固废型透水砂浆的制备与基本性能研究.pdf

新型建筑材料圆园23援11基金项目：国家自然科学基金项目（52078279）；绍兴市科技计划专项项目（2022A13007）收稿日期：2023-07-13；修订日期：2023-09-11作者简介：黄泓萍，女，1988 年生，硕士，讲师，E-mail：。通讯作者：张炯，教授，博导，E-mail：。浙江作为沿海经济发达省份，冬冷夏热，雨量充沛，然而透水性极差的沥青、混凝土路面导致路面很难与空气进行热量和水分的交换，城市“热岛效应”、内涝等问题日趋严重。基于此，国内有大量学者对路面透水材料开展研究。研究成果大多集中掺合料、骨料级配等对透水混凝土力学性能、透水性能的影响1-4。针对透水砂浆基本性能的研究较少。我国每年产生废弃砖、废弃混凝土、废弃矿石和渣土等建筑垃圾可达 20 亿 t，其中废弃混凝土占 65%以上。废弃混凝土经过多次破碎筛分后可制成再生骨料，但再生骨料生产过程中会产生 10%20%粒径小于 0.075 mm 的粉末，这种粉末称为再生微粉，可作为辅助胶凝材料取代部分水泥5-9。此外，随着城市的发展，轨道项目产生的渣土也不可忽视，据统计，固废型透水砂浆的制备与基本性能研究黄泓萍1，祝张法2，张炯3，田培军4，汤薇1，沈书增1（1.浙江省通用砂浆研究院，浙江 绍兴312000；2.浙江益森科技股份有限公司，浙江 绍兴312010；3.山东大学 土建与水利学院，山东 济南250061；4.宁波东兴沥青制品有限公司，浙江 宁波315000）摘要：为了实现建筑垃圾的资源化利用，以废弃渣土为原材料利用免烧结技术制成再生细集料，对比研究了再生细集料替代机制砂以及粉煤灰、再生微粉替代水泥制备的固废型透水砂浆的强度和透水性变化规律。结果表明，当再生细集料掺量在 20%以内，对砂浆的抗折、抗压强度影响不大，且能提高固废型透水砂浆的透水性；粉煤灰掺量在 15%以内对固废型透水砂浆影响不大，但随着掺量增加会大大降低固废型透水砂浆强度和透水性；再生微粉对固废型透水砂浆的强度和透水性影响较大，主要与其粒径较粗、活性低有关，对配制强度有严格要求的固废型透水砂浆时，再生微粉适宜掺量为胶凝材料的 5%。关键词：固废型透水砂浆；再生细集料；再生微粉；力学性能；透水性中图分类号：TU528.37文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）11-0110-04Study on preparation and basic properties of solid waste type permeable mortarHUANG Hongping1，ZHU Zhangfa2，ZHANG Jiong3，TIAN Peijun4，TANG Wei1，SHEN Shuzeng1（1.Zhejiang Institute of General-purpose Morta，Shaoxing 312000，China；2.Zhejiang Yisen Polytron Technologies Co.Ltd.，Shaoxing 312010，China；3.School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；4.Ningbo Dongxing Asphalt Products Co.Ltd.，Ningbo 315000，China）Abstract：In order to realize the resource utilization of construction waste，uses waste residue as raw material to make recy原cled fine aggregate by non-sintering technology，and compares and studies the change law of strength and water permeability ofsolid waste permeable mortar prepared by different mixtures of recycled fine aggregate instead of machine-made sand and differentmixtures of fly ash and recycled fine powder instead of cement.The results show that when the content of recycled fine aggregateis less than 20%，it has little effect on the bending and compressive strength of mortar，but can improve the water permeability ofsolid waste type permeable mortar.When the fly ash content is less than 15%，the above properties are not