薛翠真,朱翔琛,乔宏霞

(1.公路建设与养护技术,材料及装备交通运输行业研发中心(甘肃路桥建设集团有限公司),甘肃 兰州 730030;2.兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050)

1 引 言

建筑物的拆除会产生大量建筑垃圾,其主要组成为废砖与废混凝土块。建筑垃圾年产量巨大,但其再生利用率却不足5%,大量建筑垃圾堆积会占用大量土地,并污染环境。建筑垃圾可进行再利用[1-2]。近年来,国内外学者关于废混凝土再利用的研究较为系统,其再利用率较高[3-4]。以往关于废砖的研究主要集中在其作为再生骨料的应用,或砖粉掺量对水泥基材料性能的影响[5]。如Issam Aalil等[2]研究表明,砖粉的掺入可产生一定的火山灰效应,提高试件抗压强度。课题组研究结果表明[6],建筑垃圾砖粉具有作为矿物掺合料的潜力,但活性较小,需采用物理或化学方法对其活性进一步激发。总之,现阶段废砖再生利用率极低,且大部分为填筑路基等低值利用[7]。如何提高废砖的高效、高值再生利用率是现阶段急需解决的问题。

国内外学者研究结果表明[8-10],砖粉的主要化学组成为SiO2、CaO、Al2O3等氧化物,与粉煤灰、矿粉等矿物掺合料的化学组成相似,但组成比例有所不同,理论上具有作为混凝土掺合料的潜质,然而现阶段关于砖粉用作矿物掺合料替代部分水泥的再生利用率较低。这是由于砖粉本身活性低、组成波动大。与研究和应用较为成熟的矿粉、粉煤灰等材料相比,关于砖粉的研究还缺乏更深入的理论研究及理论创新,还不够系统和完整,其高效率的利用技术尚未成熟。此外,矿物掺合料活性的发挥,不仅与其化学活性有关,还与其颗粒特征紧密相关[11]。现阶段一般采用比表面积来表征矿物掺合料的细度,但这一指标无法精确描述粉体材料的颗粒分布特征。在一定细度范围内,比表面积一致的粉体材料,其颗粒形貌及分布也会有较大的差别,导致材料宏观性能的差异[12]。目前关于砖粉颗粒特征尤其是关于粒度分布在微观结构上对水泥基材料性能影响的研究还较少。

已有研究表明辅助胶凝材料细度的增加,可提高其活性与替代水泥的掺量[13]。但是粉体材料细度究竟达到何种程度、砖粉颗粒含量范围对水泥基性能的影响具体规律等还尚需进一步明确。灰关联理论可用于小样本分析评价系统中的显著影响因素[14]。同时灰熵分析方法可以克服灰关联方法存在的局部点关联倾向和信息损失的缺点,可更加有效地区分系统中显著因素。

本研究在测试分析砖粉基本性质、颗粒特征和掺砖粉砂浆强度性能的基础上,采用灰熵分析方法,分析砖粉颗粒特征对砂浆强度影响的显著性,明确砖粉颗粒特征与砂浆强度的相关性。研究结论可揭示砖粉颗粒特征对砂浆强度影响的显著性,进而可对砖粉颗粒分布进行合理控制,以期达到理想的活化效果,为砖粉的推广应用及其水泥基材料性能的提升提供一定的理论与技术支持。

2 原材料及试验方案

2.1 原材料

水泥:PO 42.5级普通硅酸盐水泥;细集料:细度模数为2.46的河砂;硅灰:SiO2含量＞90%,比表面积525 m2/kg;砖粉:由实验室小规模加工而成,其制备过程为原材料获取,破碎,筛分,粉磨及筛分,最终得到两种不同细度的砖粉。

采用ZSX PrimusⅡX 荧光衍射分析仪(XRF)和D8ADVANCE型全自动X 射线分析仪(XRD)测试水泥和砖粉的化学组成及矿物组成,结果见表1和图1。图2为水泥和较细砖粉的扫描电镜(SEM)图像。

表1 水泥和砖粉化学组成Table 1 Chemical compositions of cement and brick powder wt%

由表1可知,砖粉的化学组成与其他矿物掺合料相似,主要为CaO、SiO2和Al2O3。与水泥的化学组成相比,砖粉的CaO 含量较低,SiO2和Al2O3含量较高,Fe2O3含量相差不大。由图1可知,水泥的主要矿物组成为硅酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙等熟料矿物及一定含量的CaCO3;砖粉的矿物组成主要为石英、刚玉、赤铁矿以及少量的游离CaO。

图1 水泥及砖粉XRD图谱 (a)水泥;(b)砖粉Fig.1 XRD patterns of cement and brick powder (a)cement;(b)brick powder

