《武汉工程大学学报》  2022年01期 102-106   出版日期：2022-02-28   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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碱激发陶瓷粉对再生混凝土坍落度和抗压强度的影响


普通硅酸盐水泥以其优良的性能长期被建筑行业作为凝胶材料广泛使用。在2020年，中国水泥工业生产42亿吨，占全球水泥生产的53.84%［1］。然而水泥的大产量消耗了大量不可再生资源，同时排放大量二氧化碳。每千克硅酸盐水泥排放二氧化碳0.93 kg，消耗能源5.5 MJ［2］。目前，全球生产硅酸盐水泥排放的二氧化碳约占二氧化碳排放的8%［3］。因此，开发一种低碳、低能耗的绿色凝胶材料对水泥工业的可持续发展以及环境的保护有着重要意义。水泥工业碳排放主要来自于水泥熟料高温煅烧消耗煤的过程，以及水泥生产过程中方解石的分解［4］。因此，在混凝土中加入辅助胶凝材料取代部分硅酸盐水泥是目前最常用的办法［5-6］。陶瓷是由黏土、石英以及长石等材料混合后经高温烧制而成［7］，其主要成分为SiO2和Al2O3，且其具有一定的火山灰活性［8］。我国是陶瓷生产大国，每年陶瓷工业生产的陶瓷因运输等原因而损坏丢弃的陶瓷废弃物占陶瓷工业总产量的25%，且随其产量的增加不断增长［9］。因此，将陶瓷废弃物研磨成陶瓷粉（ceramic power， CP）作为混凝土中的辅助胶凝材料（supplementary cementitious materials， SCM）引起了建筑材料研究领域研究人员的关注与兴趣。以往的研究表明，CP在水泥基材料中的掺量在10%~20%不会对强度有不利影响，超过20%后强度会迅速降低［10-12］。Li等［13］研究发现，10%掺量的CP对水泥胶砂的后期抗压强度有较大提升。Li等［14］还发现掺入质量分数40% CP使水泥胶砂的气体渗透性和吸水性降低了60%，且随着CP的增加，孔隙率降低。Kannan等［15］发现CP在高性能混凝土早期起着填充作用，而后期其火山灰活性被激发，提高了高性能混凝土的抗压强度。再生粗骨料为建筑拆除垃圾破碎筛分而来，用再生粗骨料取代天然骨料是解决建筑垃圾产量大和混凝土持续发展的常用手段。因此将CP和再生粗骨料同时使用到混凝土中制备再生骨料混凝土（recycled aggregate concrete， RAC）不仅降低了生产混凝土产生的碳排放，而且可更好地使混凝土工业和陶瓷工业持续发展。但由于CP活性较低，如何提高CP作为再生混凝土中的SCM的活性值得继续研究。碱激发胶凝材料活性是一种常见的手段，根据以往研究，在胶凝材料中加入碱激发剂如NaOH、水玻璃、Na2SiO3·9H2O、Na2SO4等可以提高补充凝胶材料的水化率［16-18］。强碱可以加速CP中的玻璃相的解聚合作用，提高其在胶凝材料中的水化速率。因此，本试验使用强碱NaOH为碱激发剂来激发陶瓷粉的活性，采用强度活性指数（strength activity index， SAI）试验法来评价碱激发后陶瓷粉的火山灰活性。然后利用碱激发活性后的CP作为补充凝胶材料制备RAC，测试RAC的工作性能和7、28、56 d抗压强度。1　试验部分1.1　原材料水泥选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，为华新水泥鄂州有限公司生产的堡垒牌水泥，其物理性质如表1所示；碱激发剂NaOH为武汉试剂厂生产，纯度≥96%；再生粗骨料为湖北惠迪再生资源开发利用有限公司提供，粒径5~25 mm；天然粗骨料和天然细骨料为中建商品混凝土有限公司提供的天然碎石与天然河沙，粒径分别为5~25 mm和0~4.75 mm，骨料物理性能如表2所示；SAI试验法所用砂为ISO标准砂；CP为湖北武汉某陶瓷加工厂废弃瓷砖经过破碎后投入水泥试验磨中研磨1 h后得到，图1为CP和水泥的粒径分布图。图2（a，b）分别为试验所用粗骨料和细骨料级配图。 表1　水泥性能指标Tab. 1　Performance index of cement[标准稠度用水量 / % 初凝时间 / min 终凝时间 / min 抗压强度 / MPa 抗折强度 / MPa 3?d 28?d 3?d 28?d 29.4 228 283 30.12 43.48 3.9 6.8 ]表2　骨料物理性能Tab. 