宋濤文 林 輝

(1.中冶建筑研究總院有限公司,北京 100088;2.北京市工業(yè)建筑特種材料工程技術(shù)研究中心,北京 100088;3.北京工業(yè)大學(xué),北京 100124)

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)基建大國(guó),由于上世紀(jì)我國(guó)設(shè)計(jì)水平及建造技術(shù)較低導(dǎo)致大量建筑結(jié)構(gòu)提前達(dá)到了使用壽命,拆除過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾,當(dāng)前常規(guī)的處置手段為隨意堆放或填埋,這種粗放型的處置手段不符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,嚴(yán)重阻礙了美麗中國(guó)的建設(shè)進(jìn)程,有必要采取新的技術(shù)對(duì)建筑垃圾進(jìn)行資源化利用。

目前常見(jiàn)的建筑垃圾包括廢混凝土、廢磚、廢陶瓷等,其中廢混凝土和廢磚等經(jīng)過(guò)破碎、篩選和界面強(qiáng)化后已經(jīng)被用于再生混凝土的制備,然而破碎過(guò)程中的再生混凝土粉體還未被有效地利用,大量的粉體不僅污染環(huán)境,還會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

再生混凝土粉體包含大量的硅鋁質(zhì)礦物,因而在堿激發(fā)作用下具有一定的膠凝活性,已有研究表明再生混凝土粉可以被用于堿激發(fā)地聚物的制備[1-2]。堿激發(fā)地聚物是一種無(wú)水泥的無(wú)機(jī)聚合物,與高耗能高碳排放的普通硅酸鹽水泥相比,該地聚物可以減少80%的CO2排放[3],同時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能[4-6]。其形成機(jī)理為廢料中的硅鋁質(zhì)礦物在堿性溶液中發(fā)生解聚,然后逐漸重新聚合形成以Si-O-Si和Si-O-Al鍵為主的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7-9]。

常見(jiàn)的地聚物包括堿激發(fā)礦渣、堿激發(fā)粉煤灰以及堿激發(fā)礦渣-粉煤灰地聚物,當(dāng)前關(guān)于再生混凝土粉用于制備堿激發(fā)膠凝材料的研究相對(duì)較少。為了大幅提高再生混凝土粉的回收利用率,以礦渣和再生混凝土粉為堿激發(fā)膠凝材料的前驅(qū)體,以氫氧化鈉和水玻璃為堿性復(fù)合激發(fā)劑制備堿激發(fā)地聚物,主要研究再生混凝土粉摻量和細(xì)度對(duì)堿激發(fā)礦渣地聚物流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響,驗(yàn)證再生混凝土粉在制備堿激發(fā)膠凝材料方面的可行性。

1 原材料和測(cè)試方法

1.1 原材料

用于本試驗(yàn)的原材料包括礦渣、再生混凝土粉、氫氧化鈉、水玻璃、自來(lái)水。其中,礦渣和再生混凝土粉作為制備堿激發(fā)地聚物的前驅(qū)體,其化學(xué)組成和礦物組成如表1和圖1所示,測(cè)試結(jié)果顯示礦渣和再生混凝土粉含有大量的氧化鈣和二氧化硅,因而在堿激發(fā)作用下具有一定的膠凝活性。圖1顯示礦渣在25°～35°范圍有一個(gè)明顯的駝峰(玻璃相),然而再生混凝土粉未出現(xiàn)明顯的駝峰且含有大量結(jié)晶程度高的礦物,因此礦渣的活性明顯高于再生混凝土粉。礦渣由于部分碳化出現(xiàn)了碳酸鈣的衍射峰,再生混凝土粉中的礦物主要包括碳酸鈣、石英、白云石以及鈉長(zhǎng)石。用氫氧化鈉和水玻璃按一定比例混合制備堿性復(fù)合激發(fā)劑,氫氧化鈉為化學(xué)分析純,純度大于98%,水玻璃為淡黃色濃稠狀液體,包含8.35%的氧化鈉、26.54%的二氧化硅和65.11%的水。