由图2可知,水泥和砖粉的微观形貌有较大差异。水泥颗粒形貌较为粗糙,棱角分明,且颗粒大小分布不均匀,主要以不规则的大颗粒为主,表面附着少量较细的颗粒。与水泥颗粒相比,较细砖粉具有良好的颗粒级配且棱角性降低,粗细颗粒均有一定的分布,总体颗粒较细,介于几个微米与二十微米之间。级配良好的砖粉颗粒理论上具有较好的填充和形态效应,可填充于水泥颗粒中间,互相填充形成更优的级配。

图2 水泥及砖粉SEM 图像 (a)水泥;(b)砖粉Fig.2 SEM images of cement and brick powder (a)cement; (b)brick powder

2.2 试验方案

采用Mastersizer 2000激光衍射粒度分析仪测试水泥与不同细度砖粉的颗粒特征。然后分析不同细度砖粉、砖粉-硅灰复掺对水泥砂浆7 d、28 d强度的影响规律,并与基准试件(JZ)对比分析,见表2。

表2 砂浆强度试验方案Table 2 Strength test scheme of cement mortar

3 粉体材料颗粒特征

水泥、硅灰与砖粉颗粒参数试验结果见表3。由表可知,各粉体材料比表面积大小排序为:硅灰＞砖粉-细＞水泥＞砖粉-粗,面积平均粒径和体积平均粒径的大小顺序与比表面积的顺序相反。比表面积越大,对应的d(10)、d(50)、d(90)越小。

表3 水泥、砖粉、硅灰颗粒参数试验结果Table 3 Particle parameters of cement,brick powder and silica fume

虽然颗粒参数可在一定程度上表征粉体材料的粗细程度,但是粉体对水泥基材料性能的影响还与内部颗粒分布紧密相关。表4为粉体材料颗粒分布试验结果。

表4 水泥、砖粉、硅灰颗粒分布试验结果Table 4 Particle size distribution of cement,brick powder and silica fume %

由表4 可知,硅灰和较细的砖粉颗粒分布中＜20μm 的颗粒较多,＞40μm 的颗粒较少。与水泥颗粒相比,硅灰与较细砖粉中＜10μm 的颗粒分别增多了180.4%和141.1%,＞40μm 的颗粒分别降低了50.2%和40.8%。结合表3可知,硅灰和较细砖粉比表面积的增大和平均粒径的减小是由于＜20μm 颗粒含量的增加和＞40μm 颗粒含量的降低导致的。

4 砂浆强度试验结果分析

掺砖粉砂浆强度试验结果见图3。

图3 掺砖粉砂浆强度试验结果 (a) 抗压强度;(b) 抗折强度Fig.3 Strength test results of mortar with brick powder: (a)compressive strength; (b)flexural strength

从图可见,砖粉的掺入降低了砂浆的早期强度(除掺10%砖粉砂浆7 d抗折强度有小幅度提高外,提高了4.2%),随砖粉掺量的增加砂浆强度逐渐降低。当砖粉掺量为30%时,砂浆7 d抗压强度和抗折强度较未掺砖粉试件分别降低了26.5%和19.4%。这是由于砖粉早期活性较低,由砖粉密实填充产生的有利作用弱于由水泥含量降低而导致的内部水化产物含量降低而产生的不利作用。

当砖粉掺量分别为10%和20%时,砂浆28 d抗压和抗折强度均有不同程度地提升。当砖粉替代10%水泥,砂浆28 d抗压和抗折强度较未掺砖粉试件分别提高了6.3%和17.3%。这是由于砖粉合理的级配和颗粒形貌可改善胶凝材料密实程度,使胶凝材料颗粒间形成紧密堆积结构,起到分散(可减水,且使均质)和致密作用。另外,砖粉中的活性物质可发生次第水化反应,改善砂浆内部水化产物组成。砖粉的掺入可促进水泥的水化,并发生次第水化反应,进而改善砖粉-水泥胶凝体系结构,表现为砂浆28 d强度的提高。

砖粉的掺入对砂浆抗折强度的有利影响大于抗压强度,这是由于抗折强度受水泥-砂过渡区结构影响较大。当砖粉替代水泥量较低时,较细砖粉的密实填充效应可提高界面过渡区密实度;此外,砖粉具有一定的吸水性,可降低砂浆内泌水现象,改善水泥浆体与砂子间界面过渡区结构,宏观上表现为抗折强度的提高。

