新型砖粉砌块材料的制备及其强度

2020-04-09翟爱良王金龙

山东农业大学学报（自然科学版） 2020年1期

陈博，翟爱良，王金龙

山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018

长期以来我国城乡建筑物中大量使用粘土砖作为承重或围护材料[1]，由于在房屋拆迁、砖瓦生产、运输及砌筑过程中都会产生大量的固体废弃碎砖瓦块[2]，我国目前及今后一个时期废弃粘土砖瓦数量巨大[3]，每年产生约8×106t[4]。这其中绝大部分未经任何处理，便被运往郊外或乡村[5]，采用露天堆放或填埋的方式进行处理[6]，不仅耗用了大量的耕地及垃圾清运等建设经费，而且给环境治理造成了很大的压力[7]，不符合可持续发展战略[8]。目前，废弃砖的资源化再利用分为直接利用和再生利用[9]，其直接利用包括回填材料和基础垫层；再生利用分为硅钙制品、免烧砖、再生骨料、再生胶凝材料和再生水泥[10]。本试验将废弃粘土砖粉碎制成砖粉，并作为主要原料制备砖粉砌块，研究这种新型砖粉砌块制备技术及其强度性能，以将其作为承重或围护材料应用于规模巨大的土建工程，大幅减少水泥用量，变废为宝，实现建筑垃圾的二次利用，生态效益与经济效益显著。

1 砖粉砌块材料的制备

1.1 试验材料

1.1.1 砖粉采用山东省泰安市创业大街某砖混结构房屋拆迁产生的废弃黏土砖，首先用锤子将废弃黏土砖敲成块状，将块状砖放入颚式破碎机中破碎，用200 目的筛子筛出0.075 mm 的砖粉。对砖粉进行XRD 衍射试验分析，分析表明，砖粉的主要化学成分是SiO2，Al2O3，Fe2O3，含有少量的CaO和SO3，SiO2的含量为49.209%，Fe2O3含量为6.057%，Al2O3的含量为15.28%，CaO 的含量为9.669%，MgO 的含量为4.146%，SO3的含量为0.698%。

1.1.2 水泥试验水泥选用泰山鲁域水泥有限公司生产的P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，密度为3.04 g/cm3，28 d 抗压强度54.3 MPa。试验用水泥物理性能指标见表1 所示。

1.1.3 土壤固化剂氯星牌液态土壤固化剂；

1.1.4 生石灰300 目，CaO 含量不低于85%；

1.1.5 石膏300 目，二水石膏；

1.1.6 水砖粉砌块创制用水选用泰安市自来水公司的自来水。

表1 P·O42.5 级普通硅酸盐水泥的主要物化指标（%）Table.1 Main physicochemical indexes of P.O42.5 grade ordinary portland cement

1.2 配合比设计

为了集中研究砖粉掺量对砖粉砌块强度的影响，采用不同含量的砖粉替代水泥，在前期试验研究的基础上，石灰按15%定量称取，石膏按5%定量称取，水胶比定为0.4。A 组试验方案见表2。

表2 A 组试验方案Table 2 Group A test scheme

为了集中研究土壤固化剂对砖粉砌块强度的影响，B 组试验中，在砌块中掺加土壤固化剂。B组试验中，水胶比定为0.35，共5 组配比，每组配比中，砖粉按71%定量称取，石灰按22%定量称取，石膏按7%定量称取，土壤固化剂掺量分别为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。土壤固化剂的重量为石灰、石膏和砖粉重量之和与土壤固化剂掺量的乘积。

1.3 砌块制备方法

试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

将水加入金属容器中，同时加入水泥、石灰和石膏，将金属容器固定在支承在搅拌器的支架上，然后开动搅拌器，低速搅拌30 s 后，在第二个30 s 开始的同时均匀将砖粉加入。砂子分级装吋，应从最粗粒级开始，依次加入，在高速搅拌30 s。

振动成型。将空试模和模套固定在振实台上，直接从搅拌器中将胶砂分为两层装入试模，装第一层时，每个槽里约放300 g 拌合料，用大播料器垂直架在模套顶部，沿每个模槽来回一次将料层播平，接着振实60 次。再装入第二层拌合料，用小播料器播平，再振实60 次。移走模套，从振实台上取下试模，并用刮尺以90º的角度架在试模顶的一端，沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动，一次将超出试模的拌合料刮去。并用同一直尺在近乎水平的情况下将试件表面抹平，编号后，将试模放入养护箱养护，养护箱内箅板必须水平。成型后20 h～24 h 内脱模。脱模时要非常小心，应防止试件损伤。试件脱模后在养护室标准养护28 d。

1.4 试验方法

依据《水泥胶砂强度试验》GB／T17671-1999 测试砌块的抗折强度和抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 砖粉掺量对砖粉砌块强度的影响