圖1 膠凝材料的礦物組成Fig.1 Mineralogical composition of binders

表1 膠凝材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of binders %

1.2 試驗(yàn)配合比及制備過(guò)程

詳細(xì)的試驗(yàn)配合比如表2所示,本研究選擇的水膠比、堿含量和激發(fā)劑模數(shù)分別為0.4,8%和1.2,再生混凝土粉的摻量為0%、30%和50%(礦渣質(zhì)量的百分比),再生混凝土粉分為三類,分別細(xì)粒度粉(WF)、中粒度粉(WM)和粗粒度粉(WC),其粒度范圍分別為小于75 μm,75～150 μm和150～300 μm。通過(guò)三種再生混凝土粉按1∶1∶1混合獲得第四類細(xì)度的再生混凝土粉(WB)。首先,堿性復(fù)合激發(fā)劑通過(guò)氫氧化鈉、水玻璃和附加拌和水按一定比例混合來(lái)制備,并且置于塑料瓶中密封防止碳化,冷卻24 h后待用;然后將礦渣和再生混凝土粉倒入攪拌鍋,干拌30 s后緩慢倒入堿性復(fù)合激發(fā)劑,慢速攪拌90 s后快速攪拌60 s,將攪拌均勻的地聚物漿體緩慢倒入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)鋼模具,同時(shí)留下足夠的漿體進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度的測(cè)試,用保鮮膜將鋼模具密封后自然養(yǎng)護(hù)24 h后拆模,然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下(溫度20 ℃,濕度95%)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至指定齡期后測(cè)試抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

表2 堿激發(fā)礦渣地聚物配合比Table 2 Mix proportions of alkali-activated slag geopolymers

1.3 測(cè)試方法

1.3.1凝結(jié)時(shí)間測(cè)試

凝結(jié)時(shí)間測(cè)定按照GB/T 1346—2001的要求進(jìn)行,采用維卡儀對(duì)堿激發(fā)地聚物漿體的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間進(jìn)行測(cè)試,首先將新拌地聚物漿體裝入上直徑65 mm、下直徑75 mm、高度為40 mm的圓臺(tái)形模具,然后將其置于玻璃板上,覆蓋保鮮膜后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),先每隔15 min測(cè)定一次初凝時(shí)間,將試模放到試針下,降低試針與地聚物漿體表面接觸,擰緊螺絲1～2 s后,突然放松,試針垂直自由地沉入地聚物漿體,觀察試針停止或釋放試針30 s時(shí)指針的讀數(shù),當(dāng)試針沉至距底板(4±1) mm時(shí),地聚物漿體達(dá)到初凝狀態(tài);初凝以后,將試模翻轉(zhuǎn)180°后放在環(huán)形試針下方,每隔5 min測(cè)定一次,當(dāng)環(huán)形試針不能在試樣上留下痕跡時(shí),地聚物漿體達(dá)到終凝狀態(tài)。

1.3.2流動(dòng)度測(cè)試

流動(dòng)度測(cè)定按照GB/T 8077—2012的要求進(jìn)行,將地聚物漿體緩慢倒入尺寸為36 mm×60 mm×60 mm的截錐試模,用鏟刀刮平后緩慢垂直提起截錐試模,30 s后測(cè)量地聚物漿體擴(kuò)展餅在兩個(gè)垂直方向上的長(zhǎng)度,然后取平均值作為最后的流動(dòng)度結(jié)果。

1.3.3抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試

抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試按照GB/T 17671—1999的要求進(jìn)行,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,抗壓強(qiáng)度測(cè)試的加載速度選擇2.4 kN/s,抗折強(qiáng)度測(cè)試的加載速度選擇50 N/s,抗壓強(qiáng)度每組6個(gè),取6個(gè)抗壓數(shù)據(jù)的平均值作為最終的抗壓強(qiáng)度結(jié)果,若某個(gè)數(shù)據(jù)超過(guò)平均值的±10%,將其舍去后再取平均值作為最終的結(jié)果;抗折強(qiáng)度每組3個(gè),取3個(gè)抗折數(shù)據(jù)的平均值作為最終的抗折強(qiáng)度結(jié)果,若某個(gè)數(shù)據(jù)超過(guò)平均值的±10%,將其舍去后再取平均值作為最終的結(jié)果。

