廖師賢，黃蕾

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

中國(guó)每年舊城區(qū)改造以及建筑拆除將產(chǎn)生大量廢棄黏土磚，其富含活性物質(zhì)，將其制成再生磚粉能有效處理建筑垃圾并在工程中加以利用［1-3］。其制備流程為：首先利用發(fā)泡劑制備泡沫，常用的方法有物理發(fā)泡和機(jī)械發(fā)泡，其次利用摻合料、水、外加劑和膠凝材料制備以水泥為基體的漿體，在其中添加制備好的泡沫，澆筑成型前攪拌充分、混合均勻，最后對(duì)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，常用的方法有蒸氣養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)，由此得到泡沫混凝土，其具有多孔、輕質(zhì)的特點(diǎn)［4］。與素混凝土相比，泡沫混凝土具有隔音降噪、隔熱耐火、保溫抗凍等優(yōu)點(diǎn)，在地質(zhì)條件較差位置的填土替換和地基填充、房屋建筑的隔音墻、寒冷地區(qū)的保溫墻板等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［5-11］，具有一定的研究意義和工程應(yīng)用前景。

但泡沫混凝土也存在缺陷，如吸水率高、開(kāi)孔率高、易收縮、強(qiáng)度低、整體性差等［12-14］，泡沫混凝土的研究和應(yīng)用因此受到限制。而泡沫混凝土最主要的缺陷是強(qiáng)度低［15-20］，難以滿足實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)要求。目前，對(duì)再生磚粉作為摻合料應(yīng)用于水泥基材料的研究較多，然而對(duì)于再生磚粉在泡沫混凝土中的應(yīng)用，研究手段均采用水泥取代法［21-23］，結(jié)果表明再生磚粉的取代率大于一定值后對(duì)泡沫混凝土的性能影響大都是負(fù)面的，尚未發(fā)現(xiàn)利用漿體取代法制備再生磚粉泡沫混凝土的研究。

本文以再生磚粉為泡沫混凝土的主要原料，通過(guò)漿體取代法對(duì)再生磚粉泡沫混凝土展開(kāi)試驗(yàn)研究，旨在探究采用不同漿體取代率對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，不僅為改善泡沫混凝土強(qiáng)度提供技術(shù)支持和奠定理論基礎(chǔ)，還有望減少建筑行業(yè)生產(chǎn)混凝土和處理廢磚產(chǎn)生的污染、能耗、材料消耗，具有重要的環(huán)保效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 原材料

再生磚粉泡沫混凝土由試驗(yàn)室配置，試件主要組分為再生磚粉、水泥、發(fā)泡劑、纖維素、減水劑和水；其中再生磚粉的原料來(lái)自某紅磚廠藝術(shù)區(qū)拆除現(xiàn)場(chǎng)（表1）；水泥強(qiáng)度等級(jí)為42.5 級(jí)（表2）；發(fā)泡劑使用椰油酰胺丙基甜菜堿；纖維素使用羥丙基甲基纖維素，減水劑使用聚羧酸減水劑（表3）。

表1 再生磚粉的化學(xué)成分 %

表2 水泥的化學(xué)成分 %

表3 減水劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 試件配合比

試驗(yàn)再生磚粉漿體取代率為變量，其中水灰比為0.40、漿體取代率分別為0、4%、8%、12%，設(shè)計(jì)4組配合比，其中再生磚粉泡沫混凝土配合比見(jiàn)表4。本試驗(yàn)采用漿體取代法，不同于普通的水泥取代法（通過(guò)磚粉取代水泥），而是使用磚粉取代漿體，兩者的區(qū)別示意圖如圖1 所示。

圖1 兩種取代法的區(qū)別

表4 再生磚粉泡沫混凝土配合比

1.3 抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)如圖2 所示。取一組100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件放置在試驗(yàn)機(jī)的中心位置，采用位移法進(jìn)行加載，加載速度為2.0 mm/min，試件壓縮量最大值達(dá)到90%或試件發(fā)生急劇變形時(shí)，判定試件發(fā)生破壞，停止加載。此時(shí)試件最大破壞荷載記為F?？箟簭?qiáng)度f(wàn)的計(jì)算公式如下：