2　Physical properties of aggregate[物理性质 天然河砂 粗骨料 天然粗骨料 再生粗骨料 吸水率 / % 1.10 1.15 5.80 堆积密度 / （kg/m3） 1 480 1 623 1 230 表观密度 / （kg/m3） 2 548 2 663 2 593 压碎指标 / % — 11.1 16.8 ]图1　陶瓷粉和水泥粒径分布图Fig. 1　Particle size distribution of ceramic powder and cement1.2　火山灰活性评价火山灰活性评价按照SAI试验法进行试验。按照国家标准GB/T 51003-2014《矿物掺合料应用技术规范》，将CP和碱激发CP分别与水泥按1∶4的质量比制成混合水泥胶砂试件，同时制作纯水泥胶砂，按表3所示胶砂配合比将材料分别放入搅拌锅中搅拌3 min形成混合物，然后将混合物装入40 mm×40 mm×160 mm试模中并分2次将其置于振动台上震动均匀，最后将试模放入温度23 ℃、相对湿度95%的养护箱养护24 h后脱模，将脱模后的试件放入23 ℃恒温水浴箱中养护至指定龄期，并测试其抗压强度，然后计算SAI值（28 d陶瓷粉-水泥混合胶砂与纯水泥胶砂抗压强度比值）。表3　胶砂试件配合比Tab. 3　Mix proportions of mortars[编号 水泥质量 / g CP质量 / g NaOH质量 / g 水质量 / g 标准砂质量 / g OPC 450 0 0 225 1 350 CP 360 90 0 225 1 350 CP-N 360 90 13.5 225 1 350 ]1.3　混凝土配合比本试验水胶比为0.45，CP取代率分别为0%、10%、20%、30%和40%，再生粗骨料取代率为50%，细骨料为天然河沙，减水剂为聚羧酸高效减水剂，分别制备天然骨料混凝土（natural aggregate concrete，NAC）、不同掺量CP的RAC与加入激发剂NaOH的不同掺量陶瓷粉再生混凝土。具体配合比见表4。1.4　试件制备及试验方法制备RAC试件时，先将再生骨料和附加水倒入搅拌锅内搅拌60 s，使再生骨料尽量达到饱和面干状态，然后将CP和NaOH混合均匀，其次将天然骨料、天然河沙、水泥和混合后的CP按顺序倒入搅拌锅内搅拌60 s使其搅拌均匀，最后减水剂倒入自由水中搅拌均匀后一起倒入搅拌锅内搅拌160 s得到再生混凝土拌合物。将再生混凝土倒入100 mm×100 mm×100 mm试模中并将其置于振动台上分两次振捣密实，然后将其静置24?h后脱模，放入标准养护室中［温度为（20±2） ℃，相对湿度高于95%］养护到相应龄期。混凝土坍落度测试按照GB /T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，按照GB/T50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试再生混凝土7、28和56 d抗压强度。2　结果与讨论2.1　火山灰活性评价胶砂试件3、7、28 d抗压强度和SAI值见表5。由表5可知，养护3 d时CP的抗压强度达到OPC的78.32%，而碱活化后的CP-N的抗压强度达到了OPC的81.24%；养护7?d时CP的抗压强度为OPC的81.76%，而碱活化后的CP-N的抗压强度为OPC的91.35%；养护28 d后CP的抗压强度为OPC的81.35%，而碱活化后的CP-N的抗压强度为OPC的92.85%。可以看出随着养护时间的增加，CP的活性逐渐显现，抗压强度不断增大。而使用NaOH碱活化的CP抗压强度要更高。而碱活化也使得CP的SAI值从0.81增加到0.93，这也表明碱活化CP是可行的手段。表5　陶瓷粉-水泥胶砂抗压强度与SAI值Tab. 5　Compressive strength and SAI value of cement mortar with ceramic powder[编号 抗压强度 / MPa SAI值 3 d 7 d 28 d OPC 30.12 35.26 43.48 — CP 23.59 28.83 35.37 0.81 CP-N 24.47 32.21 40.37 0.93 ]2.2　CP对再生混凝土工作性能影响NAC与RAC的坍落度如图3所示。