再生复合微粉对水泥胶砂强度的影响和机理研究

李子云，郭孟涛，严云飞，班平，陈元元，谢祥兵

（1.郑州市路通公路建设有限公司，河南 郑州 450006；2.郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450046）

0 引言

工业固废粉煤灰常作为水泥混合料和混凝土掺合料，GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》对粉煤灰的理化性质及评价作出系统规定，其中粉煤灰作为混凝土掺合料可减少混凝土中水泥用量，改善混凝土的耐久性[1]。据统计2020年我国建筑固废约为30亿t，其中废弃黏土砖含量约占50%[2]，采用再生混凝土可有效解决砂石料短缺，破解建筑固废资源化利用率低的难题[2-3]。因此，开展建筑固废砖混复合微粉的性能表征及其对粉煤灰存在下水泥胶砂强度性能影响具有重要工程实践意义。

在水泥胶砂中掺加粉煤灰可促进水泥水化，改善界面粘结性能，有效提高其和易性和后期强度；再生混凝土微粉的化学成分主要为SiO2、Al2O3、CaO等，具有作为水泥水化晶核、良好次第水化反应及微集料填充效应能力[4]，如Xiao等[5]认为再生混凝土微粉替代水泥的最佳量为15%～30%，车玉君[6]、陈雪等[7]发现掺加再生微粉可加快水泥水化反应，提高砂浆微观结构密实性从而提高力学性能。再生砖粉主要化学成分SiO2、Al2O3等，可改善砂浆耐水性和体积稳定性[3，8]。另外，部分学者研究了2种以上掺合料复配对胶凝材料性能影响，如李辉等[9]研究发现，砖粉、矿渣、粉煤灰复合可有效提高胶砂28 d抗折强度；陈高丰等[10]认为，再生黏土砖粉、石灰石粉复配后胶砂抗压强度降低。

再生混凝土粉可作为辅助胶凝材料，其与水泥相互作用及机理已较为清晰，而建筑固废再生微粉是由再生砖粉、再生混凝土粉混合而成，且已有研究成果证实再生砖粉也可作为辅助胶凝材料。为此，研究再生砖粉与再生混凝土粉的综合作用及对水泥胶砂强度形成机理影响具有重要意义，是今后开展再生复合微粉作为混凝土矿物掺合料和辅助胶凝材料，尤其是进行道路工程中水泥稳定碎石混合料相应力学性能和耐久性性能评价的基础。

1 试验

1.1 原材料

废砖和废混凝土块均来自郑州航空工业管理学院20世纪50年代建造的实训工厂在拆除时产生的建筑固废，经人工分拣、筛选后，通过鄂式破碎机破碎成粗、细集料，在实验室通过试验小磨和电磁式制样粉碎机，依次把集料制备成再生粗、细集料，再生砖粉制备过程见图1。其中所制备的再生砖粉（brick-powder，简写B）、再生混凝土粉（concrete-powder，简写C），再生砖粉-混凝土粉再生复合微粉（BC）。

水泥：P·O42.5水泥，初凝、终凝时间分别为186、255 min，符合JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》要求；砂：ISO标准砂；粉煤灰（F）：Ⅱ级，河南焦作万方电厂。

1.2 砖混再生复合微粉配合比设计

以某省道改建工程中水泥粉煤灰稳定碎石基层中水泥、粉煤灰掺量为基准（JZ），即m（水泥）∶m（粉煤灰）=3.5∶5。采用再生砖粉、再生混凝土粉等质量替代部分水泥或粉煤灰进行胶砂力学强度试验。结合刘超等[2]、Xiao等[5]、朱鹏等[11]、周文娟等[12]、Tang等[13]研究成果，按照复配再生微粉替代水泥粉煤灰胶砂中水泥最大替代量为25%和粉煤灰最大替代量为100%，且重点考虑再生砖粉、再生混凝土粉在水泥粉煤灰胶砂中的比例，试验方案见表1，其中再生砖粉（B）与再生混凝土粉（C）分别按照质量比5∶0、4∶1、3∶2、0∶5进行复配，再生复合微粉和粉煤灰的微观形貌分别如图2、图3所示。砂浆水胶比为0.50，胶砂比为1∶3。

