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1 前 言

建筑物拆除过程中产生的废砖，年产量高达5200万吨。随着我国城镇化的进一步发展，废砖产量逐年增加，而其再生利用率仅为5%，且主要用于填筑路基。大量废砖的堆积不仅占用土地、污染环境，而且是资源的一种浪费，因此其再生利用成为一项需要迫切解决的问题[1]。另一方面，随着我国基础设施建设的大力开展，水泥原材料日趋枯竭，对各种固体废弃物进行有效利用并作为矿物掺合料的研究受到较多关注。为提高废砖再生利用价值，有学者尝试将废砖用作再生骨料，但由于吸水率大、强度低等原因其再生效果不佳[2]。研究表明[3]，废砖化学成分及矿物组成与水泥熟料相似，将其磨细成粉后具有潜在活性，但活性较小，限制了其作为矿物掺合料的再生利用。将砖粉用作矿物掺合料的研究尚不成熟，未见对砖粉活性激发及其掺砖粉砂浆强度定量关系的研究。若通过一定的技术途径对砖粉进行活性激发，并替代部分水泥用作混凝土掺合料，将是废砖的一种高效利用方式。为此，本文采用复合激发方法对砖粉进行活性激发，首先将建筑垃圾废砖进行筛检、破碎并磨细至比表面积为415m2/kg，然后通过砂浆力学及收缩性能，确定CWCPM的组成为砖粉∶粉煤灰∶矿粉=25%∶25%∶50%。分析水灰比、CWCPM掺量及龄期对砂浆强度的影响规律及其微观影响机理；借助多元回归分析理论建立砂浆强度与水灰比、CWCPM掺量和龄期之间的定量关系模型，为废砖活性激发及其再生利用提供一定的借鉴作用。

2 原材料及试验方案设计

2.1 原材料

水泥：42.5级秦岭普通硅酸盐水泥，表观密度及比表面积分别为3.112g/cm3、365m2/kg；细集料：细度模数为2.48的普通河砂。试验用砖粉由使用近30年建筑物拆除垃圾经挑拣、破碎、磨细而得，化学组成及物理指标见表1、表2。

表1 砖粉、CWCPM化学组成Table 1 Chemical composition of brick powder and CWCPM /Wt%

表2 砖粉、CWCPM物理性质Table 2 Physical property of brick powder and CWCPM

复合激发可充分发挥不同粉体材料之间的“叠加效应”，提高粉体材料的综合性能[4,5]。矿粉具有较好的早期强度，粉煤灰具有较好的减水效应和后期强度，因此选用在混凝土工程中应用、研究较为成熟的粉煤灰及矿粉与砖粉复合，并添加少量碱激发剂以提高砖粉活性，形成建筑垃圾复合粉体材料(CWCPM)，减少了单纯依靠碱激发而引起的副作用。砖粉、矿粉、粉煤灰的比例通过课题组前期试验确定为2∶2∶1，CWCPM化学成分及物理指标见表1和表2。

由表1可知，砖粉的主要化学成分及矿物组成与水泥相似。主要化学成分为SiO2、Al2O3及CaO，约占总量的79.4%。化学滴定法对砖粉中活性物质测试表明：其活性SiO2、Al2O3含量分别为11.80%、6.78%；砖粉砂浆强度试验表明，当掺量为40%时，28d抗压活性指数为61.3%，说明砖粉具有一定的活性，具有作为矿物掺合料的潜力，但活性较小。此外，砖粉的粉磨能耗仅为水泥熟料的5%。因此，砖粉是一种潜在的、经济的、环保型矿物掺合料。

2.2 试验方案设计

固定CWCPM掺量为30%，研究水灰比(0.45、0.49、0.52，编号分别为A1、A2、A3)对砂浆强度的影响规律；固定水灰比为0.45，研究CWCPM掺量(0%、20%、40%，编号分别为A4、A5、A6)对砂浆强度的影响规律，测试龄期为3d、7d、28d和90d。所有灰砂配合比均为1∶3，砂浆的流动度控制在20±2cm，当流动度不满足要求时，通过用水量调整至规定范围。试验参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E30-2005进行。

采用Hitachi S-4800场发射扫描电镜(SEM)对砖粉及CWCPM的微观形貌进行分析；采用Q1000DSC-TG试验仪对基准及掺30%CWCPM的净浆试件水化产物进行分析，试验温度为25～900℃，升温速率10℃/min。DSC-TG净浆试样水灰比为0.5，标准养护至60d。将养护至规定龄期的水泥净浆试样敲碎，取试件中心部分进行粉碎并研磨至通过80μm筛，浸入无水乙醇中停止水化，并在60℃下烘干至恒重备用。

3 结果分析与讨论

3.1 强度试验结果分析

不同方案砂浆试件抗压及抗折强度测试结果如图1和图2所示。

图1 不同方案砂浆的抗压强度Fig.1 Compressive strength of mortar

图2 不同方案砂浆的抗折强度Fig.2 Flexural strength of mortar

由图1和图2可知，不同方案砂浆的强度有基本相同的变化规律，随龄期的增长及水灰比的减小，强度逐渐增加。对比A4、A5、A1、A6试验结果可知，随着CWCPM掺量的增加，试件抗压强度先增大后减小，在掺量为30%处取得最大值，抗折强度逐渐减小。掺CWCPM的3d、7d、28d强度均低于基准试件(A4)；90d龄期时，当掺量≤30%时，试件的强度均高于基准试件。综合考虑砂浆强度，并最大限度地利用CWCPM，CWCPM掺量以20%～30%为宜。