affected.The increaseof fly ash content reduces the strength and water permeability of solid waste type permeable mortar.The regenerated micropowderhas great influence on the strength and water permeability of solid waste type permeable mortar，which is mainly related to the lowactivity of regenerated micropowder and coarser particle size.When the strength of permeable mortar is strictly required，the opti原mum content of reclaimed micro powder is 5%of the cementitious material.Key words：solid waste type permeable mortar，recycled fine aggregate，recycled powder，mechanical properties，permeability中国科技核心期刊110晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂20182021 年绍兴市轨道项目产生地铁渣土总量达 1100 万m3，排放量远大于消耗量。基于此，本试验将废弃渣土作为原材料，通过外加剂技术与特殊工艺制成的免烧结再生细集料可以代替砂浆中的部分机制砂，同时掺入粉煤灰与再生微粉代替部分水泥制备固废型透水砂浆，不仅能减少水泥、天然砂的用量，且能减少碳排放量，降低成本，缓解渣土堆放压力，实现固废资源化利用。1试验1.1原材料（1）水泥：P O42.5 水泥，浙江兆山建材科技有限公司，其主要性能见表 1。表 1水泥的主要性能（2）细骨料：机制砂，浙江益森科技股份有限公司，细度模数 2.5，堆积密度 1450 kg/m3，表观密度 2580 kg/m3，空隙率40%。（3）粉煤灰：域级，浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，细度 19.5%，需水量比 98.5%，烧失量 5.82%，含水量 0.9%，三氧化硫含量 1.43%，密度 2.35 g/cm3。（4）再生微粉：浙江益森科技股份有限公司，比表面积425m2/kg。（5）渣土：绍兴市轨道交通项目废弃渣土，质地较松散，形态不定，有刺鼻臭味，含水率 46.2%，pH 值 12.1，干重度 8.32kN/m3。（6）生石灰：工业级，浙江兆山建材科技有限公司。（7）土壤固化剂：工业级，安徽智汇环保路基新材料有限公司。（8）复合改性外加剂：自制，主要由复合早强激发剂、具有羟基玻璃化温度为-400 益的二烯系橡胶凝胶、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物、可再分散性乳液等按一定比例复配制成。（9）水：自来水。1.2再生细集料的制备再生细集料：细度模数 2.7，堆积密度 1410 kg/m3，空隙率43%。其制备方法如下：（1）烘干：废弃渣土在 105 益的烘箱中烘干 8 h，冷却至室温后放入粉碎机破碎成粉末，再将过 200 目筛的粉末加入3%生石灰混合均匀后喷洒土壤固化剂，装袋闷 72 h 后备用。（2）控制最佳含水量：根据试验结果得到最大干密度后加入 5%P O42.5 水泥，拌匀，加水拌合后倒入粒径 0.604.75 mm的模具并不断震荡排除气泡。（3）养护：将凝固的再生细集料脱模后在相对湿度逸95%，温度（20依2）益的环境下养护 6 d，泡水 1 d 测试后测试压碎指标，满足单级最大压碎指标小于 30%。1.3配合比设计试验基准配合比见表 2。表 2试验基准配合比试验设置了基准组 A、B 两组。分别在基准组 A、B 基础上掺入 0、10%、20%、30%的再生细集料代替部分机制砂制备A0A3、B0B3 共 8 组试件，测试其抗折强度、抗压强度和透水性（每组 3 个试件），研究再生细集料对固废型透水砂浆强度和透水性的影响。选定配合比后，再单掺不同掺量（0、5%、10%、15%、20%）粉煤灰代替水泥制备 C0C4 组试件，复掺不同掺量的粉煤灰和再生微粉 5%+5%、5%+10%、10%+15%、20%+5%制备 D1D4 组试件，测试其抗折强度、抗压强度和透水系数（每组 3 个试件），研究粉煤灰与再生微粉对固废型透水砂浆性能的影响。1.4试验方法（1）强度：首先根据GB/T 24192005 水泥胶砂流动度测定方法，以砂浆流动度（180依2）mm 确定用水量。然后根据GB/T 176712021 水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）的要求制作 3 条尺寸为 40 mm伊40 mm伊160 mm 的试件，在温度为（20依2）益，相对湿度为 95%的养护箱养护至 7、28 d 测试其抗折和抗压强度。