表1 砖粉再生微粉-粉煤灰材料配合比设计

由图2、图3可知，与粉煤灰相比，砖混再生微粉颗粒形貌极其不规则，其大部分为块状且存在棱角，再生砖粉颗粒表面比再生混凝土粉粗糙，且表面存在大量微裂缝或者孔隙，这有利于增强与水泥浆体吸附力；再生砖粉、混凝土微粉按照不同质量比例复配时，复配质量比为4∶1时表面较为致密，而复配质量比为3∶2时表面较为疏松，且存在部分空隙。

1.3 试验方法

1.3.1 胶砂强度测试

砂浆试件成型按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》进行，在规定条件下将所有试件放置在水泥胶砂养护箱中分别养护至3、7、28 d龄期，养护温度为（20±1）℃，利用抗压抗折一体机进行强度测试。

1.3.2 微观结构分析

SEM试样制作及观察过程为：在测试完28 d抗压强度的胶砂试样中心取出约1 cm×1 cm×1 cm小立方体放到无水乙醇中终止水化，经60℃电热鼓风干燥箱干燥处理，冷却后进行喷金处理开展SEM分析，并制取相应的净浆试样进行XRD分析。

2 结果与讨论

2.1 再生砖粉、混凝土粉性能评价及微观形貌分析

再生砖粉、再生混凝土粉的化学组成、粒度分布、XRD图谱分别见表2、图4、图5。其中化学组成利用X射线荧光光谱仪（XRF）进行测试，矿物组成采用XRD进行测试。

表2 再生微粉的化学成分 %

由图4可知，再生砖粉的颗粒较细且分布均匀，再生混凝土粉的颗粒较粗，前者粒径小于后者，再生砖粉颗粒粒度分布优于再生混凝土粉，再生混凝土粉粒径分布和水泥相似；再生砖粉中位粒径、表面积平均粒径、体积平均粒径分别为12.639、3.900、20.600μm，再生混凝土粉中位粒径、表面积平均粒径、体积平均粒径分别为19.053、4.584、23.828μm，水泥的平均粒径为18μm左右[12]，再生砖粉的平均粒径界于再生混凝土粉与水泥之间；室内试验制备再生砖粉和再生混凝土粉10 μm以下颗粒含量分别为41.49%、32.52%，45μm以下颗粒含量分别为81.15%、80.30%。

由表2和图5可知，再生混凝土粉中含有少量CaO与水反应生成碱激发剂Ca（OH）2，可对再生砖粉进行改性，从而提高再生砖粉的活性，而再生砖粉、再生混凝土粉均中均含有SiO2、Al2O3，可与水泥水化生成的Ca（OH）2反应，生成C-S-H和C-A-H、水化硫铝酸钙[4，7]，因此两类粉体材料均具有火山灰活性。另外，再生混凝土粉中CaCO3可与水泥水化产物生成碳铝酸盐，从而有利于细化水泥浆体中孔隙结构[15]。综上可知，再生砖粉和再生混凝土粉均具有一定活性可以替代部分胶凝材料或矿物掺合料。

2.2 粉煤灰存在下再生砖混微粉对水泥胶砂力学性能影响

2.2.1 粉煤灰存在下再生砖粉、再生混凝土粉对水泥胶砂力学性能的影响（见表3）

表3 粉煤灰存在下再生砖粉、再生混凝土粉对胶砂强度的影响

由表3可知，与基准试样早期强度相比，分别单掺再生砖粉或再生混凝土粉时掺量小于15%所对应的胶砂强度有所提高，且再生砖粉砂浆的早期强度增幅大于再生混凝土粉的，这主要是由于再生砖粉粒径小于混凝土粉，再生砖粉发挥微集料效应，改善胶凝材料颗粒级配，从而提高砂浆密实度[9]；随着再生微粉替代水泥胶凝材料掺量的增大，再生微粉水泥胶砂力学性能均表现为先升高后降低，在掺量为15%时胶砂强度最高，且砂浆3 d抗压强度提升最为显著，再生砖粉、再生混凝土粉分别提升19.08%、14.29%，而再生微粉胶砂28 d抗折强度与早期强度演化趋势一致，而抗压强度则表现为不同趋势，其中再生砖粉胶砂28 d抗压强度值为20.9 MPa，较基准试件（21.40 MPa）降低2.39%，而再生混凝土粉胶砂抗压强度值为22.0 MPa，较基准试件（21.40 MPa）升高2.80%，这说明再生混凝土粉活性大于再生砖粉，而两类再生粉体材料在粉煤灰存在下的胶砂强度演化规律同时也说明再生微粉中的活性SiO2、Al2O3与水泥水化反应生成的Ca（OH）2发生了火山灰效应，生成具有水硬性的C-S-H[4，7]，而再生微粉中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内发挥微集料效应，改善胶砂的密实度[12]，上述共同作用弥补了由于水泥胶凝材料含量减小而造成抗压强度大幅降低的趋势。

