水泥改良建筑垃圾再生材料探究

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摘要：為探究水泥改良建筑垃圾再生材料的微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能、水穩(wěn)性能變化，選取摻加1.5%，2.5%水泥的改良建筑垃圾再生材料，采用掃描電鏡實(shí)驗(yàn)（SEM）對(duì)不同水泥量試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，并從微觀結(jié)構(gòu)對(duì)不同水泥摻量改良建筑垃圾再生材料的力學(xué)性能、水穩(wěn)性能的變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明：通過(guò)摻加水泥，微觀結(jié)構(gòu)中固相之間連結(jié)關(guān)系發(fā)生改變，水泥含量的不同，使建筑垃圾再生材料混合料微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的變化：黏結(jié)力增強(qiáng)、孔隙率降低、整體性增強(qiáng)，同時(shí)改變了液相、氣相的分布特征；宏觀上表現(xiàn)為建筑垃圾再生材料混合料強(qiáng)度等力學(xué)性能及水穩(wěn)性能的增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾再生材料；水泥改良；微觀結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；水穩(wěn)性

0引言

材料的微觀結(jié)構(gòu)能夠反映出材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中固-液-氣三相物質(zhì)的形態(tài)、大小、數(shù)量以及三者之間相互聯(lián)結(jié)關(guān)系、排列方式等。材料在宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的工程特性歸根結(jié)底也是由材料的微觀結(jié)構(gòu)所決定的，即材料的宏觀性能是材料微觀結(jié)構(gòu)特性的集中表現(xiàn)[1-3]。在微觀結(jié)構(gòu)中，建筑垃圾再生材料混合料中孔隙的大小、數(shù)量的改變，固相之間的聯(lián)結(jié)排列方式、黏結(jié)力大小等的改變，都會(huì)體現(xiàn)在宏觀上建筑垃圾再生材料混合料的力學(xué)特性、水穩(wěn)性等工程特性的的改變。本試驗(yàn)對(duì)未摻加水泥和水泥改良的建筑垃圾再生材料混合料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察和對(duì)比研究，從微觀上分析兩種材料作為路床填料時(shí)在干濕循環(huán)條件下表現(xiàn)出不同的工程特性的原因，對(duì)水泥改良的建筑垃圾再生材料混合料宏觀上表現(xiàn)出的力學(xué)特性、水穩(wěn)性等工程特性的增強(qiáng)給予科學(xué)合理的解釋。

1試驗(yàn)方案

1.1建筑垃圾再生材料技術(shù)指標(biāo)要求

根據(jù)陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的《建筑垃圾再生材料路基施工技術(shù)規(guī)范》關(guān)于建筑垃圾再生材料的技術(shù)指標(biāo)[4]，對(duì)再生材料進(jìn)行了天然含水率、雜物質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)含量、不均勻系數(shù)及易溶鹽含量技術(shù)指標(biāo)性試驗(yàn)，并對(duì)超標(biāo)的輕物質(zhì)進(jìn)行人工挑揀，以符合技術(shù)指標(biāo)要求。再生材料技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表1。

1.2試樣的制備

由于建筑垃圾再生材料混合料基本上不具有黏結(jié)性，不摻加水泥的試樣脫模后很難加工成試驗(yàn)所要求的試塊，且脫落較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響掃描電鏡（SEM）試驗(yàn)儀器的安全性。因此，只能選取不同水泥含量的改良建筑垃圾再生材料混合料試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，從微觀結(jié)構(gòu)上探究分析水泥對(duì)建筑垃圾再生材料混合料的力學(xué)特性、水穩(wěn)性等改變的原因。以外摻法摻加1.5%，2.5%水泥的改良建筑垃圾再生材料作為掃描電鏡試驗(yàn)的試樣，進(jìn)行對(duì)比研究分析。為了更好擬合現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)建筑垃圾路基實(shí)際情況，采用室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)分別制備3個(gè)1.5%，2.5%水泥含量的15cm（直徑）×15cm（高）圓柱體擊實(shí)試件，制樣過(guò)程，見(jiàn)圖1。試樣制備好之后，將試樣用塑料編織袋包裹密封，并放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28天（標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱設(shè)置參數(shù)為濕度95%，溫度為20.0℃）。試樣級(jí)配及基本力學(xué)性能參數(shù)，見(jiàn)表2。將制備并養(yǎng)生好的試樣稱重后放入水槽中，并完全浸水，間隔一段時(shí)間對(duì)試樣進(jìn)行稱重，當(dāng)前后試樣質(zhì)量增加不超過(guò)0.2%時(shí)，視為試樣飽和，經(jīng)測(cè)定浸水20小時(shí)試樣均可以達(dá)到飽和。試樣的干燥在烘干箱中進(jìn)行，經(jīng)測(cè)定后，浸水飽和試樣在60℃烘箱中烘干12小時(shí)就可以完全干燥，干濕循環(huán)過(guò)程，見(jiàn)圖2。將試件經(jīng)過(guò)60次干濕循環(huán)之后，取試件中部分完好試塊進(jìn)行微觀分析。

