再生砖粉活性及其在道路水稳层中的应用研究_刘鑫.pdf

公路 年月第期 基金项目：天津市重点研发计划科技支撑计划重点项目，项目编号 收稿日期：，（），）：，：；文章编号：（）中图分类号：文献标识码：再生砖粉活性及其在道路水稳层中的应用研究刘鑫（中铁建大桥工程局集团建筑装配科技有限公司天津市 ）摘要：针对目前废弃黏土砖类建筑垃圾存量大、处理难和利用率低的问题，研究了再生烧结黏土砖粉的活性，并研究了其在替代粉煤灰后应用于道路水稳层后的性能。结果表明：再生烧结黏土砖粉的活性指数能够达到，满足作为水泥活性混合材料中粉煤灰的活性指数要求。结合 射线衍射、傅里叶红外光谱和扫描电子显微镜分析发现，再生烧结黏土砖粉的活性源于其内部的活性 、等成分，该活性成分能够与水泥水化产物中的（）反应形成新的硅酸盐和铝酸盐水合物，从而形成较为密实的微观结构。再生烧结黏土砖粉替代粉煤灰后制备的水泥砖粉稳定碎石材料具有良好的力学性能，能够满足极重、特重交通的高速公路和一级公路的基层以及底基层的强度要求。关键词：道路基层；再生砖粉；活性机理；水泥砖粉稳定碎石材料我国正处于城市化建设的关键时期，基础设施建设的加快加速了我国对建筑材料的需求，同时也使得我国建筑垃圾在短时间内大量产生。大量堆放的建筑垃圾造成了严重的资源浪费和环境污染。其中，世纪 年代建成的建筑是目前我国拆除建筑垃圾的主要来源。而在 世纪 年代中，大量建筑以黏土砖为主要材料。研究发现，黏土砖类建筑垃圾占建筑垃圾总量的 以上，。当前，国内常见的建筑垃圾处理方式主要是通过破碎，将 其 制 备 成 再 生 骨 料 用 以 替 代 天 然 骨 料 使用。然而由于黏土砖类再生骨料存在着强度低、孔隙率高和吸水性高等缺点，进而导致其资源化 年第期刘鑫：再生砖粉活性及其在道路水稳层中的应用研究利用困难。众所周知，黏土砖的主要化学组成为 、等，同时由于其矿物成分中含有大量的火山灰成分，因此磨细后的再生黏土砖粉具有替代水泥或粉煤灰在水泥基材料中应用的可行性。研究表明：再生砖粉中 含量高且质软易磨，低能耗下粉磨能够获得更高的细度从而在一定程度上提高其性能，。此外，在水泥基材料的应用中能够细化其微观结构、强化界面过渡区，低掺量下掺入能够提高力学及耐久等性能。然而，目前的研究主要集中于再生砖粉用于砂浆或混凝土中作为辅助胶凝材料的应用研究，而对于其在公路路基材料中的应用却鲜有研究。因此，本文通过选取拆迁现场破碎的黏土砖骨料，在球磨机中球磨后得到粒径范围在 的再生砖粉，测定其活性指数并结合射线衍射（）、傅里叶红外光谱（）和扫描电子显微镜（）观察了其水化产物及微观结构，分析其活性作用形成机理；同时，利用再生砖粉替代粉煤灰，制备水泥砖粉稳定碎石材料，与传统的水泥粉煤灰稳定碎石材料形成对比，研究了水泥砖粉稳定碎石材料的力学性能。试验 试验原材料水泥：普通硅酸盐水泥。粉煤灰：天津某公司提供的优质粉煤灰（）。标准砂：厦门某公司生产的 标准砂。水：当地自来水。砂：普通河砂，粒径范围为 ，细度模数为 ，堆积密度为 。碎石：粒径范围为，具有连续级配。再生砖粉（）：天津市某拆迁现场产生的废弃砖，经过破碎、球磨和筛分后得到粒径范围为 的再生砖粉，其化学组成及矿物组成如表和图所示。表再生砖粉化学组成成份 含量 由表可知，再生砖粉的主要氧化物组成为 、和 等，与粉煤灰相似。从图可以看出，再生砖粉主要由石英、碳酸钙和钙镁酸盐等矿物组成。图再生砖粉的矿物组成 试验方案试验按照 混凝土和砂浆用再生微粉（）中相关规定进行，按表所示配比制备尺寸为 的水泥砂浆试样。同时制备同尺寸、同配比的水泥净浆和砖粉净浆试样，其配合比如表所示。上述试样均在室温下养护脱模后放入标准养护室内养护至 后进行试验。表再生砖粉活性测试试样配合比试样编号混合比例再生砖粉水泥水水灰比砂 对照组 试验组 表水泥净浆和砖粉净浆试样配合比试样编号混合比例再生砖粉水泥水水灰比 对照组 试验组 根据 公路路面基层施工技术细则（）中相关要求，水泥粉煤灰稳定碎石材料的最佳含水量和最大干密度采用击实法测量。