对比Z20-1与Z20-2砂浆强度试验结果可知,较细砖粉砂浆强度高于较粗砖粉砂浆强度。与Z20-1相比,Z20-2 试件28 d 抗压和抗折强度分别降低了14.1%和16.7%。这是由于砖粉颗粒越细,其填充效应、微集料效应以及二次水化反应发挥的效率越高。因此,基于掺砖粉砂浆强度试验结果,并最大限度地高值利用建筑垃圾废砖,推荐砖粉掺量以10%～20%为宜。

图4为掺砖粉-硅灰砂浆强度试验结果。从图可见,砖粉-硅灰复掺可显著提高砂浆强度。当硅灰与砖粉比例为5∶5时,与未掺砖粉试件相比,砂浆28 d抗压和抗折强度分别提高了17.6%和12.0%。这是由于较细的硅灰可进一步填充砖粉-水泥颗粒孔隙,形成比砖粉-水泥胶凝材料颗粒体系更为合理的微级配结构,提高胶凝材料的密实度。此外,硅灰的活性较高,硅灰、水泥、砖粉可次第发生水化,弥补砖粉活性不足的缺点,进而提高砂浆的强度。综上,砖粉具有一定的活性,但其活性较低替代水泥的用量较少,为提高其替代水泥量,下一步应对其进行活性激发处理。

图4 砖粉-硅灰复掺砂浆强度试验结果 (a) 抗压强度;(b) 抗折强度Fig.4 Strength test results of mortar with brick powder and silica fume (a)compressive strength;(b)flexural strength

5 砖粉粒度分布与砂浆强度灰熵分析

以砖粉掺量为20%,砂浆7 d、28 d的抗压和抗折强度活性指数(掺砖粉试件强度除以基准试件强度的百分比)为母序列,以不同细度砖粉的颗粒参数和颗粒分布参数为子序列进行灰熵分析,探求不同颗粒参数及粒径分布对胶凝材料活性影响的显著性。表5为砂浆强度活性指数与砖粉颗粒参数灰熵分析的结果。

表5 砂浆强度活性指数与砖粉颗粒参数灰熵值Table 5 Grey entropy of strength activity index and the particle parameters of brick powder

由表5可知,颗粒参数对掺砖粉砂浆强度的活性指数有显著影响。砖粉各颗粒参数对砂浆7 d、28 d抗压强度活性指数和28 d抗折活性指数影响规律相同,其显著性次序分别为:比表面积＞面积平均粒径＞体积平均粒径＞d(10)＞d(90)＞d(50)。颗粒参数对掺砖粉砂浆7 d抗折强度活性指数影响的显著性次序与上述有所不同,依次为:体积平均粒径＞面积平均粒径＞比表面积＞d(10)＞d(90)＞d(50)。

综上,砖粉颗粒的比表面积和平均粒径对试件强度的影响最为显著,是评价砖粉颗粒参数的综合指标。砖粉比表面积越大,可增大材料水化的反应面积的同时加强颗粒之间的黏结咬合力,使不同粉体材料颗粒之间形成最紧密堆积结构。宏观上表现为力学性能的提高,与前述砖粉越细砂浆强度越高相吻合。粒度累积分布(d(10)、d(90)、d(50))对砖粉活性的影响较小,尤其是d(50)对砖粉活性的影响显著性最小,这是由于砖粉对砂浆强度的影响还与其颗粒分布有很大的关系。表6为砂浆强度活性指数与砖粉颗粒分布的灰熵分析结果。

表6 砂浆强度活性指数与砖粉颗粒分布灰熵值Table 6 Grey entropy of strength activity index and the particle distribution of brick powder

由表可知,砂浆强度活性指数与砖粉颗粒分布的灰熵值具有有序性。砂浆抗压和抗折强度活性指数与砖粉颗粒分布的灰熵值大小顺序相同,＜40μm 的砖粉颗粒对砂浆强度活性指数的影响较为显著,其中＜10μm 颗粒的含量与砂浆活性的关联度最大,表明该粒径范围内的颗粒对掺砖粉砂浆强度活性指数的影响最为显著。综上可知,适当地增加＜20μm(特别是＜10μm),减少＞40μm 的颗粒含量对于提高掺砖粉砂浆的强度活性指数有益。

6 结 论

1.砖粉的掺入降低了砂浆试件的早期强度;当砖粉掺量＜20%时,掺砖粉砂浆28 d强度有所提升。综合考虑砂浆力学性能并提高砖粉利用率,推荐砖粉掺量在10%～20%范围内。

2.砖粉-硅灰双掺可提高砂浆强度。随总替代量的增大,试件强度增长幅度逐渐降低。

3.砖粉颗粒参数和颗粒分布参数均显著影响砂浆的强度。其中比表面积及平均粒径对掺砖粉砂浆强度的影响最为显著;＜20μm(特别是＜10μm)的砖粉颗粒含量的增加,可显著提高砂浆的强度。