建筑废弃物再生微粉在混凝土中应用的试验研究

李建勇 马雪英 尚百雨 崔久传, 蒋中强

（1. 北京新奥混凝土集团有限公司；2. 北京奥润开元环保科技研究院，北京 100076）

前言

建筑废弃物的资源化利用是目前世界上的一个热点，特别是在国内，更是实践循环经济和节能减排的重要领域之一。对于建筑废弃物的处置和利用，国内已经有很多的研究和应用实践，多数集中在利用废弃混凝土制作再生骨料混凝土和生产各种砖等方面[1]。国内产生的建筑废弃物中，以粘土砖和少量混凝土为主体材料的砖混建筑废弃物占据了主要部分。但是关于砖混建筑废弃物的利用，国内相应的研究和实践并不多。将建筑废弃物磨细制成再生微粉，研究这种微粉作为矿物掺合料在混凝土中的应用技术，对于大规模资源化利用建筑废弃物具有重要意义，将会有广阔的应用前景和巨大的经济效益。

本研究使用砖混建筑废弃物为原料，通过粉磨加工制备了颗粒微细的建筑废弃物再生微粉，测试分析了再生微粉的组成、颗粒特性和强度活性等综合品质和性能，试验研究了不同强度等级混凝土中再生微粉的掺量对混凝土抗压强度和工作性的影响，系统试验研究了利用再生微粉作为矿物掺合料制备的C30和C60混凝土的力学性能、耐久性能和体积稳定性能。研究结果证明，建筑废弃物再生微粉是一种具有良好性能的混凝土用矿物掺合料。本研究所得研究结果，可以为建筑废弃物再生微粉作为矿物掺合料在预拌混凝土中的应用提供技术支持和指导。

1 建筑废弃物再生微粉活性试验

1.1 再生微粉的组成和粒度

使用以砖混建筑废弃物为原材料，通过专用粉磨设备磨细后，再经选粉机选粉得到本研究中使用的建筑废弃物再生微粉。从原材料和粉磨工艺分析，所得的再生微粉的主要组成材料应当是粘土砖粉末，并且有少量水泥石细粉和石灰石粉。表1中给出了再生微粉的化学成分测试结果，可以看出，再生微粉的化学成分以SiO2、Al2O3和CaO为主。

按照国标GB/T1596-2005规定的粉煤灰细度的测定方法测试了再生粉体的细度，使用勃氏法测试了粉体的比表面积，使用激光颗粒粒度分析仪测定了粉体的颗粒粒度分布，结果见表2。结果表明，再生粉体的颗粒微细，比表面积较大。这样的颗粒细度比较有利于再生微粉的活性和微颗粒效应的发挥。

1.2 单掺再生微粉水泥胶砂强度试验

参照国标GB/T17671-1999规定的试验方法，采用固定用水量，测定不同掺量再生微粉对水泥胶砂的抗压强度、抗折强度和流动度的影响。强度试验龄期为7天和28天，以同龄期下掺加再生微粉胶砂抗压强度与纯水泥胶砂抗压强度的百分比来表征再生微粉的活性指数。使用金隅P.O42.5水泥，比表面积为340m2/kg，28天抗压强度为51MPa；标准砂为符合GB/T17671-1999规定的中国ISO标准砂。试验结果在表3中给出。

结果显示：（1）再生微粉对水泥胶砂流动度有明显影响，胶砂流动度随着再生微粉掺量的增加呈下降趋势，说明再生微粉会增大水泥胶凝材料体系的需水性；（2）随着再生微粉掺量的增大，水泥胶砂各龄期的抗压强度和抗折强度都呈降低趋势；（3）再生微粉的活性随着微粉掺量增大而迅速降低，在30%掺量下，微粉7天活性指数为70%，28天活性指数为64%，这说明再生微粉的活性较低，替代水泥的比例不宜过大。