CWCPM降低了试件的早期强度，这是由于水化早期CWCPM中的粉煤灰及砖粉活性较低，基本不参与水化，主要起填充作用，导致体系内部水化产物含量的降低。当掺量≤30%时，90d强度优于基准试件，掺量为40%时，试件强度降低较多。分析原因可知，CWCPM复杂的颗粒形貌和合理的比表面积一方面可改善胶凝材料的二次级配，提高试件密实度；另一方面CWCPM中的活性物质在水泥水化产物Ca(OH)2及碱激发剂的作用下发生二次水化反应，生成性能较优的水化产物，提高了试件后期强度。而当掺量为40%时，上述两方面的作用并不能弥补由于水泥含量的降低而导致强度的降低。

3.2 SEM观察及分析

图3 砖粉的扫描电镜照片Fig.3 SEM of the brick powder

图4 CWCPM的扫描电镜照片Fig.4 SEM of the CWCPM

砖粉及CWCPM的微观颗粒形貌如图3、4所示。矿物掺合料的物理效应是影响其活性的重要因素[6]，主要取决于其颗粒大小及形态。由图3，4可知，砖粉与CWCPM微观形貌有较大的差别：砖粉颗粒形貌以不规则结晶体为主、棱角分明、微珠含量较少，且粗细颗粒两极分化，替代部分水泥后易形成多孔结构，降低试件的强度。CWCPM各粉体材料比表面积大小不一，相互填充形成良好的级配，颗粒尺寸介于几个微米与二十微米之间，大颗粒含量较少并含有一定数量的细小微珠。细小微珠有利于水分的均匀分散，大小颗粒可形成紧密结构，提高体系内部密实度，减少毛细孔数量，有效减缓试件内部裂纹及早期干缩变形，从而提高试件各项性能[7]。

3.3 热分析

图5、6分别为基准与掺30%CWCPM净浆试件的DSC-TG曲线。

图5 基准试件的DSC-TG曲线(基准试件指纯水泥净浆，不含CWCPM的浆体)Fig.5 DSC-TG of benchmark specimen

图6 掺30%CWCPM试件的DSC-TG曲线Fig.6 DSC-TG of specimen with 30% CWCPM

由图6可知，掺CWCPM试件的DSC-TG曲线形式与基准试件相同，均在100℃、430℃和680℃附近出现吸热峰并伴随质量损失。20～300℃范围内的质量损失对应水泥水化产物脱水，基准、掺30%CWCPM试件质量损失分别为15.05%、15.07%，相差不大；300～500℃范围内质量损失对应Ca(OH)2脱水，分别为4.803%、4.117%，掺CWCPM试样质量损失较基准试件降低14.3%。以上测试结果说明CWCPM的掺入并未生成新的水化产物，但降低了结晶粗大、取向性较强的Ca(OH)2含量，生成低碱度C-S-H凝胶。Ca(OH)2含量的降低可打破水泥浆体的化学平衡，促进水泥进一步水化，低碱度C-S-H凝胶可与其他离子聚合，强度较高、性质较为稳定[7]，宏观上表现为掺CWCPM试件后期砂浆强度的提高。

4 灰色关联分析及模型的建立

灰色关联分析理论在于寻求系统中各影响因素之间的主要关系，并分析和确定子序列对母序列贡献程度，进而提取系统主要影响因素的一种方法[8-9]。以3d、28d和90d砂浆的抗压(Y1，Y2，Y3)、抗折强度(Y4，Y5，Y6)为母序列，以水灰比(X1)、CWCPM掺量(X2)为子序列，进行灰关联分析，关联度与关联极性的计算步骤参考文献[9]，计算结果见表3。

表3 砂浆强度与水灰比、CWCPM掺量的灰色关联度Table 3 Grey correlation between mortar strength and W/C、dosage of CWCPM

由表3可知，子序列的关联度具有有序性，说明水灰比和CWCPM掺量对砂浆强度的贡献不同。从各列求和来看，对于抗压强度而言，CWCPM掺量为准优因素，水灰比为抗折强度的准优因素。除90d抗折强度外，关联极性均为负值，说明随着水灰比和CWCPM掺量的增加，砂浆强度逐渐减小，与上述宏观试验分析结果相吻合。综合上述分析可知，水灰比与CWCPM掺量是影响砂浆强度的重要因素，在配合比设计时，均应有所考虑。

CWCPM的掺入改变了砂浆强度的形成机制及微观结构特征，以往砂浆强度模型不能准确地预测掺CWCPM的砂浆强度，因此需要建立新的模型来预测水泥-CWCPM复合浆体的力学性能。由前述试验结果可知，试件抗压强度与水灰比呈线性关系，与CWCPM掺量、龄期呈二次多项式的变化规律。基于此以砂浆抗压强度y为因变量，以水灰比(W/C)、CWCPM掺量(w)和龄期(d)为自变量，采用多元回归分析方法，借助origin数据分析软件建立多元回归预测模型如式(1)[10]。其中相关系数为0.95302，方差回归分析结果见表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(5,18)=94.31>F(α=0.05)=5.83，显著性概率2.88×10-12<0.05，认为砂浆抗压强度与水灰比、CWCP掺量和龄期之间存在显著的定量关系。

5 结 论

1.CWCPM的掺入降低了砂浆试件的早期强度，当掺量≤30%时，28d砂浆强度与基准试件相差不大，90d强度大于基准试件；

2.除90d抗折强度外，水灰比与CWCPM掺量的关联极性均为负值，这说明随着水灰比和CWCPM掺量的增加，砂浆强度逐渐减小；

3.基于多元线性回归理论建立的砂浆强度预测模型能很好地反映砂浆抗压强度与水灰比、CWCPM掺量及龄期之间的显著的定量关系。

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