基于漿體取代法再生磚粉泡沫混凝土試驗研究

廖師賢，黃蕾

（1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

中國每年舊城區改造以及建筑拆除將產生大量廢棄黏土磚，其富含活性物質，將其制成再生磚粉能有效處理建筑垃圾并在工程中加以利用［1-3］。其制備流程為：首先利用發泡劑制備泡沫，常用的方法有物理發泡和機械發泡，其次利用摻合料、水、外加劑和膠凝材料制備以水泥為基體的漿體，在其中添加制備好的泡沫，澆筑成型前攪拌充分、混合均勻，最后對試件進行養護，常用的方法有蒸氣養護和自然養護，由此得到泡沫混凝土，其具有多孔、輕質的特點［4］。與素混凝土相比，泡沫混凝土具有隔音降噪、隔熱耐火、保溫抗凍等優點，在地質條件較差位置的填土替換和地基填充、房屋建筑的隔音墻、寒冷地區的保溫墻板等各個領域廣泛應用［5-11］，具有一定的研究意義和工程應用前景。

但泡沫混凝土也存在缺陷，如吸水率高、開孔率高、易收縮、強度低、整體性差等［12-14］，泡沫混凝土的研究和應用因此受到限制。而泡沫混凝土最主要的缺陷是強度低［15-20］，難以滿足實際工程的結構要求。目前，對再生磚粉作為摻合料應用于水泥基材料的研究較多，然而對于再生磚粉在泡沫混凝土中的應用，研究手段均采用水泥取代法［21-23］，結果表明再生磚粉的取代率大于一定值后對泡沫混凝土的性能影響大都是負面的，尚未發現利用漿體取代法制備再生磚粉泡沫混凝土的研究。

本文以再生磚粉為泡沫混凝土的主要原料，通過漿體取代法對再生磚粉泡沫混凝土展開試驗研究，旨在探究采用不同漿體取代率對泡沫混凝土抗壓強度和微觀結構的影響規律，不僅為改善泡沫混凝土強度提供技術支持和奠定理論基礎，還有望減少建筑行業生產混凝土和處理廢磚產生的污染、能耗、材料消耗，具有重要的環保效益、社會效益和經濟效益。

1 試驗設置

1.1 原材料

再生磚粉泡沫混凝土由試驗室配置，試件主要組分為再生磚粉、水泥、發泡劑、纖維素、減水劑和水；其中再生磚粉的原料來自某紅磚廠藝術區拆除現場（表1）；水泥強度等級為42.5 級（表2）；發泡劑使用椰油酰胺丙基甜菜堿；纖維素使用羥丙基甲基纖維素，減水劑使用聚羧酸減水劑（表3）。

表1 再生磚粉的化學成分 %

表2 水泥的化學成分 %

表3 減水劑技術指標

1.2 試件配合比

試驗再生磚粉漿體取代率為變量，其中水灰比為0.40、漿體取代率分別為0、4%、8%、12%，設計4組配合比，其中再生磚粉泡沫混凝土配合比見表4。本試驗采用漿體取代法，不同于普通的水泥取代法（通過磚粉取代水泥），而是使用磚粉取代漿體，兩者的區別示意圖如圖1 所示。

圖1 兩種取代法的區別

表4 再生磚粉泡沫混凝土配合比

1.3 抗壓強度和微觀結構測試

抗壓強度試驗如圖2 所示。取一組100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件放置在試驗機的中心位置，采用位移法進行加載，加載速度為2.0 mm/min，試件壓縮量最大值達到90%或試件發生急劇變形時，判定試件發生破壞，停止加載。此時試件最大破壞荷載記為F?？箟簭姸萬的計算公式如下：

圖2 抗壓強度試驗過程（單位：mm）

式中：F為試件最大破壞荷載（N）；s為試件的受壓面積（mm2）；f為抗壓強度（MPa），精確至0.01 MPa。

微觀結構測試使用場發射掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線粉末衍射儀（XRD），對再生磚粉泡沫混凝土微觀結構和組成成分進行分析。