1.3 再生微粉与粉煤灰或矿渣粉双掺对水泥胶砂性能的影响

参照国标GB/T17671-1999规定的试验方法，采用固定用水量，固定掺合料对水泥的总取代率为30%，研究双掺再生微粉和粉煤灰以及双掺再生微粉和矿渣粉对水泥胶砂的抗压强度、抗折强度和流动度的影响。强度试验龄期为7天和28天。水泥为金隅P.O42.5水泥，比表面积为340m2/kg，28天抗压强度为51MPa；粉煤灰为北京产II级粉煤灰，45um筛余为14%，28天强度活性指数为64%；矿渣粉为顺天昊矿粉，45um筛余为5%，比表面积为451m2/kg，28天强度活性指数为66%；标准砂为符合GB/T17671-1999规定的中国ISO标准砂。试验结果在表4中给出。

表1 再生粉体的化学成分

表2 再生粉体的细度和颗粒分布

表3 单掺再生微粉水泥胶砂强度和流动度试验结果

结合表3和表4的结果，可以看出：（1）在固定掺合料总掺量为30%的条件下，矿渣粉掺量的增加有利于改善水泥胶砂浆体的流动性和抗压、抗折强度。同时，再生粉体与矿渣粉共同使用，不论是对胶砂强度还是流动性，效果都要优于单掺再生粉体。（2）在固定掺合料总掺量为30%的条件下，与单掺再生粉体相比，双掺粉煤灰和再生粉体有利于改善水泥胶砂浆体的流动性。结果同时显示，与单掺再生粉体相比，再生粉体与粉煤灰共同使用时，粉煤灰掺量的增大会降低水泥胶砂早期强度，但会改善28天强度。这说明，再生粉体虽然与粉煤灰性能相近，但再生粉体可能具有更好的早期活性，因此二者适宜共同配合使用，以获得更好的早期和后期强度。（3）再生微粉适宜与矿渣粉或粉煤灰双掺使用，以发挥良好的叠加效应。

2 建筑废弃物再生微粉对混凝土抗压强度的影响

2.1 原材料

使用的原材料包括：前述的再生微粉，在水泥中的掺量为10%～30%；北京金隅P.O42.5水泥，比表面积为340m2/kg，28天抗压强度为51MPa；北京产聚羧酸减水剂，含固量12%，减水率29%；河北产Ⅱ区中砂河砂，细度模数2.7，含石量6%，含泥量2.2%，表观密度2670kg/m3；北京产5mm～25mm矿山废石碎石，连续级配，含泥量1.2%，压碎指标4.5%，表观密度2630kg/m3；自来水。

表4 双掺再生微粉和矿渣粉/粉煤灰对水泥胶砂强度和流动度的影响

表5 再生微粉掺量对混凝土强度的影响

2.2 混凝土抗压强度试验结果

选取了C20、C30和C40三个混凝土强度等级，研究再生微粉对混凝土各龄期抗压强度的影响。为了便于比较混凝土的强度发展，所有的混凝土拌合物均在基本相同的工作性基础上成型制作抗压强度试件，并在标准条件下养护至规定龄期。坍落度试验结果表明，所有的拌合物的出机坍落度都在210mm～230mm之间，出机坍落扩展度都在450mm～550mm之间，粘聚性和保水性良好，可以满足泵送浇筑要求。混凝土抗压强度试验结果在表5中给出。

结果表明：（1）随着再生粉体的掺量的提高，为了获得基本相同的坍落度和坍落扩展度，需要相应增加混凝土中减水剂的用量。这说明，使用再生粉体会降低拌合物的流动性。这种趋势与水泥胶砂流动度的试验结果相似。（2）掺入再生粉体替代部分水泥后，各等级混凝土的各龄期的抗压强度均呈下降趋势，总体而言，在15%的再生微粉掺量水平下，各龄期的抗压强度均能维持在所对应的基础混凝土的抗压强度的80%～90%的范围内。（3）C20至C40的混凝土均可掺加15%～20%的再生粉体代替水泥，满足抗压强度的设计要求。

