混合型再生砂粉對水泥穩定碎石抗凍和干縮性能的影響

謝祥兵,司馬笑情,張藝林,王凱威,蔣冰洋,劉晨晨,李廣慧

(1.鄭州航空工業管理學院土木建筑學院,鄭州 450046;2.鄭州航空工業管理學院材料學院,鄭州 450046;3.河南水利與環境職業學院,鄭州 450008)

0 引 言

我國目前建筑垃圾存量已超過200億噸,每年產量超35億噸,遠超過生活垃圾,占城市固廢總量的40%,亟須扎實推進建筑垃圾治理和資源化利用[1-2]。水泥穩定碎石基層以原材料來源廣泛、低廉,承載力大等優點,在我國得到廣泛應用,在水泥穩定碎石基層中用再生砂粉替代部分水泥,用再生骨料替代天然碎石,既可有效利用建筑廢棄物,又符合國家綠色發展戰略要求[3-4]。

建筑固廢中的廢棄混凝土粉、廢棄磚粉屬于火山灰質膠凝材料[5],可以替代水泥基材料應用于道路工程的路基路面中。周長順等[6]、田青等[7]對混凝土和再生復合微粉的特性、激發方式、材料性能進行了系統研究;王程[8]、胡魁[9]分別探討了建筑垃圾磚粉、再生混凝土粉在公路半剛性基層中的應用,建筑垃圾磚粉、再生混凝土粉均可有效提高水泥粉煤灰穩定碎石基層的抗彎拉性能。Wu等[10]研究了廢棄回收粗骨料和天然骨料砂漿的微觀和宏觀性能,解釋了砂漿的干縮性能和力學性能。Wang等[11]根據水泥砂漿的力學強度和干縮性能,對早強抗裂材料進行了優化。龔建清等[12]研究了再生復合微粉對混凝土力學性能和微觀結構的影響,結果表明再生復合微粉取代水泥劑量在20%(質量分數)以下時,混凝土的早期強度下降不顯著,且水化初期再生復合微粉僅起到填充作用,而到后期再生復合微粉由于火山灰效應,對道面影響顯著。Wang等[13]將拆除的廢棄混凝土粉碎成適當尺寸的顆粒,以用作新混凝土中的粗骨料或細骨料。再生混凝土(recycled aggregate concrete, RAC)具有低火山灰活性和高孔隙率,可以顯著降低新混凝土的強度和耐久性能。Ye等[14]系統探討了以再生磚粉和再生混凝土粉為原料制備的地聚合物活化過程以及基本性能(如流動性、抗壓強度和耐久性能),特別強調了前驅體、Na2O/SiO2摩爾比、SiO2/Al2O3摩爾比、液固質量比的影響。Ma等[15]利用水化水泥粉(hydrated cement powder, HCP)作為新型膠凝材料中的替代粘結劑,為建筑廢棄物的資源化利用提供了一條新途徑,400～1 000 ℃活化后的含HCP砂漿性能明顯優于未處理的HCP砂漿?；谖⒂^特征、力學性能,建議采用600～800 ℃的活化溫度改善摻入高體積HCP的膠凝材料的性能。Sun等[16]根據水泥穩定碎石材料是一種多相非均質材料,以水泥為結合料,通過加水與被穩定材料共同拌和而形成混合料,骨架密實型混合料由于壓實后粗細骨料的嵌擠強度較高,抗裂性、抗沖刷性高,而被廣泛應用到各等級道路工程中。目前,對于建筑固廢的綜合利用主要集中在單摻再生磚粉或混凝土粉,并對它們的性能進行單獨研究,而現有文獻對再生骨料、再生復合微粉在同一時期的性能研究較少[17-18]。

綜上所述,用建筑固廢部分替代水泥和骨料的方案是可行的,利用正交試驗對混合型再生粗骨料、混合型再生砂粉(再生細骨料、再生復合微粉)進行試驗設計,揭示不同再生砂粉替代率下,混合型再生復合微粉及骨料對室內水泥穩定碎石干縮和抗凍性能的影響,通過掃描電子顯微鏡(SEM)結合能譜分析儀(EDS)探究摻入再生砂粉前后水泥穩定碎石的抗凍、干縮性能以及微觀機理。