2 試驗結果

2.1 破壞模態

圖3 為不同水灰比下泡沫混凝土試件的破壞模態。從圖3 可以看出：隨著漿體取代率的提高，試件受到破壞時完整度增加，其破壞程度有下降的趨勢，表明試件抵抗受壓變形的能力因再生磚粉的摻入而得到明顯改善。當漿體取代率為0 時，試件呈現出明顯的脆性破壞。施加荷載的方向與裂縫方向非平行，二者存在一定的夾角。隨著試驗的進行，試件上的裂縫迅速發展，當受壓試驗結束時，試件的完整性嚴重下降，大范圍的碎落出現在試件的邊緣；當漿體取代率為4%時，由于再生磚粉的摻入，裂縫的寬度減小，其發展規律為自上而下；當再生磚粉漿體取代率為8%時，試件幾乎不產生碎落破壞，具有良好的完整性；當再生磚粉漿體取代率為12%時，試件上的裂縫寬度較小、數量較少、其方向基本與加載方向平行，并且在4 組試件中其完整度最高。此類現象表明：適量摻入再生磚粉可以明顯改善泡沫混凝土的抗變形能力。而在采用漿體取代率較小的分組中，其裂縫發展方向與加載方向垂直，如PR-0.40-4，原因為：在試件加載過程中，泡沫混凝土層間出現交錯擠壓現象，在試件的薄弱部位產生此類裂縫。

圖3 不同漿體取代率下泡沫混凝土的破壞模態

2.2 抗壓強度

水灰比為0.40 時，泡沫混凝土應力-應變曲線與再生磚粉漿體取代率的關系，如圖4 所示。

圖4 應力-應變曲線

從圖4 可知：摻入再生磚粉的泡沫混凝土的應力-應變曲線可以分為4 個階段，依次為：彈性變形階段、應力振蕩階段、應變軟化階段和平臺階段（可見不同漿體取代率的4 條曲線，在4 個不同階段分界點應變取值不同）。在彈性階段，隨著漿體取代率的增大，其對應的應力-應變曲線變得更加陡峭（漿體取代率越高，峰值越高，如12%），應力對應的應變范圍也隨之減?。磻儀取值較?。?；在應力振蕩階段，當漿體取代率從0 增加到12%時，應力峰值對應的應變數值由0.042 下降到0.01（第一個應力峰值，漿體取代率0 對應應變x=0.042，漿體取代率12%對應應變x=0.01），并且應力值的振蕩幅度增大（即漿體取代率為12%時，應力取值較大，相對原點變化大）；在應變軟化階段，應力值的變化較?。ㄏ鄬τ诘诙逯?，平臺階段分界點與第二峰值應力差距較小，不如第一峰值與原點差值大）；在平臺階段，應力值隨再生磚粉漿體取代率的提高呈現減小的趨勢（不同漿體取代率的曲線平臺階段對應不同的應力值大小，作x軸平行線交于y軸即可，4%與8%曲線平臺階段預計比較接近，但按趨勢延伸8%對應應力將大于4%，12%平臺階段應力值明顯最大，0 平臺階段應力值明顯最?。?，且在較小區域內上、下波動（與鋼筋試驗類似，并非所有曲線都有明顯的平臺階段，應變軟化階段與平臺階段分界點有時也并不明顯，但呈現大概趨勢比較平緩，類似開口向下的拋物線，可預估分界點大致位置）。

試件抗壓強度和在相同水灰比情況下相對于漿體取代率為0 的抗壓強度相對增長率如圖5 所示。

圖5 抗壓強度曲線

從圖5 可以看出：泡沫混凝土試驗組的抗壓強度均大于空白組，是由于試驗組摻入再生磚粉所致，且抗壓強度隨著漿體取代率的提高有提高的趨勢。其中，PR-0.40-4、PR-0.40-8 和PR-0.40-12 的 抗 壓 強 度相較于NM-0.40-0 分別提高了71.08%、128.92%和286.75%，編號為PR-0.40-12 試件的抗壓強度達到了3.21 MPa，接近編號NM-0.40-0 的試件強度的4 倍，此時泡沫混凝土的內部結構更加密實，且隨著漿體取代率的提高該現象更加顯著。是因為再生磚粉可以對泡沫混凝土的內部進行充填。漿體取代率的提高意味著泡沫混凝土含水量的降低，泡沫混凝土漿體的稠度隨之增加，因此其內部結構在試件成型后變得更為穩定。從微觀的角度分析可知，隨著再生磚粉漿體取代率的提高，反應生成的水化產物增多，其微觀結構隨著再生磚粉漿體取代率的提高更為致密，而在宏觀的抗壓強度試驗中表現為抗壓強度提高。