3 建筑废弃物再生微粉混凝土综合性能试验

在前述试验研究的基础上，选取实际生产的C30和C60两个等级的预拌混凝土的配合比为基础配合比，使用建筑废弃物再生微粉完全替代粉煤灰，用来进行掺加再生微粉混凝土综合性能的系统试验研究。

表6给出了混凝土的配合比设计。C30A和C60A分别为未掺建筑废弃物再生微粉的C30和C60混凝土，C30B和C60B分别为掺加建筑废弃物再生微粉的C30和C60混凝土。

3.1 混凝土工作性

混凝土工作性能如表7所示。

结果表明，使用再生微粉取代粉煤灰作为矿物掺合料后，混凝土的工作性能仍然保持良好。

3.2 混凝土力学性能

依据国标GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定，成型了尺寸为100×100×100（mm）立方体试件、尺寸为100×100×300（mm）长方体尺寸和为100×100×400（mm）长方体试件，标准养护至规定龄期，测定混凝土的3天、7天和28天龄期的抗压和抗折强度，以及标准养护28天试件的劈裂抗拉强度、轴心抗压强度和静受压弹性模量。表8给出了混凝土的各项力学性能的试验结果。

表6 C30和C60混凝土的配合比

表7 混凝土工作性能试验结果

结果表明，使用再生微粉取代粉煤灰作为矿物掺合料后，混凝土仍然具有良好的力学性能，能够满足混凝土的各项力学性能的设计要求。

3.3 混凝土耐久性能

依据国标GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的规定，试验研究了再生微粉对C30和C60两种等级的混凝土的抗冻融性能、抗氯离子渗透性能、抗水渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能、碳化性能等主要耐久性能的影响。

（1）抗水渗透性能

制作了尺寸为Φ175×Φ185×150（mm）的圆台体试件，标准养护至28天龄期后测试混凝土的抗水渗透性能。试验时的恒压压力为2.0MPa，恒压时间为3小时。试验结果见表9。结果显示，混凝土的抗渗等级均不低于P20。

（2）抗氯离子渗透性能

采用RCM方法测试混凝土试件的抗氯离子渗透性能。制作了尺寸为Φ100×50（mm）的圆柱体试件，标准养护至28天龄期后进行测试。测试结果见表9。结果显示，混凝土中掺加再生微粉后，氯离子在混凝土中的扩散系数有明显降低，混凝土的抗氯离子渗透的能力明显提高。

（3）碳化性能

制作了尺寸为100×100×100（mm）立方体试件，标准养护至28天龄期后进行测试。测试结果见表9。

结果显示，混凝土中同时掺加再生微粉后，C30混凝土的抗碳化能力有所降低，但是C60混凝土的抗碳化能力没有下降。

（4）抗冻融性能

采用快速冻融试验方法测试混凝土试件的抗冻融性能。制作了尺寸为100×100×300（mm）长方体试件，标准养护至28天龄期后进行测试。测试结果见图1和图2。

结果显示，对于强度等级较低的C30混凝土，混凝土中掺加再生微粉后，抗冻能力有所下降，主要表现在相对动弹性模量在经历150～200次的快速冻融循环后有较明显的降低，但质量损失与未掺再生微粉的混凝土并没有差别，总体抗冻性能可以达到F250。对于高强度等级的C60混凝土，混凝土中掺加再生微粉后，在经历300次快速冻融循环后，无论是相对动弹模量还是质量损失率，与未掺再生微粉的C60混凝土之间并没有区别，总体抗冻性能均远在F300以上。