1 實 驗

1.1 原材料

以河南省S312省道鄭州境改建工程(鄭汴交界至G107東移段)為背景,其基層設計級配結構為骨架密實型,最大公稱粒徑為26.5 mm,石灰巖集料,其級配曲線如圖1所示,各檔集料質量比為m(20～25 mm)∶m(10～<20 mm)∶m(5～<10 mm)∶m(0～<5 mm)=18∶22∶26∶34。再生砂粉是指建筑固廢經除雜、破碎和篩分等工藝處置獲得的細骨料和微粉的混合料,粒徑不大于4.75 mm。本文所述混合型再生砂粉包括混合型再生復合微粉和混合型再生細集料。水泥穩定碎石的強度和剛度與各組成材料的性能密切相關,在總結國內研究現狀[18-19]的基礎上,研究再生砂粉協同水泥穩定碎石材料技術性能演化規律。本試驗采用洛陽黃河同力水泥有限公司生產的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥,其基本物理性能見表1。

表1 水泥基本物理性能Table 1 Basic physical properties of cement

再生磚及混凝土均選自鄭州航空工業管理學院20世紀50年代建造的實驗工廠在拆除時產生的建筑垃圾,通過人工分揀廢棄混凝土和磚塊,并根據課題組前期研究成果,以建筑廢磚粉和廢混凝土粉、工業粉煤灰為原材料采用球磨法制成混合型再生復合微粉[20],該混合型再生復合微粉平均粒徑為4.693 μm,比表面積為1 260 m2·kg-1。并用Na2SO4溶液作為堿激發劑以促進火山灰材料的硬化和固化過程。在加入堿激發劑后,其堿性成分能夠與再生砂粉發生反應,形成水化產物。同時改善再生砂粉的抗滲透性和抗凍性能,提高其在不同環境條件下的穩定性。具體的制備過程如圖2所示。廢磚粉、廢混凝土粉以及粉煤灰的主要化學成分如表2所示?；旌闲驮偕鷱秃衔⒎畚⒂^形貌如圖3所示,可以明顯觀察到該混合型再生復合微粉的內部孔徑較多,故吸水性較強。

表2 原材料主要化學組成Table 2 Main chemical composition of raw materials

圖2 混合型再生復合微粉制備過程Fig.2 Preparation process of mixed recycled composite micronized powder

圖3 混合型再生復合微粉微觀形貌Fig.3 Micromorphology of mixed recycled composite micronized powder

混合型再生骨料是通過人工分揀建筑垃圾中的廢磚、廢棄混凝土塊,經破碎機破碎后組成的不同粒徑的混合物:混合型再生粗骨料(recycled coarse aggregate, RCA)混合型再生細骨料(recycled fine aggregate, RFA),如圖4所示。

為了研究混合型再生骨料密度和吸水率特性,按照《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)中的網籃法測試粗、細骨料的表觀密度、飽和面干密度、毛體積密度和吸水率,其中室內人工配制混合型再生粗集料、混合型再生細骨料的浸水試驗,如圖5所示,測得結果如表3所示。由測試結果可知,骨料的表觀密度均在2.5 g·cm-3左右,說明再生粗、細骨料均有較好的緊密程度和孔隙度。再生細骨料的含水率與再生粗骨料相比較高,說明再生細骨料含有較多細小孔隙,具有較強的吸水能力。

1.2 配合比

選取混合型再生復合微粉、混合型再生細骨料、混合型再生粗骨料為研究的三個因素,按照再生磚塊、再生混凝土塊質量比3∶2配制成混合型再生粗骨料、混合型再生細骨料;按照磚粉、混凝土粉、粉煤灰質量比3∶2∶5且添加3%(質量分數)的激發劑Na2SO4組成混合型再生復合微粉。正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法,是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗,這些有代表性的點具備了“均勻分散,齊整可比”的特點,正交試驗設計是分式析因設計的主要方法。選擇混合型再生復合微粉摻量(A)、混合型再生細骨料摻量(B)、混合型再生粗骨料摻量(C)三個有關因素進行正交試驗,質量分數均為20%、40%、60%,由此設計三因素三水平正交試驗。9組正交試驗設計方案見表4。