圖2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程（單位：mm）

式中：F為試件最大破壞荷載（N）；s為試件的受壓面積（mm2）；f為抗壓強(qiáng)度（MPa），精確至0.01 MPa。

微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線粉末衍射儀（XRD），對(duì)再生磚粉泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)和組成成分進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞模態(tài)

圖3 為不同水灰比下泡沫混凝土試件的破壞模態(tài)。從圖3 可以看出：隨著漿體取代率的提高，試件受到破壞時(shí)完整度增加，其破壞程度有下降的趨勢(shì)，表明試件抵抗受壓變形的能力因再生磚粉的摻入而得到明顯改善。當(dāng)漿體取代率為0 時(shí)，試件呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞。施加荷載的方向與裂縫方向非平行，二者存在一定的夾角。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，試件上的裂縫迅速發(fā)展，當(dāng)受壓試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試件的完整性嚴(yán)重下降，大范圍的碎落出現(xiàn)在試件的邊緣；當(dāng)漿體取代率為4%時(shí)，由于再生磚粉的摻入，裂縫的寬度減小，其發(fā)展規(guī)律為自上而下；當(dāng)再生磚粉漿體取代率為8%時(shí)，試件幾乎不產(chǎn)生碎落破壞，具有良好的完整性；當(dāng)再生磚粉漿體取代率為12%時(shí)，試件上的裂縫寬度較小、數(shù)量較少、其方向基本與加載方向平行，并且在4 組試件中其完整度最高。此類現(xiàn)象表明：適量摻入再生磚粉可以明顯改善泡沫混凝土的抗變形能力。而在采用漿體取代率較小的分組中，其裂縫發(fā)展方向與加載方向垂直，如PR-0.40-4，原因?yàn)椋涸谠嚰虞d過(guò)程中，泡沫混凝土層間出現(xiàn)交錯(cuò)擠壓現(xiàn)象，在試件的薄弱部位產(chǎn)生此類裂縫。

圖3 不同漿體取代率下泡沫混凝土的破壞模態(tài)

2.2 抗壓強(qiáng)度

水灰比為0.40 時(shí)，泡沫混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線與再生磚粉漿體取代率的關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4 可知：摻入再生磚粉的泡沫混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為4 個(gè)階段，依次為：彈性變形階段、應(yīng)力振蕩階段、應(yīng)變軟化階段和平臺(tái)階段（可見(jiàn)不同漿體取代率的4 條曲線，在4 個(gè)不同階段分界點(diǎn)應(yīng)變?nèi)≈挡煌?。在彈性階段，隨著漿體取代率的增大，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變得更加陡峭（漿體取代率越高，峰值越高，如12%），應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變范圍也隨之減?。磻?yīng)變x取值較小）；在應(yīng)力振蕩階段，當(dāng)漿體取代率從0 增加到12%時(shí)，應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變數(shù)值由0.042 下降到0.01（第一個(gè)應(yīng)力峰值，漿體取代率0 對(duì)應(yīng)應(yīng)變x=0.042，漿體取代率12%對(duì)應(yīng)應(yīng)變x=0.01），并且應(yīng)力值的振蕩幅度增大（即漿體取代率為12%時(shí)，應(yīng)力取值較大，相對(duì)原點(diǎn)變化大）；在應(yīng)變軟化階段，應(yīng)力值的變化較?。ㄏ鄬?duì)于第二峰值，平臺(tái)階段分界點(diǎn)與第二峰值應(yīng)力差距較小，不如第一峰值與原點(diǎn)差值大）；在平臺(tái)階段，應(yīng)力值隨再生磚粉漿體取代率的提高呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)（不同漿體取代率的曲線平臺(tái)階段對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力值大小，作x軸平行線交于y軸即可，4%與8%曲線平臺(tái)階段預(yù)計(jì)比較接近，但按趨勢(shì)延伸8%對(duì)應(yīng)應(yīng)力將大于4%，12%平臺(tái)階段應(yīng)力值明顯最大，0 平臺(tái)階段應(yīng)力值明顯最?。?，且在較小區(qū)域內(nèi)上、下波動(dòng)（與鋼筋試驗(yàn)類似，并非所有曲線都有明顯的平臺(tái)階段，應(yīng)變軟化階段與平臺(tái)階段分界點(diǎn)有時(shí)也并不明顯，但呈現(xiàn)大概趨勢(shì)比較平緩，類似開(kāi)口向下的拋物線，可預(yù)估分界點(diǎn)大致位置）。

