建筑垃圾复合粉体材料对混凝土抗冻性能的影响

建筑垃圾复合粉体材料对混凝土抗冻性能的影响

叶海华

天津开发区建设工程试验中心天津市300457

摘要：现如今，建筑垃圾堆积如山，不仅占用大量土地、污染环境，而且是资源的一种极大浪费。如何科学、合理、高效地对建筑垃圾进行再生利用，已成为国内外政府及相关科研工作者重点关注的研究课题之一。我国建筑垃圾废砖约占建筑垃圾总量的40%，已有研究将建筑垃圾废砖用做再生砂、再生骨料、生产再生水泥和再生砖等。然而，由于建筑垃圾废砖本身存在裂缝、强度较低、吸水率较大，品质较差，其作为再生骨料、再生砂和生产水泥并未得到广泛应用，导致其再生利用率极低。总体来说，我国建筑垃圾废砖资源化再生利用仍处于管理无序、技术简单、再生利用率极低的初级状态，因此，探寻合理、高效的建筑垃圾废砖再生利用新方法、新技术和新政策是亟待解决的问题。

关键词：建筑垃圾；复核材料；混凝土；抗冻性能；影响；分析

引言

建筑垃圾是指在建（构）筑物新建与拆除、混凝土生产、道路工程建设与翻修等过程中产生的固体废弃物，建筑垃圾废砖块约占建筑垃圾总量的40%，随着我国城市改造及城镇化的快速发展，如何实现建筑垃圾废砖块的资源化、无害化和减量化是亟待解决的问题，其再生利用已成为全球性研究课题。

1.原材料及试验方案

1.1试验原材料

水泥采用秦岭牌42.5级普通硅酸盐水泥，表观密度为3.112g/cm3；粗集料为兴平石料厂破碎碎石；细集料为普通河砂，细度模数为2.48；水为普通饮用水。原材料各项性能均满足标准要求。建筑垃圾复合粉体材料由25%砖粉、50%矿渣、25%粉煤灰和改性剂复合而成，矿渣及粉煤灰均符合相关要求；建筑垃圾砖粉是用经挑拣、筛选过的，水泥砂浆、水泥石粉末等含量很少的废砖块磨细而成的，要求比表面积大于300m2/kg，密度为2-3g/cm3，烧失量小于5%，粒度为５～１６μｍ，活性指数大于60％，含水量小于1.0％。本文用建筑垃圾砖粉比表面积为450ｍ２／ｋｇ。

建筑垃圾复合粉体材料各组成成分之间可以达到优势互补，产生一定的超叠加效应，如矿渣早期强度较高，粉煤灰后期强度增长较快，在激发剂的作用下建筑垃圾砖粉活性也有所提高。而少量的游离CaO可与水发生反应，生成对由活性硅、铝溶出形成的硅酸钙及铝酸钙凝胶有益的碱性激发剂Ca(OH)2。此外，废砖的粉磨能耗仅为水泥熟料的5％，不需要二次加热。因此，用建筑垃圾复合粉体材料替代部分水泥用于混凝土中具有一定的可行性，且能够降低原材料的能源消耗。

1.2试验方案

C30混凝土配合比设计应以提高混凝土外观质量、工作性、力学性能和耐久性为原则。水灰比Ｒ、建筑垃圾复合粉体材料掺量ｗ和砂率Ｓｂ是影响混凝土各项性能的主要因素，本研究选定该３因素设计３水平进行正交试验。通过正交试验，确定掺建筑垃圾复合粉体材料C30混凝土的适宜配合比，并在此配合比基础上，变换ｗ，进行混凝土抗渗试验。抗渗试验采用快速氯离子迁移系数法（ｒａｐｉｄｃｈｌｏｒｉｄｅｍｉｇｒａｔｉｏｎ，ＲＣＭ），试件龄期为28d。

2.微观机理研究

2.1ＤＳＣ－ＴＧ

同步热分析采用美国ＴＡ公司生产的Ｑ１０００ＤＳＣ＋ＴＧ实验仪对基准及掺30％建筑垃圾复合粉体材料的水泥净浆进行了ＤＳＣ－ＴＧ同步热分析，温度范围从室温到900℃，升温速率为10℃／min，实验龄期为60d。