表4 正交試驗設計方案Table 4 Orthogonal experimental design scheme

1.3 試驗方法

在上述正交試驗方案的基礎上,根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)中的試驗方法,采用靜壓試驗法成型中梁試件,試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,采用重型擊實試驗法制作圓柱體試件,試件尺寸為φ100 mm×100 mm,對最大干密度及最佳吸水率等進行測試。本文選取標準水泥穩定碎石混合料作為基準試件,記作JZ。試驗組均按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)中凍融試驗方法評價再生材料的抗凍性能,測試方法是將試件浸水完畢后取出,用濕布擦除表面的水分,將試件置入低溫箱開始凍融試驗。低溫箱的溫度為-18 ℃,凍結時間為16 h,保證試件周圍至少留有20 mm的空隙,以利于冷空氣流通。凍結試驗結束后,取出試件,量高,稱質量,然后立即放入20 ℃的水槽中進行融化,融化時間為8 h。槽中水面應至少高出試件表面20 mm,融化完畢,取出試件擦干后量高,稱質量,該次凍融循環即結束。然后放入低溫箱進行第二次凍融循環,共循環5次。采用《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)中的方法評定上述試件的干縮應變。首先,將養護7 d的試件放置于干燥收縮箱中,試驗條件設定為溫度(20±1) ℃,相對濕度為(60±5)%,利用收縮膨脹儀測定試件在28 d時的收縮量。

將養護至規定齡期的再生復合微粉水泥凈漿試件敲碎,從代表性試件中心取出約1 cm×1 cm×1 cm 小立方體放入無水乙醇中終止水化,經60 ℃干燥備用,測試之前須對試件表面進行噴金處理[21]。利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析樣品微觀結構,利用能譜分析儀觀察界面過渡區的變化[22]。

2 結果與討論

2.1 擊實特性分析

圖6為不同組水泥穩定碎石試件的擊實試驗結果,室內確定出基準組的最佳含水量為4.50%,最大干密度為2.436 g·cm-3。由圖6(a)可知,與基準試件相比,摻入混合型再生復合微粉和再生骨料后,水泥穩定碎石試件最佳含水量增大,這主要是因為再生砂粉具有一定吸水性,且磚塊、廢棄混凝土塊的吸水率均大于天然集料,摻入再生砂粉后增大了水泥穩定碎石混合料的最佳含水率。與其他組試件相比,BZ3試件中混合型再生復合微粉替代水泥摻量為20%,BZ3試件最佳含水量為10.58%,為所有試件中的最大值,較基準組增長135.11%。BZ5試件中混合型再生復合微粉替代水泥摻量由20%增長到40%,細骨料替代量由100%降為40%時,其相對應的最佳含水量增加幅度為66%,兩者共同說明骨料對水泥穩定碎石混合料含水量的影響比混合型再生復合微粉顯著,且粗骨料對最佳含水量的影響大于細骨料[23-24]。

圖6 混合料的最佳含水量和最大干密度Fig.6 Optimum moisture content and maximum dry density of mixture

由圖6(b)可知,與基準試件相比,摻入再生砂粉后水泥穩定碎石混合料試件最大干密度減小,與最佳含水量相比,最大干密度變化幅度不太顯著,最小降低幅度為9.69%。BZ3試件最大干密度為所有試件中最小值,為2.199 g·cm-3,BZ6試件中混合型再生復合微粉替代量由20%增長到40%,粗骨料替代量由100%降低為20%,其相對應的最大干密度增長8.78%,兩者共同說明混合型再生復合微粉可以有效改善水泥穩定碎石混合料的密實度,進而可提高水泥穩定碎石混合料試件的最大干密度[25]。

2.2 抗凍性能評價

抗凍性能試驗條件為標準養護28 d后,凍融循環5次,按照式(1)計算經過5次凍融循環后,再生砂粉協同水泥穩定碎石混合料抗壓強度損失BDR值,正交試驗試件抗凍性能極差、方差分析分別見表5、6,A為混合型再生復合微粉摻量,B為再生細骨料摻量、C為再生粗骨料摻量。查F分布表,可確定出F1-0.01(2,2)=99.0,F1-0.05(2,2)=19.0,F1-0.10(2,2)=9.0,另規定某因素F值大于99.0為高度顯著,F值屬于[19.0,99.0]為顯著,F值小于9.0為非顯著因素。