試件抗壓強(qiáng)度和在相同水灰比情況下相對(duì)于漿體取代率為0 的抗壓強(qiáng)度相對(duì)增長(zhǎng)率如圖5 所示。

圖5 抗壓強(qiáng)度曲線

從圖5 可以看出：泡沫混凝土試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度均大于空白組，是由于試驗(yàn)組摻入再生磚粉所致，且抗壓強(qiáng)度隨著漿體取代率的提高有提高的趨勢(shì)。其中，PR-0.40-4、PR-0.40-8 和PR-0.40-12 的 抗 壓 強(qiáng) 度相較于NM-0.40-0 分別提高了71.08%、128.92%和286.75%，編號(hào)為PR-0.40-12 試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了3.21 MPa，接近編號(hào)NM-0.40-0 的試件強(qiáng)度的4 倍，此時(shí)泡沫混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，且隨著漿體取代率的提高該現(xiàn)象更加顯著。是因?yàn)樵偕u粉可以對(duì)泡沫混凝土的內(nèi)部進(jìn)行充填。漿體取代率的提高意味著泡沫混凝土含水量的降低，泡沫混凝土漿體的稠度隨之增加，因此其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在試件成型后變得更為穩(wěn)定。從微觀的角度分析可知，隨著再生磚粉漿體取代率的提高，反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物增多，其微觀結(jié)構(gòu)隨著再生磚粉漿體取代率的提高更為致密，而在宏觀的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度提高。

2.3 微觀分析

（1）水化產(chǎn)物

圖6 為不同再生磚粉漿體取代率下再生磚粉泡沫混凝土XRD 圖譜。

圖6 不同再生磚粉漿體取代率的再生磚粉泡沫混凝土XRD 圖譜

由圖6 可以發(fā)現(xiàn)：①水泥基材料主要的水化產(chǎn)物為C—S—H（水化硅酸鈣）凝膠，但C—S—H 為凝膠而不是晶體狀態(tài)，在XRD 圖譜中沒(méi)有明顯的特征峰；②漿體取代率為0 的泡沫混凝土，其主要化學(xué)成分包括未發(fā)生水化反應(yīng)的SiO2以及水化產(chǎn)物Ca（OH）2。其中以Ca（OH）2含量最高，因此其衍射峰最強(qiáng)；③圖譜中出現(xiàn)了CaCO3的衍射峰，一個(gè)可能原因是在取樣過(guò)程中小部分Ca（OH）2發(fā)生碳化所致，而其衍射峰不明顯，表明碳化程度較低；④圖譜中存在較弱的AFt 的衍射峰，說(shuō)明在不摻入再生磚粉時(shí)，泡沫混凝土中的鈣礬石未全部參與化學(xué)反應(yīng)；⑤Ca3SiO5和Ca2SiO4的衍射峰亦存在于圖譜中，二者是水泥熟料的組成成分，可知在泡沫混凝土試樣中仍含有水泥熟料C2S 和C3S 的顆粒未完全水化。