按照上述方法得到水泥粉煤灰稳定碎石材料的最佳配比后，采用该最佳配比采用静压成型的方法分别成型水泥粉煤灰稳定碎石材料和水泥砖粉稳定碎石材料。每种水泥稳定碎石材料试样成型数量为块，成型后的试样分别标号号。试验方法 再生砖粉活性指数再生砖粉活性指数采用试验组再生砖粉砂浆与对照组水泥砂浆抗压强度值之比来表示，其计算如公式（）所示。砂浆抗压强度试验根据 水泥胶砂强度检测方法（）中相关规定进行测定。（）式中：为再生砖粉胶砂 抗压强度值；为水泥胶砂 抗压强度值；为再生砖粉活性指数。微观性能将破碎后的水泥净浆和砖粉净浆试样放入无水乙醇中以终止水化，在试验前取出研磨成粉末并放置于 的 烘 箱 中 干 燥，采 用 扫 描 电 子 显 微 镜（）、傅里叶红外光谱仪（）和 射线衍射仪（）分别对砖粉净浆和水泥净浆的微观结构及水化产物进行分析，以探明再生砖粉的活性作用形成机理。水泥稳定碎石材料水泥粉煤灰稳定碎石材料最佳含水量和最大干密度测试根据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程（）中相关规定进行。采用多功能电动击实仪（）进行击实试验，试样的总击实层数为层，每层击实次数为 次，击实试验完成后刮平并称取其质量，采用脱模器脱模后取有代表性的样品进行含水量和干密度测试并绘制二次拟合曲线，以确定水泥粉煤灰稳定碎石材料的最佳配比。采用上述方法确定的最佳配比分别成型水泥粉煤灰稳定碎石材料和水泥砖粉稳定碎石材料，成型方法为静压法成型，试样脱模后立即装入密封袋密封并放入到标准养护室中养护，随后从标准养护室中取出放入到水中养护，养护完成后的试样采用 型压力试验机测定其无侧限抗压强度。试验配合比再生砖粉活性测试试验配比如表所示，水泥净浆和砖粉净浆的试验配合比如表所示。其中 代表对照组，代表试验组。在水泥稳定碎石材料无侧限抗压强度试验中，胶凝材料采用水泥:粉煤灰砖粉:的比例。骨料碎石级配如图所示。结果与讨论 再生砖粉的活性再生砖粉的活性试验结果如表所示。从表图水泥稳定碎石材料骨料碎石级配中可以看出，与 组水泥砂浆相比，掺入再生砖粉后，试验组砂浆强度出现显著降低。具体为，组和 组 水 泥 砂 浆 的 抗 压 强 度 分 别 为 和 ，并通过活性指数计算得再生砖粉活性指数为，这说明再生砖粉与粉煤灰类似，是具有一定活性的水泥活性材料。根据 用于水泥和混凝土中的粉煤灰（）中相关要求，用作水泥活性混合材的粉煤灰活性指数要求不低于，该再生砖粉满足活性指数性能的要求。为解释再生砖粉在水泥基材料中的活性作用形成机理，对 组和 组的水化产物组成进行了分析，结果分别如图和图所示。表再生砖粉活性指数试样编号抗压强度 活性指数 对照组 试验组 图 组和 组净浆的 图谱 公路 年第期 年第期刘鑫：再生砖粉活性及其在道路水稳层中的应用研究图 组和 组净浆的红外光谱图为 组与 组在同配比和龄期下的水化试样在 的 图谱。从图中可以看出，组净浆与 组净浆之间相比，其水化产物物相无明显差别，各试样物相中均可见有 、和（）等晶相。组净浆和 组净浆中都存在明显的特征衍射峰，这是由于 水化反应较慢所致。与 组净浆相比，组净浆中的特征衍射峰强度减弱，这是由于再生砖粉的掺入导致水泥用量的减少。同时，组净浆中 晶体的特征衍射峰强于对照组，这是由于再生砖粉中 含量明显高于水泥所致。然而，组净浆中（）特征衍射峰强度却明显低于 组水泥净浆，造成上述结果的原因包括两方面：首先水泥用量的减少导致水化产物（）含量的降低，从而使得特征衍射峰强度降低；其次，再生砖粉具有的火山灰活性能够消耗 （）并生成额外的水化产物，这导致了其水化产物体系中 （）含量的降低，使特征衍射峰强度减弱。图所示为同配比、同龄期下的水泥净浆和砖粉净浆的傅里叶红外光谱图。从图中可以看出，在 附近出现了 的伸缩振动峰，这来自于水泥水化产物中的（），并且在 图谱中该处峰强大幅减弱，说明添加再生砖粉后，砖粉 净 浆 中 水 化 产 物（）的 含 量 降 低；在 附近出现的 的伸缩振动峰来自于 中的结合水，同样在 附近出现 的吸收峰，然而观察发现在加入再生砖粉后该处吸收峰的峰值向低波数移动，由原先的频率 变为了 ，两者相差 。