2.2.2 粉煤灰存在下再生砖粉与混凝土粉复配对水泥胶砂力学性能的影响

将再生砖粉（B）、混凝土粉（C）分别按照质量比3∶2、4∶1复配，等量替代部分水泥对胶砂强度的影响见表4，等量替代部分粉煤灰对胶砂强度的影响见表5。

由表4可知，随着再生复合微粉替代水泥掺量的增加，胶砂试件强度表现为先升高后降低，且再生砖粉、再生混凝土粉按照质量比3∶2复配时胶砂试件强度高于按照质量比4∶1复配试件强度；与表3相比可知，再生砖粉、再生混凝土粉复配时，其胶砂强度大于再生微粉单掺时的胶砂强度，这说明再生微粉复配有助于两者活性发挥，其微粉中CaO与水发生反应生成碱激发剂Ca（OH）2，进而可以与微粉中的SiO2和Al2O3发生水化反应生成具有水硬性的C-S-H和C3AH6[4，7]，这也说明在此比例下混凝土粉对砖粉活性激发效果最优；与基准试件相比，在复配质量比为3∶2且掺量为15%时，3、7 d抗折强度分别为2.1、3.1 MPa，28 d抗压强度为23.9 MPa，最大增幅为11.68%，这说明复配质量比为3∶2可有效提高单掺再生砖粉或者再生混凝土粉试件的早期强度，实现早期强度协同提升，另外混凝土粉中CaO遇水生成Ca（OH）2，进而激发再生砖粉火山灰效应进一步提升，使砂浆强度得到提高。

表4 粉煤灰存在下砖粉与混凝土粉复配替代部分水泥对胶砂强度的影响

表5 粉煤灰存在下砖粉-混凝土粉替代部分粉煤灰对胶砂强度的影响

由表5可知，与基准试件相比，随再生复合微粉替代粉煤灰掺量的增加，胶砂试件强度表现为先升高后降低，在掺量为35%时胶砂28 d抗折和抗压强度分别为5.9 MPa、33.5 MPa，分别为基准试件的1.51倍、1.56倍，再生复合微粉-粉煤灰-水泥胶砂力学强度性能最优，且在粉煤灰存在下再生复合微粉部分替代粉煤灰后胶砂强度整体提升；在同一替代质量分数下，随着养护龄期增长，在粉煤灰存在条件下，再生复合微粉水泥胶砂强度逐渐升高，而当再生复合微粉完全替代粉煤灰时，胶砂试件3、7 d强度表现为升高而28 d强度下降，其中抗折强度最大降幅13.51%，抗压强度最大降幅4.39%，这说明再生复合微粉在试件早期强度形成中主要发挥微集料填充效应，随着龄期逐渐延长，由于活性成分可与水泥水化产物反应促使其后期强度下降不显著，胶砂塑性性能得到改善。综上可知，在保持水泥掺量不变条件下，再生砖粉、再生混凝土粉、粉煤灰三种材料间在质量比为21∶14∶65时为水泥胶砂强度可达到最优值，在此质量比例下三种材料的微集料效应、填充效应、火山灰效应可得到充分发挥。