1.3.4掃描電子顯微鏡SEM測(cè)試

選取抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)束后樣品碎片,將其浸泡于無(wú)水乙醇中進(jìn)行水化終止,然后將其置于50 ℃真空干燥箱中進(jìn)行真空干燥,取出后利用導(dǎo)電膠粘貼在測(cè)試臺(tái)上,隨后進(jìn)行噴金處理以提高樣品的導(dǎo)電性,最后放入掃描電子顯微鏡設(shè)備中,抽真空后進(jìn)行微觀形貌拍攝。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 再生混凝土粉細(xì)度和摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣地聚物流動(dòng)度的影響

圖2和圖3為堿激發(fā)礦渣地聚物的流動(dòng)度測(cè)試過(guò)程及結(jié)果,結(jié)果表明：隨著混合再生混凝土粉摻量的增加,地聚物漿體的流動(dòng)度先增加后減小,混合再生混凝土粉的摻入有助于改善堿激發(fā)礦渣地聚物漿體的流動(dòng)度,當(dāng)混合再生混凝土粉的摻量為30%時(shí),地聚物漿體的流動(dòng)度較不摻再生混凝土粉的組別提高了25.6%,擴(kuò)展流動(dòng)度可達(dá)270 mm。就再生混凝土粉而言,75 μm以上粒徑范圍內(nèi)的再生混凝土粉有助于改善堿激發(fā)礦渣地聚物漿體的流動(dòng)度,這可能是由于粒徑在75 μm以上的再生混凝土粉活性較低,無(wú)法參與堿活化反應(yīng),充當(dāng)細(xì)骨料的作用,然而粒度小于75 μm的再生混凝土粉會(huì)降低堿激發(fā)礦渣地聚物漿體流動(dòng)度,這可能是由于細(xì)粒度的再生混凝土粉具有更強(qiáng)的吸水作用和更高的活性。

圖2 堿激發(fā)礦渣地聚物的流動(dòng)度Fig.2 The fluidity of alkali-activated slag geopolymers

圖3 堿激發(fā)礦渣地聚物流動(dòng)度測(cè)試過(guò)程Fig.3 The fluidity test process of alkali-activated slag geopolymers

2.2 再生混凝土粉細(xì)度和摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣地聚物凝結(jié)時(shí)間的影響

再生混凝土粉細(xì)度和摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣地聚物凝結(jié)時(shí)間的影響結(jié)果如圖4所示,測(cè)試結(jié)果表明：再生混凝土粉的摻入明顯延長(zhǎng)了堿激發(fā)礦渣地聚物漿體的凝結(jié)時(shí)間。這是因?yàn)樵偕炷练鬯桎X質(zhì)礦物結(jié)晶程度較高,在堿性激發(fā)作用下難以解聚,引起地聚物漿體早期反應(yīng)程度的降低,當(dāng)混合再生混凝土粉體摻量為30%時(shí),堿激發(fā)礦渣地聚物的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為97 min和104 min,繼續(xù)增加混合再生混凝土粉的摻量,凝結(jié)時(shí)間基本不延長(zhǎng)。除此之外,粒度在75 μm以下的再生混凝土粉對(duì)堿激發(fā)礦渣地聚物漿體凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)作用相比于粒度大于75 μm的再生混凝土粉更弱,這是由于再生混凝土粉的活性隨著粒度的減小而增大[10-12],導(dǎo)致少部分細(xì)粒度再生混凝土粉能夠有效參與堿活化反應(yīng),整體參與反應(yīng)的前驅(qū)體含量相較于摻粒度大于75 μm再生混凝土粉體的組別更多。隨著再生混凝土粉體細(xì)度的增加,堿激發(fā)礦渣地聚物的凝結(jié)時(shí)間逐漸延長(zhǎng),當(dāng)摻入50%粒度在150～300 μm范圍內(nèi)再生混凝土粉時(shí),其初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為97 min和105 min?？傮w而言,堿激發(fā)礦渣-再生混凝土粉地聚物的凝結(jié)時(shí)間可以很好地滿足工程澆筑的需求。