（2）透水系数：制备 100 mm伊100 mm伊100 mm 试件，每组3 个，在温度为（20依2）益，相对湿度为 95%以上的标准养护室中养护至 27 d 后取出，随后将试件放在（20依2）益的水中浸泡24 h 后按JC/T 25582020 透水混凝土 中附录 A 的规定进行测试。2试验结果与分析2.1再生细集料对固废型透水砂浆性能的影响2.1.1再生细集料对固废型透水砂浆强度的影响（见表 3）标准稠度用水量/%比表面积/（m2/kg）抗压强度/MPa抗折强度/MPa凝结时间/min安定性3 d3 d初凝终凝26.038224.750.14.97.9175225合格28 d28 d编号材料用量/（kg/m3）水胶比基准组 B39016007.81300.33水泥砂外加剂水基准组 A37016005.41230.33黄泓萍，等：固废型透水砂浆的制备与基本性能研究111新型建筑材料圆园23援11表 3再生细集料对固废型透水砂浆强度的影响由表 3 可以看出，随着再生细集料掺量增加，固废型透水砂浆的抗折、抗压强度均呈现降低的趋势。当再生细集料掺量大于 20%时，抗折、抗压强度降幅增大。主要由于再生细集料颗粒圆润，一定掺量的再生细集料可以有效改善砂浆的流动性，但再生细集料开口孔隙率高于机制砂，砂浆中的水泥、外加剂用量不变，随着再生细集料掺量继续增加，开口孔隙率逐渐占主导因素，用水量随之增大，试件水胶比也逐渐增大引起强度明显降低；其次再生细集料间断级配，空隙率大，进一步削弱了骨料的骨架作用导致砂浆强度降低。固废型透水砂浆强度与再生细集料的掺量呈负相关，当再生细集料掺量为20%时，A2 组固废型透水砂浆的 28 d 抗折、抗压强度比 A0组分别降低了 10.1%、15.8%；当再生细集料掺量增加至 30%时，A3 组固废型透水砂浆的 28 d 抗折、抗压强度分别比 A0组降低了 29.1%、27.2%。对比 A、B 两组可知，增加水泥用量可提高砂浆强度但并不明显，B3 组 28 d 抗折、抗压强度分别比 A3 组提高了 3.6%、5.7%。因此，当再生细集料掺量小于20%时，并不会明显降低固废型透水砂浆强度。2.1.2再生细集料对固废型透水砂浆透水系数的影响（见图 1）图 1再生细集料对固废型透水砂浆透水系数的影响由图 1 可以看出，随着再生细集料掺量增加，固废型透水砂浆透水系数呈线性递增的趋势。这是因为再生细集料为间断级配，空隙率大，因此再生细集料的掺入可以明显提高砂浆的透水性10。对比 A、B 两组可以看出，增加水泥用量可提高砂浆强度，但效果并不明显，而透水性却有所降低，B3 组比A3 组透水系数降低了 6.6%。由此可见，过量的水泥浆体会堵塞骨料之间的空隙而导致透水性下降。固废型透水砂浆在自制外加剂的作用下，其胶凝材料反应生成柔性的网状膜结构，对砂浆起到增韧作用，从而提高透水砂浆的抗折强度，因此再生细集料掺量在 20%以内时，可以提高固废型透水砂浆的透水性但不会明显降低强度。由上述分析可知，再生细集料的最佳掺量为 20%，且不需要加入过多的水泥提高其强度。2.2粉煤灰对固废型透水砂浆性能的影响2.2.1粉煤灰对固废型透水砂浆强度的影响（见表4）表 4粉煤灰对固废型透水砂浆强度的影响由表 4 可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，固废型透水砂浆强度整体呈下降趋势。当粉煤灰掺量在 15%以内时，强度下降较为缓慢，C3 组 28 d 抗压强度比 A2 组降低了 15.2%；当粉煤灰掺量增加至 20%时，强度降低较为明显，C4 组 28 d抗压、抗折强度比 A2 组分别降低了 28.7%、40.0%。这是因为，一方面，粉煤灰中含有大量活性的 SiO2和 Al2O3，这 2 种成分总含量可达70%以上，Si 和 Al 与水泥水化产生的 Ca（OH）2等碱性物质发生反应，生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶和水化硅铝酸钙（C-A-S-H）凝胶，在具有羟基玻璃化温度为-400 益的二烯系橡胶凝胶、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物作用下使得砂浆结构更加致密。但另一方面，随着粉煤灰掺量增加，水泥量减少，导致胶凝材料用量下降，粘结强度降低；且试验所用的粉煤灰细度较粗，烧失量也偏大，因此导致用水量较大，外加剂含量稀释，有效用量降低，砂浆各龄期的抗折、抗压强度均逐渐降低。