表5 正交試驗試件養護28 d抗凍性能極差分析Table 5 Extreme analysis of frost resistance of orthogonal test specimens curing for 28 d

經測試基準試件的BDR值為97.18%。

(1)

式中:BDR為經n次凍融循環后試件的抗壓強度損失,%;RDC為n次凍融循環后試件的抗壓強度,MPa;RC為對比試件的抗壓強度,MPa。

由表5可知,所有測試試件的BDR值均小于JZ(基準組)試件,最大降幅11.63%,這是由于混合型再生砂粉表面空隙多,吸水率大,試件內部存有大量的水分,在凍結過程中會產生較大的膨脹應力,進而造成混合料內部結構破壞,在融化過程中其內部水分對其結構強度有一定程度的降低[26-27]。根據極差越大,因素水平改變對試驗結果的影響越大,因此各因素主次順序為C→B→A,抗壓強度損失BDR值越大,說明再生砂粉協同水泥穩定碎石混合料的抗凍性能越強,因此最優方案為C2B1A2。

由表6可知,在影響5次凍融循環后的抗壓強度損失BDR值中,FC=169.465>F1-0.01(2,2)=99.0,FB=164.212>F1-0.01(2,2)=99.0,且FB

表6 正交試驗試件養護28 d抗凍性能方差分析Table 6 Variance analysis of frost resistance of orthogonal test specimens curing for 28 d

2.3 干縮性能評價

干縮性能試驗中試件養護齡期為28 d。描述材料干縮性能的指標主要有失水率、干縮應變、干縮系數、干縮量等。隨著養護齡期的逐漸延長,失水率、干縮應變、干縮系數逐漸趨于穩定,且失水率和干縮應變是計算其他指標的基礎。因此,本文采用干縮應變指標評價干縮性能,計算公式見式(2)～(3)。將養護7 d的試件放置于水泥干燥收縮箱中,試驗條件設定為溫度(20±1) ℃,相對濕度為(60±5)%,利用收縮膨脹儀測定試件在28 d時的收縮量。干縮應變極差、方差分析見表7、8,基準組失水率和干縮應變值分別為1.65%和58.218×10-6。

表7 正交試驗試件養護28 d干縮應變極差分析Table 7 Range analysis of dry shrinkage strain of orthogonal test specimens curing for 28 d

表8 正交試驗試件養護28 d干縮應變方差分析Table 8 Variance analysis of dry shrinkage strain of orthogonal test specimens curing for 28 d

(2)

(3)

式中:l試件原長,mm;xi,j第i次測試時第j個千分表讀數;δi第i次觀測的干縮量;ξi干縮應變。

由表7可知,在9組試件的干縮應變中,編號1和編號4的干縮應變小于基準試件,最大降幅27.82%。其余試件干縮應變大于基準試件,最大增幅69.75%。編號4的干縮應變小于編號1,編號3試件最佳含水量最大。干縮應變的大小與結合料的類型、劑量、被穩定材料的類別、試件含水率等因素密切相關?；旌闲驮偕鷱秃衔⒎劭梢园l揮微集料和填充效應,可以有效提高試件密實度和強度,進而提高試件抵抗收縮變形的能力,而混合型再生細集料由于粒徑較小,吸水率大,對試件抵抗收縮變形的能力不利。干縮應變主要發生在失水階段,這一方面說明減少再生細骨料摻量和增加混合型復合微粉摻量可以改善水泥穩定碎石混合料的干縮性能,另一方面說明混合型再生粗骨料、混合型再生細集料在混合料試件收縮過程中具有明顯耦合作用,適當添加混合型再生細骨料可有效改善水泥穩定類材料的干縮性能[28]。根據極差越大,因素水平改變對試驗結果的影響越大,各因素主次順序為B→C→A。再生砂粉協同水泥穩定碎石混合料的最優方案為B1C2A2。