圖4 堿激發(fā)礦渣地聚物的凝結(jié)時(shí)間Fig.4 The setting time of alkali-activated slag geopolymers

2.3 再生混凝土粉細(xì)度和摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣地聚物抗壓強(qiáng)度的影響

圖5為堿激發(fā)礦渣地聚物的抗壓強(qiáng)度結(jié)果,可見(jiàn)：隨著混合再生混凝土粉摻量的增加,礦渣基地聚物的3 d抗壓強(qiáng)度逐漸升高,而14 d和28 d后期強(qiáng)度逐漸降低且低于純礦渣基地聚物組別,這說(shuō)明混合再生混凝土有助于提升堿激發(fā)礦渣地聚物的早期抗壓強(qiáng)度,而對(duì)于后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)具有不利作用,當(dāng)混合再生混凝土粉的摻量為50%時(shí),其3,14,28 d抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)38.5,51.5,57.2 MPa,相較于純礦渣基地聚物,3 d抗壓強(qiáng)度提升了12.6%,而14 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了15.4%和12.7%。同時(shí),再生混凝土粉粒度的增加不利于堿激發(fā)礦渣地聚物抗壓強(qiáng)度的發(fā)展,當(dāng)再生混凝土粉摻量為50%時(shí),堿激發(fā)礦渣地聚物的抗壓強(qiáng)度隨著再生混凝土粉粒度的減小而升高,當(dāng)再生混凝土粉為粒度小于75 μm以下的細(xì)粉時(shí),其3,14,28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高,分別為49.7,78.1,84.7 MPa。相比于純礦渣基地聚物的抗壓強(qiáng)度,摻50%再生混凝土細(xì)粉的地聚物的3,14,28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了45.3%、28.2%和29.3%,這說(shuō)明降低再生混凝土粉的細(xì)度可以充當(dāng)堿激發(fā)礦渣地聚物反應(yīng)過(guò)程中的成核位點(diǎn),從而顯著提高堿激發(fā)礦渣地聚物的水化程度,還可以看出再生混凝土細(xì)粉在堿激發(fā)膠凝材料制備中可以實(shí)現(xiàn)替代率和強(qiáng)度協(xié)同提升的目標(biāo),同時(shí)還可以大幅降低堿激發(fā)礦渣地聚物生產(chǎn)的成本和碳排放。

圖5 堿激發(fā)礦渣地聚物的抗壓強(qiáng)度Fig.5 The compressive strength of alkali-activated slag geopolymers

2.4 再生混凝土粉細(xì)度和摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣地聚物抗折強(qiáng)度的影響

圖6為堿激發(fā)礦渣地聚物的抗折強(qiáng)度結(jié)果,結(jié)果表明：隨著混合再生混凝土粉摻量的增加,礦渣基地聚物的3 d抗折強(qiáng)度逐漸升高,而后期強(qiáng)度先升高后降低但仍高于純礦渣基地聚物,這說(shuō)明混合再生混凝土粉有助于提升抗折強(qiáng)度,尤其是早期抗折強(qiáng)度。當(dāng)混合再生混凝土粉的摻量為50%時(shí),堿激發(fā)礦渣地聚物的3,14,28 d抗折強(qiáng)度分別為4.3,4.6,5.3 MPa,相較于純礦渣基地聚物,3,14,28 d抗折強(qiáng)度分別提升了53.6%、35.3%和26.2%,這可能是由于混合再生混凝土粉具有較好的粒型級(jí)配,有效填充了堿激發(fā)礦渣地聚物的微缺陷,從而顯著改善了抗折強(qiáng)度。同時(shí),當(dāng)再生混凝土粉的摻量為50%時(shí),堿激發(fā)礦渣地聚物的3 d抗折強(qiáng)度隨著再生混凝土粉細(xì)度的增加先升高后降低,而后期強(qiáng)度隨著再生混凝土粉細(xì)度的增加先降低后升高,其中混合再生混凝土粉最有利于堿激發(fā)礦渣地聚物早期抗壓強(qiáng)度的發(fā)展,而粒度小于75 μm的再生混凝土細(xì)粉最有利于堿激發(fā)礦渣地聚物后期強(qiáng)度的發(fā)展。除此之外,不管再生混凝土粉的摻量和細(xì)度如何,再生混凝土粉的摻入均對(duì)堿激發(fā)礦渣地聚物的抗折強(qiáng)度有提升作用,這也說(shuō)明再生混凝土粉可以大量被用于堿激發(fā)礦渣地聚物的制備,從而實(shí)現(xiàn)再生混凝土粉的高利用率。