2.3 粉煤灰存在下砖混再生微粉水泥胶砂微观结构分析

2.3.1 粉煤灰存在下再生砖粉与再生混凝土粉复配对水泥胶砂微观结构的影响（见图6）

对比分析图6（a）、（b）可知，掺再生复合微粉后的水泥胶砂与水泥粉煤灰胶砂内部微观形貌均存在部分孔洞，但含有再生复合微粉的水泥胶砂较为密实，这说明再生复合微粉可发挥微集料的填充效应，再生复合微粉由于砖粉的火山灰效应和混凝土粉中的活性成分与水泥水化反应产物Ca（OH）2进行二次水化反应，造成掺再生复合微粉的水泥胶砂内部水化产物增多，粉煤灰颗粒表面絮状C-S-H凝胶层厚度图6（b）大于图6（a），同时图6（b）中存在大量纤维状晶体穿插在C-S-H凝胶等水化产物之间，从而提高水泥浆体密实度，减少Ca（OH）2晶体在砂浆内部的形成，从而有利于提高水泥胶砂试件的强度。

2.3.2 粉煤灰存在下再生砖粉与再生混凝土粉复掺对水泥净浆水化产物的影响

图7为水泥净浆（CP）、水泥粉煤灰净浆（CFP）、水泥粉煤灰再生砖粉净浆（CFBP）、水泥粉煤灰再生混凝土粉净浆（CFCP）、水泥粉煤灰再生砖粉混凝土粉混掺净浆（CFBCP，B与C的质量比为3∶2）28 d龄期时水化产物的XRD图谱。

从图7可以看出，28 d龄期时不同水泥净浆的主要水化产物为方解石（CaCO3）、钙矾石（AFt）、氢氧化钙（CH）和SiO2等，其中SiO2和CaCO3主要来自再生砖粉、再生混凝土粉和粉煤灰，而氢氧化钙（CH）主要来自于水泥的水化产物。结合图6可知，氢氧化钙（CH）多以层状或者片状的六方晶体存在，其排列方式影响水泥胶砂浆体的抗压强度[14-15]。因此，本研究采用特征衍射峰值强度来计算氢氧化钙（CH）的取向指数R，取向指数越大，氢氧化钙（CH）的取向性越强，抗压强度越低。本文选取衍射角18.1°（001）的氢氧化钙（CH）的晶面作为参考平面，则衍射角34.0°（101）的晶面取向指数R为：

表6为不同类型水泥净浆在28 d龄期时氢氧化钙（CH）在衍射角为18.1°（001）和34.0°（101）时衍射峰特征值，同时列出了SiO2在衍射角为26.7°时的特征值。

表6 氢氧化钙（CH）和SiO2的衍射峰特征值

由表6可知，水泥净浆的R值最小，其28 d相应胶砂抗压强度最大值为42.79 MPa，在粉煤灰存在下的水泥净浆R值均大于1.662，这说明掺加矿物掺合料替代部分水泥后其相应抗压强度值降低；在粉煤灰存在下，再生砖粉、再生混凝土粉复配时R值1.909分别小于再生砖粉和再生混凝土粉单独掺配的R值1.979、2.138，且再生砖粉的R值大于再生混凝土粉，这主要是因为再生砖粉和粉煤灰中SiO2在水泥水化反应早期能加速水化进程，而其再生砖粉和粉煤灰的火山灰效应同时又会与氢氧化钙（CH）反应导致其衍射峰有所降低，这与氢氧化钙（CH）在衍射角为18.1°（001）和34.0°（101）时衍射峰特征值的变化规律一致。

3 结论

（1）再生砖粉、再生混凝土粉均具有一定活性，可作为辅助胶凝材料替代部分水泥；随着单掺再生砖粉和混凝土粉掺量的增加，水泥胶砂试件强度表现为先升高后降低，且水泥胶砂试件单掺再生砖粉早期强度优于单掺再生混凝土粉，在掺量小于15%时，3 d抗压强度最大增幅为19.08%，28 d抗压强度最大降幅为2.39%。

（2）再生砖粉、再生混凝土粉可作为掺合料替代部分粉煤灰，两者以3∶2质量比复配时，随替代粉煤灰掺量增加，胶砂强度表现为先升高后降低，当再生砖粉、再生混凝土粉、粉煤灰按照质量比21∶14∶65掺配时，砂浆28 d抗折、抗压强度分别为水泥粉煤灰试件的1.51倍、1.56倍。

（3）再生砖粉和混凝土粉早期主要发挥微集料效应和促进水泥水化反应，可提高胶砂微观结构密实度和粉煤灰颗粒表面裹覆C-S-H层厚度，再生粉体火山灰效应可减少CH衍射峰强度，衍射角34.0°（101）的晶面取向指数R与胶砂抗压强度演化规律一致。