由表8可知,在28 d干縮應變中,FB=159.947>FC=154.478>F1-0.01(2,2)=99.0,故混合型再生細骨料和混合型再生粗骨料對試驗結果的影響高度顯著,且混合型再生細骨料的影響程度大于混合型再生粗骨料。再生復合微粉FA的值為F1-0.05(2,2)=19.0

2.4 微觀分析

圖7為通過SEM獲得養護90 d的水泥穩定碎石和加入混合型再生復合微粉以后的混合料的微觀形貌。

圖7 混合料微觀形貌Fig.7 Micromorphology of mixture

由圖7(a)可以清晰地看到,界面處存在較多塊狀或者片狀Ca(OH)2,水化產物分布不均勻且連接處存在缺陷,這將導致漿體與骨料之間的黏結力較差,影響水泥穩定碎石路用性能。圖7(b)顯示混合型再生復合微粉的加入使得混合料內部生成大量網狀水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠層及針狀鈣礬石(AFt)晶體,且水化產物連成一片整體,在界面過渡區形成了大量網狀C-S-H凝膠層,有效改善了界面區骨架結構。這主要是由于再生復合微粉中的磚粉、粉煤灰發揮了火山灰效應,而混合型再生粗骨料、細骨料中殘余的CaO等成分與水泥水化產物發生了二次水化作用[29]。綜上,混合型再生復合微粉協同水泥穩定碎石混合料的水化產物結構變得更加密實,使其混合料強度得到持續提高,并減少混合料試件的收縮。

界面過渡區的微觀結構表征主要是微裂縫、孔隙的體積,對水泥穩定碎石材料的強度或者彈性模量有很大影響[30]。過渡區作為砂漿基體與粗骨料顆粒之間的紐帶,其會對材料的耐久性能造成不良影響,其中在SEM照片中,光滑致密的部分為骨料,灰色部分為漿體部分水化產物。界面過渡區微觀形貌如圖8所示。圖8(b)中的骨料周圍的水化產物數量和類型多于圖8(a),且圖8(b)中的孔隙數量和孔徑明顯少或小于圖8(a),上述界面過渡區微觀結構說明混合型再生復合微粉與水泥水化產物發生了火山灰效應,提高了界面過渡區的密實度,改善了骨料-水泥漿體界面的微觀結構[31]。

為了進一步探究界面過渡區的Ca/Si比,選取界面過渡區中點處進行EDS分析,如圖9和表9所示,探究再生復合微粉-粉煤灰對界面過渡區元素含量的影響[32]。比較圖9(a)和(b),結合表9可知,摻入混合型再生復合微粉后試件的Ca/Si比降低,降低幅度為52.83%,這是由于再生復合微粉中磚粉、混凝土粉的二次水化反應促進了水泥水化,消耗了部分Ca(OH)2晶體,生成更多的網狀C-S-H凝膠。結合已有研究成果[30-32]可知,Ca/Si比越低,混合料試件抗凍性能等耐久性能越好,這與再生砂粉協同水泥粉煤灰穩定碎石路用性能一致。

表9 界面過渡區EDS測試元素含量分布Table 9 Content distribution of EDS test elements of interface transition zone

圖9 界面過渡區EDS分析Fig.9 EDS analysis of interface transition zone

3 結 論

1)摻入再生砂粉后,改變細骨料的摻量,水泥穩定碎石混合料的最佳含水率明顯增大,最大增幅為135.11%,而水泥穩定碎石的最大干密度整體呈減小趨勢,最小降低幅度為9.69%,但當摻入混合型再生復合微粉時,可以有效改善混合料的密實度。

2)抗凍性能主要與試件內部的孔隙和吸水率有關,混合型再生粗、細骨料對試驗結果的影響高度顯著,再生復合微粉會發揮填充和吸水作用,降低混合料內部孔隙率。

3)混合型再生復合微粉發揮了微集料和填充效應,提高試件抵抗收縮變形的能力,而混合型再生細集料由于粒徑較小,吸水率強,對試件抵抗收縮變形的能力不利。

4)微觀分析表明加入再生砂粉,水化產物結構變得更加密實,摻入混合型再生復合微粉后試件的Ca/Si比降低,降低幅度為52.83%,并減少了試件的收縮,路用性能也得到提高。