由图3可以看出NAC的坍落度为125 mm，而RAC-0的坍落度较NAC要大，这是因为为了弥补再生粗骨料的吸水率混凝土配合比中添加了附加水，而再生粗骨料无法在短时间将附加水完全吸收，未吸收的附加水增加了RAC的坍落度［19］。另外，RAC的坍落度随着CP掺量的增加而降低，40%CP掺量时坍落度最低为103 mm。这可能是因为，CP是一种不规则多棱角的粉末，表面较粗糙，增加了砂浆的摩擦，降低了流动度，另外，细的CP需要更多的水来包裹，所以随着CP掺量的增加，RAC的坍落度不断降低。而碱活化剂NaOH的添加对掺入CP的RAC坍落度并没有明显影响，变化趋势依旧随着CP掺量的增加而降低，且相同掺量的碱活化CP再生混凝土与掺入未活化CP的再生混凝土坍落度相似。图3　NAC与RACs坍落度Fig. 3　Slump of NAC and RACs2.3　CP对RAC力学性能影响NAC和RAC的7、28、56?d抗压强度如图4所示。从图4可知NAC与RAC抗压强度随养护龄期增加而不断增加。养护7 d时，RAC抗压强度随着CP掺量的增加而降低，其中掺入10%CP的抗压强度最高约为24.33 MPa，为RAC-0抗压强度的95.11%、NAC抗压强度的83.55%；40%CP掺量的RAC抗压强度最低，为14.53 MPa，为RAC-0抗压强度的56.80%、NAC的49.90%。养护28 d时，RAC抗压强度随着CP掺量的增加而先增大后减小，其中掺入10%CP的RAC抗压强度最高，为32.87 MPa，较RAC-0增加了4.95%，较NAC降低了14.18%，而其余掺量RAC强度都要低于RAC-0。养护56 d后，RAC抗压强度随着CP掺量的增加而先增大后减小，其中10%和20%CP掺量的RAC抗压强度高于RAC-0，分别为35.23以及33.21 MPa。这是因为CP在早期火山灰活性较低主要起填料的作用［15］，而CP掺入使得水泥减少，从而使得抗压强度降低，而到了28 d后CP的火山灰活性开始显现，CP与水化产物发生二次水化反应生成更多的水化硅酸钙凝胶（CSH），从而提高了抗压强度。另外，图4还显示碱活化后的CP相较于CP对RAC抗压强度在7、28和56 d都有一定的促进作用。再生混凝土7、28、56 d的抗压强度随着碱活化后的CP的掺量的增加而先增大后减小。养护7 d时，掺入10%碱活化后的CP抗压强度最高，为25.66 MPa，占RAC-0的100.31%，占NAC的88.12%。养护28 d后10%和20%碱活化CP掺量的RAC抗压强度均高于RAC-0，分别为33.74 MPa和31.84 MPa，养护56 d后10%~30%碱活化CP掺量RAC抗压强度要高于RAC-0，分别比RAC-0高16.81%、8.96%和0.31%，比NAC低6.76%、13.02%和19.93%。这可能是因为添加强碱NaOH后的碱活化CP使得RAC中OH-离子浓度增加，CP在这些离子的作用下Si-Si键被打开而活化后再聚合发生水化作用，从而使得生成更多的水化产物CSH，相较于RAC-0增加了抗压强度［20］。图4　NAC与RACs抗压强度Fig. 4　Compressive strength of NAC and RACs3　结　论（1）根据SAI试验结果显示，CP具有一定的火山灰活性，而使用强碱NaOH碱活化后的CP使SAI值从0.81增加到了0.93，显示出更强的火山灰活性。（2）CP对再生混凝土的工作性能有不利影响，CP掺量越大，RAC坍落度越低，而碱活化后的CP对RAC的工作性能与CP一致，相同掺量的碱活化CP对RAC工作性能的影响相较于未碱活化的CP并无太大影响。（3）CP对RAC早期抗压强度有不利影响，在7 d时，掺入CP的RAC相较于RAC-0最多下降了43.2%，而到56 d后，抗压强度开始反超对照组，但存在最佳掺量为质量分数10%；碱活化后的CP较未活化的CP对RAC抗压强度更有利，56 d后掺入质量分数20%碱活化后的CP与掺入质量分数10%未活化的CP的RAC抗压强度相近，因此考虑强度与工作性能，质量分数20%碱活化CP更适合制备RAC。