由ＤＳＣ曲线可知，特征峰的位置主要在100℃、430℃及680℃左右，分别对应水泥水化产物脱去游离水、Ｃａ－（ＯＨ）２脱水及CaCO3分解释放CO2的过程。掺30％建筑垃圾复合粉体材料的水泥净浆Ca(OH)2脱水吸热峰的峰温、起点温度、峰高及峰面积均低于基准试件，说明建筑垃圾复合粉体材料的掺入降低了Ca(OH)2含量。由ＴＧ曲线可知，试样在50～300℃范围内主要是游离水及水泥水化产物失去凝胶水的过程，此温度范围内掺建筑垃圾复合粉体材料的试样质量损失略高于基准试样，但相差不大。400～500℃范围内质量损失主要是Ca(OH)2脱水，此温度范围内掺30％建筑垃圾复合粉体材料的试件质量损失较基准试件降低了14.3％，说明建筑垃圾复合粉体材料的二次水化反应改善了水泥水化产物组成，并降低了Ca(OH)2含量，与ＤＳＣ曲线分析结果相同。

2.2扫描电镜结果分析

利用ＨｉｔａｃｈｉＳ－４８００场发射扫描电镜观察28d龄期混凝土试件的微观形貌，对C30基准混凝土（C30－０％）及掺30％建筑垃圾复合粉体材料的C30混凝土（C30－30％）的观测结果。C30－30％与C30－０％的微观形貌有较大差异。C30－０％混凝土中水化产物多为不连续的针状及纤维状Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶、钙矾石和颗粒较为粗大的层状Ca(OH)2晶体，分布较为零乱，并未形成网状结构，且Ca-(OH)2周围存在微裂缝，混凝土内部结构较为松散。相比之下，C30－30％混凝土水化产物有成簇的倾向且结构较为致密，纤维状Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶及层状Ca(OH)2含量明显减少，各水化产物形貌不易辨认，相互交错形成网络结构且内部微裂缝明显减少。观察到部分未水化的建筑垃圾复合粉体材料颗粒，其填充在水泥与集料之间，可提高混凝土的密实度，对提高混凝土后期强度及耐久性非常有利。

2.3压汞实验结果分析

整体来说，建筑垃圾复合粉体材料能够从以下几方面改善混凝土强度及抗冻性能：一是增加了对混凝土抗冻性及其他耐久性能有利的小于50nm孔径，并减少了对抗冻性不利的大于100nm的孔径。这是因为一般情况下孔径越小，混凝土内部水冰点及成冰率越低，从而减小了因结冰膨胀而引起的混凝土破坏。另外，当孔径较小时，混凝土内部孔的连通性减小，因而减小了毛细孔中静水压力，并且在结冰过程中，还可以阻止或抑制水泥浆体中微小冰体的形成。二是建筑垃圾复合粉体材料的掺入细化了混凝土内部孔结构，将原来的大孔分割为较为细小且不连通的小孔，阻断自由水渗透通道，使得混凝土内部湿度扩散率及潮湿密度减小，因而减少了可冻水含量，降低了混凝土冻融破坏的机率。此外，混凝土冻融破坏是因孔隙水结冰时膨胀而产生的破坏，混凝土中孔分布越均匀，能够承受的水膨胀压力越大，分布不均匀时则容易出现应力集中，从而导致混凝土破坏。

总结

总而言之，首先建筑垃圾复合粉体材料在保证混凝土各项性能的前提下，可节约水泥、降低能源消耗和保护环境，是一种经济、技术可行的新材料。其次建筑垃圾复合粉体材料的掺入降低了C30混凝土的早期抗压强度，但其后期强度增长较快；当建筑垃圾复合粉体材料掺量小于40%时，混凝土28d抗压强度及抗弯拉强度均高于基准试件。随建筑垃圾复合粉体材料掺量的增加，其火山灰效应对混凝土强度贡献越大；掺量为20%和30%时，18d２活性指数均大于1。

参考文献

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