不同砖粉掺量下砖粉砌块的7 d、28 d 抗折强度与抗压强度变化曲线如图1、图2 所示。当砖粉掺量分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%时，砖粉砌块的7 d 抗折强度分别为2.2 MPa、1.87 MPa、1.43 MPa、1.63 MPa、1.47 MPa、1 MPa；砖粉砌块的28 d 抗折强度分别为2.45 MPa、3.13 MPa、3.65 MPa、3.91 MPa、3.3 MPa、1.85 MPa；砖粉砌块的7 d 抗压强度分别为8.78 MPa、6.25 MPa、4.77 MPa、4.78 MPa、3.63 MPa、2.3 MPa；砖粉砌块的28 d 抗压强度分别为10.08 MPa、10.74 MPa、11.13 MPa、10.04 MPa、8.92 MPa、5.94 MPa。砖粉掺量为20%时，砖粉砌块的7 d 抗折强度与7 d抗压强度最大，此时砖粉砌块的7 d 抗折强度为2.2 MPa，7 d 抗压强度为8.8 MPa。随着砖粉掺量的增加，砌块的7 d 抗折强度呈现“下降－上升－下降”的变化趋势，砌块的7 d 抗压强度呈现“下降－不变－下降”的变化趋势。原因在于，砖粉在砌块养护早期较少参与水化反应，在替换相同量水泥的情况下会使砌块本身的胶凝材料减小，最终导致砌块的7 d 强度降低。

砖粉掺量为50%时，砖粉砌块的28 d 抗折强度最高，为3.91 MPa。砖粉掺量为40%时，砖粉砌块的28 d 抗压强度最高，为11.13 MPa。随着砖粉掺量的增加，砌块的28 d 抗折强度及抗压强度呈现先增加后降低的趋势。原因在于，在养护后期，砖粉活性表现活跃，能够与石灰、石膏一起参与水化反应。当砖粉掺量较低时，砖粉未能与石灰、石膏一起有效参与水化反应，水化产物少，砌块强度低，随着砖粉掺量的增加，石灰、石膏含量降低，水化产物增加，砌块的28 d 强度升高。当砖粉掺量较高时，多余的砖粉不能生成有强度的结构，导致砌块28 d 抗折、抗压强度降低。掺量超过50%时，砖粉砌块的28 d 强度降低十分明显，因此建议实际生产过程中，砖粉的掺量不宜超过50%。

2.2 砖粉砌块的强度增长率

不同砖粉掺量下砖粉砌块的7 d 至28 d 抗折强度与抗压强度增长率变化曲线如图3、图4 所示。强度增长率=（28 d 抗折强度或抗压强度－7 d 抗折强度或抗压强度）/7 d 抗折强度或抗压强度。当砖粉掺量分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%时，砖粉砌块的抗折强度增长率分别为11.4%、67.4%、155.2%、139.9%、124.5%、85%；砖粉砌块的抗压强度增长率分别为14.8%、71.8%、133.3%、110%、145.7%、158.2%。砖粉掺量为20%时，砖粉砌块的抗折强度与抗压强度增长率最低，分别为11.4%、14.8%。砖粉掺量为50%时，砖粉砌块的抗折强度增长率最高，为155.2%。砖粉掺量为70%时，砖粉砌块的抗压强度增长率最高，为158.2%。原因在于，砖粉虽然具有火山灰性，但前期活性低，后期活性高。

2.3 土壤固化剂对砖粉砌块强度的影响

不同土壤固化剂掺量下砖粉砌块的7 d 抗折、抗压强度与28 d 抗折、抗压强度变化曲线如图5、图6 所示。当土壤固化剂掺量分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%时，砖粉砌块的7 d 抗折强度分别为1 MPa、1.3 MPa、1.6 MPa、1.5 MPa、1.4 MPa；砖粉砌块的28 d 抗折强度分别为2 MPa、2.6 MPa、3.1 MPa、2.9 MPa、2.85 MPa；砖粉砌块的7 d 抗压强度分别为2.2 MPa、3 MPa、3.9 MPa、3.6 MPa、3.5 MPa；28 d 抗压强度分别为6.1 MPa、6.9 MPa、7.5 MPa、7.2 MPa、7.1 MPa。随着土壤固化剂掺量的增加，砖粉砌块的抗折强度与抗压强度呈现先增加后降低的趋势；当土壤固化剂掺量为1%时，砌块的抗折强度与抗压强度最高。原因在于，土壤固化剂可以促进水泥、砖粉、石灰和石膏形成致密、稳定，较高强度的结构。当土壤固化剂掺量超过1%，砖粉砌块的力学性能不再提升。原因在于，土壤固化剂是酸性物质，土壤固化剂掺量低时，对拌合料的碱性环境的影响可以忽略；当土壤固化剂掺量过高时，对拌合料的碱性环境的影响不可以忽略，它的存在降低了拌合料的碱性指数，导致砖粉砌块抗折强度与抗压强度有所降低。