此，下一步應進一步改善磚粉的顆粒級配，設計滿足特定要求的最佳多元膠凝粉體材料，進而提高其再生利用率。

6 結 論

1．硅灰及較細磚粉的細度均小于水泥，主要表現(xiàn)為比表面積的增大，顆粒分布中<20 μm的顆粒含量增加及>40 μm顆粒含量的減少。

2．適當提高磚粉細度，可以在一定程度上改善水泥膠凝材料的密實填充性能，實現(xiàn)多元輔助性膠凝材料顆粒間的緊密堆積效應。

3．由于磚粉、硅灰顆粒的級配不合理，經(jīng)過搭配的水泥-磚粉、水泥-磚粉-硅灰膠凝體系在整個顆粒粒徑范圍內并非最緊密堆積，應進一步對磚粉等粉體材料的顆粒級配進行調控。

4．磚粉、硅灰主要通過影響砂漿內部密實程度、水化產(chǎn)物種類及數(shù)量，進而改善其宏觀性能。