隨著再生磚粉漿體取代率的提高，SiO2衍射峰值逐漸變大，因?yàn)樵偕u粉自身含有大量的SiO2，隨著磚粉使用量的增加，圖譜中Ca（OH）2的峰形變得尖銳，峰值降低，但對(duì)稱性提高，原因是隨著再生磚粉漿體取代率的提高，再生磚粉泡沫混凝土的水泥含量在膠凝體系中逐漸降低，而再生磚粉在試驗(yàn)中的化學(xué)反應(yīng)無(wú)Ca（OH）2生成；另一個(gè)原因是水泥水化后的產(chǎn)物Ca（OH）2與再生磚粉中大量活性成分如SiO2等再次發(fā)生水化反應(yīng)，Ca（OH）2被消耗，從而在最終產(chǎn)物中含量有所降低。另外Ca（OH）2晶體層間聯(lián)結(jié)力較弱，是典型的層狀晶體，因此試件Ca（OH）2含量高的部位成為裂縫產(chǎn)生的源頭，嚴(yán)重影響水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由于再生磚粉中活性物質(zhì)可以消耗Ca（OH）2，泡沫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)因此變得更加致密。隨著再生磚粉加入，Ca2SiO4和Ca3SiO5峰形消失，表明再生磚粉的加入使水泥水化反應(yīng)更加完全。

（2）微觀形貌

圖7 為水灰比為0.4，漿體取代率分別為0、4%、8%和12%時(shí)，再生磚粉泡沫混凝土微觀形貌圖。

由圖7（a）可知：樣品中存在少量C—S—H 凝膠，呈現(xiàn)出針棒狀，大量的氫氧化鈣晶體呈現(xiàn)出片狀，并且泡沫混凝土的反應(yīng)產(chǎn)物之間的空隙較大，結(jié)構(gòu)松散；圖7（b）與圖7（a）相比，也存在著一些孔隙，可以觀察到空隙處有鈣礬石晶體存在，針狀的C—S—H凝膠附著在未完全水化的顆粒上，大量的氫氧化鈣晶體層疊在一起，也可見(jiàn)水化產(chǎn)物之間存在大量孔隙，可知其間并沒(méi)有緊密相接；圖7（c）中可見(jiàn)膠凝材料的空隙中和未完全水化的顆粒表面，存在大量水化產(chǎn)物，膠凝材料顆粒之間連接緊密，且少許膠凝材料的顆粒較為清晰；圖7（d）與圖7（a）、（b）、（c）對(duì)比可知，試件的整體結(jié)構(gòu)最為密實(shí)，水化產(chǎn)物較為豐富，并且水化產(chǎn)物之間堆積最為緊密。

總體來(lái)說(shuō)，隨著再生磚粉漿體取代率的提高，泡沫混凝土孔壁結(jié)構(gòu)的密實(shí)度有提高的趨勢(shì)，泡沫混凝土水化產(chǎn)物的分布、層疊、附著、連接呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，形成致密的微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使氣壁結(jié)構(gòu)與氣孔結(jié)構(gòu)相連接，對(duì)微觀孔隙起到一定的支撐作用。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)泡沫混凝土的強(qiáng)度一般較低，為了提高傳統(tǒng)泡沫混凝土的強(qiáng)度，擴(kuò)大泡沫混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域，本文基于漿體取代法，從宏觀的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，研究再生磚粉漿體取代率對(duì)再生磚粉泡沫混凝土力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）摻入再生磚粉能提高泡沫混凝土的力學(xué)性能。當(dāng)試件的水灰比相同時(shí)，隨著再生磚粉漿體取代率的提高，抗壓強(qiáng)度有提高的趨勢(shì)。當(dāng)水灰比為0.40，漿體取代率為12%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到3.21 MPa。

（2）摻入再生磚粉能改變泡沫混凝土的水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)試件的水灰比相同時(shí)，隨著漿體取代率的提高，再生磚粉的火山灰活性得到更好的發(fā)揮，導(dǎo)致反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物增多，從而消耗部分Ca（OH）2，進(jìn)而提高了結(jié)構(gòu)的受力性能；從微觀結(jié)構(gòu)角度分析，隨著漿體取代率的提高，試件的水化產(chǎn)物更多、微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，原因是產(chǎn)生了微集料效應(yīng)，使水泥的水化反應(yīng)進(jìn)行得更加徹底，試件的微小孔隙得到再生磚粉的填充，使試件的抗壓強(qiáng)度相應(yīng)提高。