表8 混凝土力学性能试验结果

表9 混凝土抗水渗透性能、抗氯离子渗透和碳化试验结果

图1 混凝土抗冻融相对动弹模量试验结果

图2 混凝土抗冻融质量损失试验结果

（5）抗硫酸盐侵蚀性能

混凝土抗硫酸盐侵蚀试验采用全浸泡法，即制作边长为100mm的混凝土立方体试件，标准养护至26天龄期烘干冷却后进行试验。测试结果见表10。

结果显示，对于强度等级较低的C30混凝土，混凝土中掺加再生微粉后，抗硫酸盐侵蚀能力有所下降，经历60～70次的干湿循环后混凝土抗压强度耐蚀系数比未掺再生材料的混凝土低5%～10%，但是抗硫酸盐侵蚀性能仍可以达到KS60～KS70的等级，与未掺再生微粉的C30混凝土并没有显著差别。对于高强度等级的C60混凝土，混凝土中掺加再生微粉后，在经历60～70次的干湿循环后混凝土抗压强度耐蚀系数与未掺再生微粉的C60混凝土相比并没有降低甚至还有所提高，掺再生微粉的C60混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能明显高于KS70等级。

表10 混凝土抗硫酸盐侵蚀性能试验结果

表11 混凝土收缩性能试验结果

3.4 混凝土体积稳定性

按照GB50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定的方法，成型了尺寸为100×100×515（mm）棱柱体混凝土试件，用接触法测试混凝土的收缩，研究混凝土的体积稳定性。测定了初始长度后，按1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d的时间间隔测量其变形系数，测试结果见表11。

从表中数据可以看出，四种混凝土试件的收缩率均呈现随龄期延长而增长的趋势，而且相同龄期下混凝土的收缩率也随着强度等级的提高而减小。对于相同强度等级的混凝土来说，再生材料混凝土的各龄期收缩率稍大于普通材料混凝土，但是这种差别有随着混凝土强度等级增大而减小的趋势，例如，两种C30混凝土的收缩率之间的差别要大于同龄期下两种C60混凝土的收缩率之间的差别。同时，对于同类型的不同强度等级的混凝土来说，同龄期的收缩率值随强度等级的提高而减小，例如，同龄期下C30A混凝土的收缩率大于C60A的收缩率，同龄期下C30B混凝土的收缩率大于C60B的收缩率。四种混凝土样品的总的收缩率大小趋势为：C60A＜C60B＜C30A＜C30B,这种收缩大小趋势上的差别主要是由于混凝土的砂石料品种和用量、混凝土水胶比、混凝土密实度等参数之间的不同造成的。

总的收缩试验结果表明，对于相同强度等级的混凝土来说，掺加再生微粉混凝土的各龄期收缩率虽然稍大于普通材料混凝土，但是二者之间并没有显著差别，而且对于高强度等级的混凝土这种差别更是微小，甚至可以说是没有差别。

结论

本研究的试验结果说明，建筑废弃物再生微粉是一种较好的混凝土用矿物掺合料，可以替代粉煤灰用于制备C60以下等级的大流动性混凝土。主要结论如下：

（1）本研究中使用的砖混建筑废弃物再生微粉，化学成分以SiO2、Al2O3和CaO为主，颗粒微细，粒度主要集中在10μm～20μm以下，比表面积达到600m2/kg以上，材料组成上主要是粘土砖粉，并含有少量水泥石粉和石灰石粉。

（2）掺加再生微粉的水泥胶砂强度和流动度试验研究表明，再生微粉具有一定的活性效应，但需水性稍大，对水泥的替代量不宜超过20%。单掺再生粉体，随着再生微粉掺量的增加，胶砂流动度和强度均呈下降趋势，再生粉体掺量超过20%，其下降趋势明显。双掺矿粉和再生微粉或双掺粉煤灰和再生微粉的胶砂流动度均优于单掺再生粉体，其强度也有一定提高。

（3）单掺再生微粉混凝土抗压强度试验结果表明，在C40以下等级混凝土中再生微粉对水泥的取代量在20%以内时，可以制备出具有良好强度的大流动性混凝土。

（4）对C30和C60混凝土的综合性能试验研究结果表明，使用再生微粉完全替代粉煤灰后，混凝土的工作性能保持良好，主要力学性能没有下降甚至有所提高，综合耐久性能优异，体积稳定性能基本不变，说明再生微粉可以作为矿物掺合料用来制备C60以下各等级的大流动性能混凝土。

[1] 李秋义，建筑垃圾资源化再生利用技术，中国建材工业出版社，北京，2011年4月。