1.3塊狀樣品制備

截取大小合適的樣品，長(zhǎng)寬不超過(guò)10mm，高度不超過(guò)6mm，樣品底部盡量切平，采用洗耳球?qū)悠繁砻婕?xì)小顆粒輕輕吹去。本試樣由于其特殊性，很難截取太小，樣品尺寸為長(zhǎng)寬10～12mm，高度6～8mm，尺寸超標(biāo)并未影響試驗(yàn)觀察。剪取雙面膠貼到樣品臺(tái)的正面。將裁剪好的樣品一個(gè)接一個(gè)緊貼在雙面膠上，樣品高度盡量保持一致，或按樣品高低分組排列。記錄好樣品與樣品臺(tái)對(duì)應(yīng)關(guān)系。噴金處理（可得到更清晰的圖像）。

1.4試驗(yàn)方法及儀器

掃描電鏡的原理是通過(guò)極細(xì)的高能電子束在樣品表面進(jìn)行掃描，然后激發(fā)出各種樣品的物理信息，通過(guò)對(duì)這些信息的收集，放大并顯示成像，獲得樣品表面清晰的影像。該試驗(yàn)掃描電子顯微鏡型號(hào)為日立S-570型，將樣品放入掃描電子顯微鏡觀察室后，也需抽真空處理，然后再進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)，見(jiàn)圖3。觀測(cè)選取50，250，1000，5000倍左右4種放大倍數(shù)。

2微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1整體性微觀結(jié)構(gòu)分析采用

50倍左右的放大倍數(shù)，觀察摻加1.5%，2.5%水泥含量試樣的整體性微觀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。骨料與填料接觸面容易形成較大孔隙及發(fā)育數(shù)量較多的小孔隙，而填料與填料之間孔隙相對(duì)較小。水泥與建筑垃圾再生材料產(chǎn)生水化反應(yīng)時(shí)，生成的膠凝物膠結(jié)并填充集料間的孔隙。1.5%試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙發(fā)育連通，結(jié)構(gòu)松散，整體性較差；2.5%試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙也存在，但未進(jìn)一步發(fā)育連通，內(nèi)部較為密實(shí)，整體性更好[5]。隨著水泥含量的增加，水泥水化后的產(chǎn)物——水化硅酸鈣和水化鐵酸鈣凝膠及水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體等自身的凝結(jié)硬化，形成的水泥石將建筑垃圾再生材料緊緊黏結(jié)在一起，水泥水化產(chǎn)物與建筑垃圾再生材料混合料顆粒相互聯(lián)結(jié)形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使水泥改良的建筑垃圾再生材料強(qiáng)度增大、水穩(wěn)定性增強(qiáng)[6-7]。因?yàn)閾郊恿怂?，微觀結(jié)構(gòu)中固相間聯(lián)結(jié)關(guān)系發(fā)生改變、黏結(jié)力增強(qiáng)、孔隙率降低及整體性增強(qiáng)，同時(shí)也改變了液相、氣相的分布特征，宏觀上表現(xiàn)為建筑垃圾再生材料混合料強(qiáng)度力學(xué)性能及水穩(wěn)性能的增強(qiáng)。