产生上述结果的原因是由于硅酸盐解聚和 替代部分 后，部分的铝氧四面体取代了硅氧四面体所致。微观结构为进一步解释再生砖粉的加入对水泥水化的影响，采用扫描电子显微镜对 组和 组净浆的微观结构进行了进一步分析，结果如图所示。从图（）中可以看出，当未掺入再生砖粉时，其微观结构中除可以观察到大量 凝胶外，同时可见有明显的六方片状 （），微观结构密实；而掺入再生砖粉后，如图（）所示，除仍可见有水化产物 凝胶外，还存在有较多光滑块状物质（砖粉颗粒），这使得其微观结构孔隙增多，同时六方片状（）数量大量减少，在部分砖粉颗粒表面虽未存在有水化产物生成，但与周围水化产物之间结合较为紧密，分析这是由于再生砖粉中的活性成分与（）反应形成了额外的水化产物，增加了其微观结构的密实性。图净浆微观结构 再生砖粉在道路水稳层中的应用研究水泥粉煤灰稳定碎石材料击实试验结果如图所示。从图 中 可 以 看 出，当 含 水 量 为 时，随着含水量的增加，水泥粉煤灰稳定碎石材料干密度先增加后降低，并在含水量为 时达到材料试验干密度最大值 。根据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程（）中相关规定，对数据进行二次函数曲线拟合，得到如图中所示的函数关系。其函数关系如式（）所示：（）式中：为含水量；为对应含水量下的干密度。图水泥粉煤灰稳定碎石材料含水量干密度由式（）可得，水泥粉煤灰稳定碎石材料在该配比下的最佳含水量和最大干密度分别为 和 。采用该配比制备的标号为号的水泥粉煤灰稳定碎石材料和水泥砖粉稳定碎石材料的无侧限抗压强度试验结果如图所示。从图中可以看出，水泥活性混合材种类的不同使得水泥稳定碎石材料的力学性能存在一定差异，当分别采用砖粉和粉煤灰作为水泥活性混合材时，其无侧限抗压强度平均值分别为 和 。产生上述结果的原因可能由于砖粉是表面多孔、粗糙、不规则的颗粒，这使得其拌和需水量增加，同时黏土砖所具有的特殊层状结构进一步增加了其吸水量；而粉煤灰为表面光滑的圆球状颗粒且其需水量较小，这使得更多的水能够作用于水泥的水化，更有益于早期水化反应的进行。根据 公路路面基层施工技术细则（）中相关要求，作用于极重、特重交通的高速公路和一级公路的基层和底基层的水泥粉煤灰稳定碎石材料，其无侧限抗压强度标准范围分别为 和 ，这说明再生砖粉取代粉煤灰后制备的水泥砖粉稳定碎石材料能够满足其力学性能要求，再生砖粉替代粉煤灰材料具有在公路路基工程中应用的可行性。图粉煤灰和砖粉水泥稳定碎石材料无侧限抗压强度结语（）再生砖粉的活性指数较高，可达到，满足用作水泥活性混合材的粉煤灰的活性指数要求。微观研究表明，再生砖粉具有较高的火山灰活性，其内部所含的活性 和活性 能够与水泥水化产物中的（）反应生成硅酸盐和铝酸盐等水合物，能够增强水泥基材料微观结构的密实度，具有与级以上粉煤灰相似的功能。（）利用再生砖粉制备水泥砖粉稳定碎石材料，其无侧限抗压强度可达到 ，能够满足极重、特重交通的高速公路和一级公路的基层以及底基层的强度要求，同时能够降低生产成本，具有在公路路基工程中应用的可行性。参考文献：，：赵磊 建筑垃圾再生微粉基本性能及应用研究北京建筑大学，（）：，（）：纪泳丞，张弘锐，杜任杰，等再生砖骨料混凝土力学性能劣化规律试验研究中国测试，（）：公路 年第期 年第期刘鑫：再生砖粉活性及其在道路水稳层中的应用研究 殷伟，杨硕，刘祥达，等加速碳化增强再生砖骨料的制备与性 能 研 究 新 型 建 筑 材 料，（）：楼聪，郑朝灿，李晓珍，等再生微粉活性对水泥胶砂性能的影响 工业建筑，（）：田青，屈孟娇，张苗，等废弃混凝土再生微粉激活方式研究进展 硅酸盐通报，（）：刘超，胡天峰，刘化威，等 再生复合微粉对混凝土力学性能及微观结构的影响建筑材料学报，（）：，：蒋华国，李凤华 再生微粉掺量对超高性能混凝土力学性能影响研究新型建筑材料，（）：，（）：李述俊 再生微粉的资源化再利用试验研究 青岛理工大学，：（，）：，（），；：；