2.2.2粉煤灰对固废型透水砂浆透水系数的影响（见表 5）表 5粉煤灰对固废型透水砂浆透水系数的影响由表 5 可以看出，随着粉煤灰掺量增加，砂浆透水系数逐编号粉煤灰掺量/%水胶比C4200.372.04.912.220.1A200.343.67.117.828.2C150.343.26.515.926.5C2100.353.06.315.225.7C3150.362.65.814.623.97 d7 d28 d抗折强度/MPa抗压强度/MPa28 d编号再生集料掺量/%水胶比B3300.363.15.815.325.8A000.334.47.922.133.5A1100.333.97.320.431.2A2200.343.67.117.828.2A3300.362.85.614.524.4B000.335.28.524.535.2B1100.344.37.922.333.6B2200.353.87.418.130.1抗折强度/MPa7 d抗压强度/MPa7 d28 d28 d粉煤灰掺量/%05101520透水系数/（mm/s）1.471.421.311.170.98黄泓萍，等：固废型透水砂浆的制备与基本性能研究112晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂渐减小，粉煤灰掺量为 5%、10%、15%、20%组透水系数较未掺粉煤灰的 A2 组分别减小了 3.4%、10.9%、20.4%、33.3%。当粉煤灰掺量大于 15%时，透水性明显下降。这是由于随着粉煤灰掺量的增加和养护龄期的延长，粉煤灰的充分发挥火山灰活性在碱性物质作用下生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶和水化硅铝酸钙（C-A-S-H）凝胶填充到骨料空隙中，此外粉煤灰中粒径较小的微珠、碎屑会填充到砂浆结构中空隙和再生细集料的孔隙中，使得透水砂浆的孔隙率下降，导致固废型透水砂浆的透水性持续下降。从强度和透水性来看，当粉煤灰掺量为 5%时，对固废型透水砂浆的性能影响较小，当掺量大于 15%时，固废型透水砂浆的强度和透水性下降较明显，因此固废型透水砂浆中粉煤灰的掺量不宜超过 15%。2.3粉煤灰和再生微粉双掺对固废型透水砂浆性能的影响2.3.1粉煤灰和再生微粉双掺对固废型透水砂浆强度的影响（见表 6）表 6粉煤灰和再生微粉双掺对固废型透水砂浆强度的影响由表 6 可以看出，粉煤灰掺量不变，随着再生微粉掺量的增加，固废型透水砂浆的强度逐渐降低，尤其早期抗折强度下降较为明显，D2 组比 D1 组 7 d 抗折强度降低了 24.0%，28 d抗折、抗压强度分别降低了 13.8%、8.9%。对比 D2 和 D3 组可以看出，再生微粉掺量不变时，粉煤灰掺量越大，强度越低，但D3 组下降幅度低于 D2 组。对比 D3 和 D4 组可以看出，当粉煤灰和再生微粉总掺量相同时，再生微粉掺量越高，强度越低。这是因为再生微粉是废弃混凝土破碎再利用得到的粉末，含有 琢-SiO2、CaCO3以及一系列水泥水化产物，具有一定活性。而再生微粉中的 Ca2+可以促进粉煤灰参与反应生成 C-S-H、C-A-S-H 凝胶并可以与外加剂中的其他胶凝材料生成的C-S-H 形成化学键，促进水化硅酸钙（C-S-H）凝胶的桥接，因此低掺量的再生微粉并不会对固废型透水砂浆强度造成严重影响9。但随着再生微粉的掺量逐渐增加到 10%，砂浆用水量明显增大导致强度降低，这与再生微粉含有裂隙及粒径较粗有关。再生微粉中的裂隙在毛细作用下吸水量增加，稀释了外加剂影响了网状膜结构的生成，同时由于再生微粉比粉煤灰粗，导致参与填充部分非活性部分效果削弱因而砂浆强度下降明显。2.3.2粉煤灰和再生微粉双掺对固废型透水砂浆透水系数的影响（见表 7）表 7粉煤灰和再生微粉双掺对固废型透水砂浆透水系数的影响由表 7 可以看出，透水系数的变化规律与强度相似。随着再生微粉掺量的增加，透水系数逐渐减小，且再生微粉对透水砂浆透水性负面作用大于粉煤灰。这主要因为再生微粉活性低，其颗粒会填充到透水砂浆空隙中，附着到再生细集料表面导致砂浆透水性明显下降。因此对配制强度有严格要求的固废型透水砂浆时，再生微粉的适宜掺量为胶凝材料质量的 5%。3结论（1）随着再生细集料掺量的增加，固废型透水砂浆的强度逐渐降低，但透水性有所提高。当再生细集料掺量在 20%以内，对砂浆的抗折、抗压强度影响不大，能提高固废型透水砂浆的透水性。（2）随着粉煤灰掺量的增加，固废型透水砂浆强度和透水性整体呈下降趋势。当粉煤灰掺量在 15%以内时，强度下降幅度不大，当掺量增加至 20%时，强度下降较为明显。（3）再生微粉对固废型透水砂浆的强度和透水性影响较大，这主要与再生微粉粒径较粗及活性低有关，因此对配制强度有严格要求的固废型透水砂浆时，其适宜掺量为胶凝材料质量的5%。参考文献：1Likes L，Markandeya A，Haider M M，et al.Recycled concreteand brick powders as supplements to Portland cement for moresustainable concreteJ.Journal of Cleaner Production，2022，364：132651.2Ye T，Xiao J，Duan Z，et al.Geopolymers made of recycled brickandconcretepowder-AcriticalreviewJ.ConstructionandBuilding Materials，2022，330：127232.3Marvila M T，de Azevedo A R G，de Matos P R，et al.Materialsfor production of high and ultra-high performance concrete：Review and perspective of possible novel materialsJ.Materials，2021，14（15）：4304-4307.