2.2局部性微觀結(jié)構(gòu)分析

采用250，1000，5000倍左右的放大倍數(shù)，觀測(cè)建筑垃圾再生材料混合料的局部性微觀結(jié)構(gòu)。摻加1.5%，2.5%水泥含量試樣的孔隙處進(jìn)行放大250倍左右觀察分析，見(jiàn)圖5。摻加水泥后，建筑垃圾再生細(xì)集料與水泥重新形成了再生水泥砂漿，較天然細(xì)集料孔隙率、吸水率等上升，表觀密度、堆積密度、堅(jiān)固性等下降。因?yàn)榻ㄖ偕?xì)集料主要由附著水泥的天然砂、水泥石碎屑、磚瓦等，在破碎過(guò)程中產(chǎn)生的石屑和泥土及其他各種雜質(zhì)組成，顆粒棱角多、含有較多微裂紋，水泥摻量較低，黏結(jié)力較小，形成的再生水泥砂漿孔隙率、吸水率較大，密度、強(qiáng)度等較低。紅色圈內(nèi)為具有代表性的微觀結(jié)構(gòu)。1.5%試樣水泥摻量較少，黏結(jié)力較小，建筑垃圾再生材料細(xì)集料間、細(xì)集料與粗集料間聯(lián)結(jié)不夠緊密，結(jié)構(gòu)疏松，裂隙較多。在干濕循環(huán)作用下，由于集料之間黏結(jié)力較小，砂粒和一些細(xì)小顆粒容易脫落，且試件內(nèi)的裂隙不斷產(chǎn)生、發(fā)育，在滲流力的作用下試件中的細(xì)顆粒不斷地被沖出、帶走。2.5%水試樣具有較強(qiáng)黏結(jié)力，塊狀顆粒與砂粒、塊狀顆粒之間也聯(lián)結(jié)緊密，結(jié)構(gòu)密實(shí)，整體性較強(qiáng)，裂隙較少，不易脫落。在干濕循環(huán)條件下，由于集料之間黏結(jié)力較強(qiáng)，砂粒和一些細(xì)小顆粒不易脫落，且裂隙的產(chǎn)生和發(fā)育也比較緩慢[10-12]。摻加2.5%水泥含量試樣的孔隙處，進(jìn)行放大1000倍、5000倍左右觀察分析，見(jiàn)圖6。放大1000倍的孔隙周圍聚集了許多水化產(chǎn)物，是由于建筑垃圾再生材料孔隙較多，拌和過(guò)程中吸收大量水分及一些細(xì)粉料，水泥在水化過(guò)程中，混合料又向外釋放水分，導(dǎo)致孔隙處空隙較多，水化產(chǎn)物在此有較大的生長(zhǎng)發(fā)育空間，這是水化產(chǎn)物在孔隙處發(fā)育良好的主要原因[13-14]。因此水泥含量增加，能夠增強(qiáng)集料孔隙間的黏結(jié)力，減少孔隙率。放大5000倍的孔隙周圍，水化產(chǎn)物為疏松多孔的顆粒堆積，顆粒間有接觸，但沒(méi)有牢靠聯(lián)結(jié)。水化產(chǎn)物形態(tài)呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，有少量片狀Ca（OH）2晶體和針狀鈣礬石晶體夾雜在顆粒狀水化產(chǎn)物中，顆粒狀水化產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠，在再生水泥砂漿中互相交織、聯(lián)結(jié)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的黏結(jié)力和強(qiáng)度[14]。

3結(jié)語(yǔ)

采用掃描電鏡，選取50，250，1000，5000四種放大倍數(shù)，對(duì)水泥改良建筑垃圾再生材料混合料進(jìn)行整體性、局部性及代表性部位的觀察和分析。（1）試樣水泥含量1.5%時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙發(fā)育連通，結(jié)構(gòu)松散，整體性較差，集料之間聯(lián)結(jié)不夠緊密，細(xì)顆粒易脫落。干濕循環(huán)作用下孔隙不斷產(chǎn)生、發(fā)育，在滲流力作用下細(xì)顆粒不斷地被沖出、帶走。水泥摻量2.5%時(shí)，集料之間聯(lián)結(jié)緊密，空隙減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較密實(shí)，整體性更好。干濕循環(huán)條件下空隙產(chǎn)生和發(fā)育較緩慢，集料之間黏結(jié)力增強(qiáng)，細(xì)顆粒不易脫落。（2）水泥水化產(chǎn)物易在孔隙處聚集且發(fā)育良好，隨水泥含量增加，集料孔隙間的黏結(jié)力增強(qiáng)，孔隙率減少。水化產(chǎn)物的形態(tài)呈現(xiàn)不同特點(diǎn)：少量片狀Ca（OH）2晶體和針狀鈣礬石晶體夾雜在顆粒狀的水化產(chǎn)物中，顆粒狀的水化產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠，在再生水泥砂漿中互相交織、聯(lián)結(jié)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的黏結(jié)力和強(qiáng)度。（3）通過(guò)摻加水泥，微觀結(jié)構(gòu)中固相之間聯(lián)結(jié)關(guān)系發(fā)生改變、黏結(jié)力增強(qiáng)、孔隙率降低及整體性增強(qiáng)等，宏觀上表現(xiàn)為建筑垃圾再生材料混合料強(qiáng)度等力學(xué)性能及水穩(wěn)性能的增強(qiáng)。

作者:杜紅艷 王朝相 余成 孫亞康 單位:中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司