圖6 堿激發(fā)礦渣地聚物的抗折強(qiáng)度Fig.6 The flexural strength of alkali-activated slag geopolymers

2.5 微觀形貌分析

圖7為摻不同含量、不同細(xì)度再生混凝土粉堿激發(fā)礦渣地聚物養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的微觀形貌,可以看出：隨著混合再生混凝土粉摻量的增加,堿激發(fā)礦渣基地聚物的微觀結(jié)構(gòu)變得更加不致密,這是由于混合再生混凝土粉具有的堿活化反應(yīng)活性相較于礦渣低得多,導(dǎo)致活化反應(yīng)程度降低,生成的凝膠不足以連成整體并有效填充微孔隙。此外,當(dāng)再生混凝土粉摻量為50%時(shí),隨著再生混凝土粉粒度的增大,堿激發(fā)礦渣地聚物的微觀結(jié)構(gòu)逐漸疏松化,孔隙越來(lái)越多,這主要是由于粗粒度的再生混凝土粉的反應(yīng)活性相較于細(xì)粒度再生混凝土粉的活性要低得多,導(dǎo)致?lián)酱至６仍偕炷练劢M別中高活性前驅(qū)體總量較低,從而引起堿活化反應(yīng)程度的降低,生成的凝膠較少,微觀結(jié)構(gòu)較為疏松。

a—S100;b—S70WB30;c—S50WB50;d—S50WF50;e—S50WM50;f—S50WC50。圖7 堿激發(fā)礦渣-再生混凝土微粉地聚物的微觀形貌Fig.7 Micromorphology of alkali-activated slag-recycled concrete powder geopolymers

3 結(jié)束語(yǔ)

1)再生混凝土粉有利于改善堿激發(fā)礦渣地聚物的流動(dòng)性和延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間,當(dāng)混合再生混凝土粉摻量為30%時(shí),堿激發(fā)礦渣地聚物的流動(dòng)度可達(dá)270 mm,初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為97 min和104 min;此外,粒度小于75 μm的再生混凝土粉對(duì)堿激發(fā)地聚物漿體的流動(dòng)度略有削減,而對(duì)凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)作用明顯降低。

2)再生混凝土粉有利于改善堿激發(fā)礦渣地聚物的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,其中混合再生混凝土粉摻量的增加有助于堿激發(fā)礦渣地聚物早期抗壓抗折強(qiáng)度的提升,而不利于后期強(qiáng)度的發(fā)展。此外,粒度小于75 μm的再生混凝土細(xì)粉對(duì)堿激發(fā)礦渣地聚物力學(xué)性能的提升作用最為明顯,當(dāng)粒度小于75 μm再生混凝土粉摻量為50%時(shí),相比不摻再生混凝土粉的組別,其3,14,28 d抗壓強(qiáng)度分別提升45.3%、28.3%和29.4%,其3,14,28 d抗折強(qiáng)度分別提升28.5%、50.9%和39.7%。

3)混合再生混凝土粉的摻入和再生混凝土粗粉的摻入均不利于后期堿激發(fā)礦渣地聚物微結(jié)構(gòu)的改善。