（下转第 132 页）编号水胶比A20.343.67.117.828.2D10.352.55.814.524.7D20.361.95.012.722.5D30.371.24.510.418.9D40.371.74.911.219.9粉煤灰掺量/%0551520再生微粉掺量/%0510105抗折强度/MPa7 d抗压强度/MPa7 d28 d28 d编号D2D3D4透水系数/（mm/s）0.930.680.72D11.15A21.47黄泓萍，等：固废型透水砂浆的制备与基本性能研究113新型建筑材料圆园23援11（上接第 113 页）4ZhangJ，MengB，WangZ，etal.Numericalsimulationoncleaning of clogged pervious concrete pavement J.Journal ofCleaner Production，2022，341：130878.5赵祥冉，张圣菊，薛洁，等.利用垃圾废料制备透水混凝土试验研究J.新型建筑材料，2020，47（5）：13-16.6彭玉清，郭荣鑫，林志伟，等.粉煤灰-矿渣基地聚合物砂浆凝结时间及力学性能试验研究J.新型建筑材料，2021，48（12）：138-144.7辛志鹏，朱亚光，徐培蓁，等.粉煤灰及聚丙烯纤维对再生透水混凝土性能的影响J.混凝土，2023（1）：73-77，81.8王炳监，胥民尧，沈俊宇，等.改性再生粗骨料对混凝土力学性能和渗透性能的影响J.水利水电技术（中英文），2023，54（1）：199-206.9杨宏天，李北星，易浩，等.再生微粉代粉煤灰对再生混凝土性能的影响J/OL.水利水电技术（中英文）：1-142023-5-31.10张炯，明瑞平，代朝霞，等.透水混凝土渗透性能及堵塞研究综述J.混凝土，2019（7）：94-99.蒉5结论（1）对于 8 mm 的钢化玻璃，最大主应力达到 84 MPa 时认为玻璃破碎。隐框式幕墙玻璃破碎的起始位置可分为 3 种，分别为从玻璃面板的角部边缘开始破坏、从玻璃面板边缘的中部开始破坏、从玻璃面板中部开始破坏。（2）相对于风荷载，室内外温差对隐框式幕墙玻璃最大主应力的影响更大。当环境温度低于 0 益时，结构胶损伤的幕墙玻璃面板更容易发生破碎，温度变化对幕墙玻璃面板最大主应力的影响更大；当环境温度高于 20 益时，风力变化对幕墙玻璃面板最大主应力的影响更大。（3）对于点支式幕墙玻璃，在温度与风荷载联合作用下，框中处的应变最大，驳接爪处的应变最小，应力受温度影响较大，变化趋势与隐框式一致。（4）对比隐框式、点支式幕墙玻璃的应力情况可知，在相同的温度与风荷载联合作用下，点支式最大主应力较大，通过计算其安全度可以得出，隐框式幕墙玻璃更为安全。参考文献：1李书进，李维，孙磊，等.襄阳大剧院风荷载风洞试验研究J.空间结构，2017，23（4）：71-76，83.2王娜，马眷荣，刘海波.负风压下结构密封胶对隐框幕墙力学行为的影响J.硅酸盐通报，2011，30（2）：320-324.3Behr R A，Minor J E，Linden M P，et al.Laminated glass unitsunder uniform lateral pressureJ.Journal of Structural Engineer原ing，1985，111（5）：1037-1050.4Minor J E，Reznik P L.Failure strengths of laminated glassJ.Journal of Structural Engineering，1990，116（4）：1030-1039.5黄小坤，段树坤，刘强，等.玻璃结构研究进展与工程实践J.建筑结构学报，2020，41（6）：1-20.6郑恒，张喜臣，王洪涛，等.基于原点频响函数的建筑玻璃幕墙粘接结构损伤检测J.振动与冲击，2021，40（13）：289-298.7Hong X B，Liu Y，LIN P S，et al.Interfacial adhesion-strength de原tection of structural silicone sealant for hidden frame-supportedglass curtain wall based on nonlinear ultrasonic lamb waveJ.Journal of Aerospace Engineering，2018，31（5）：04018047.8Yuan Y，Zhou Y F，Wang L X，et al.Coupled deformation behav原ior analysis for the glass panel in 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