2.3 微觀分析

（1）水化產物

圖6 為不同再生磚粉漿體取代率下再生磚粉泡沫混凝土XRD 圖譜。

圖6 不同再生磚粉漿體取代率的再生磚粉泡沫混凝土XRD 圖譜

由圖6 可以發現：①水泥基材料主要的水化產物為C—S—H（水化硅酸鈣）凝膠，但C—S—H 為凝膠而不是晶體狀態，在XRD 圖譜中沒有明顯的特征峰；②漿體取代率為0 的泡沫混凝土，其主要化學成分包括未發生水化反應的SiO2以及水化產物Ca（OH）2。其中以Ca（OH）2含量最高，因此其衍射峰最強；③圖譜中出現了CaCO3的衍射峰，一個可能原因是在取樣過程中小部分Ca（OH）2發生碳化所致，而其衍射峰不明顯，表明碳化程度較低；④圖譜中存在較弱的AFt 的衍射峰，說明在不摻入再生磚粉時，泡沫混凝土中的鈣礬石未全部參與化學反應；⑤Ca3SiO5和Ca2SiO4的衍射峰亦存在于圖譜中，二者是水泥熟料的組成成分，可知在泡沫混凝土試樣中仍含有水泥熟料C2S 和C3S 的顆粒未完全水化。

隨著再生磚粉漿體取代率的提高，SiO2衍射峰值逐漸變大，因為再生磚粉自身含有大量的SiO2，隨著磚粉使用量的增加，圖譜中Ca（OH）2的峰形變得尖銳，峰值降低，但對稱性提高，原因是隨著再生磚粉漿體取代率的提高，再生磚粉泡沫混凝土的水泥含量在膠凝體系中逐漸降低，而再生磚粉在試驗中的化學反應無Ca（OH）2生成；另一個原因是水泥水化后的產物Ca（OH）2與再生磚粉中大量活性成分如SiO2等再次發生水化反應，Ca（OH）2被消耗，從而在最終產物中含量有所降低。另外Ca（OH）2晶體層間聯結力較弱，是典型的層狀晶體，因此試件Ca（OH）2含量高的部位成為裂縫產生的源頭，嚴重影響水泥的內部結構，由于再生磚粉中活性物質可以消耗Ca（OH）2，泡沫混凝土內部結構因此變得更加致密。隨著再生磚粉加入，Ca2SiO4和Ca3SiO5峰形消失，表明再生磚粉的加入使水泥水化反應更加完全。

（2）微觀形貌

圖7 為水灰比為0.4，漿體取代率分別為0、4%、8%和12%時，再生磚粉泡沫混凝土微觀形貌圖。

由圖7（a）可知：樣品中存在少量C—S—H 凝膠，呈現出針棒狀，大量的氫氧化鈣晶體呈現出片狀，并且泡沫混凝土的反應產物之間的空隙較大，結構松散；圖7（b）與圖7（a）相比，也存在著一些孔隙，可以觀察到空隙處有鈣礬石晶體存在，針狀的C—S—H凝膠附著在未完全水化的顆粒上，大量的氫氧化鈣晶體層疊在一起，也可見水化產物之間存在大量孔隙，可知其間并沒有緊密相接；圖7（c）中可見膠凝材料的空隙中和未完全水化的顆粒表面，存在大量水化產物，膠凝材料顆粒之間連接緊密，且少許膠凝材料的顆粒較為清晰；圖7（d）與圖7（a）、（b）、（c）對比可知，試件的整體結構最為密實，水化產物較為豐富，并且水化產物之間堆積最為緊密。

總體來說，隨著再生磚粉漿體取代率的提高，泡沫混凝土孔壁結構的密實度有提高的趨勢，泡沫混凝土水化產物的分布、層疊、附著、連接呈現出一定的規律，形成致密的微觀網狀結構，使氣壁結構與氣孔結構相連接，對微觀孔隙起到一定的支撐作用。

3 結論

傳統泡沫混凝土的強度一般較低，為了提高傳統泡沫混凝土的強度，擴大泡沫混凝土的應用領域，本文基于漿體取代法，從宏觀的力學性能和微觀結構兩個方面，研究再生磚粉漿體取代率對再生磚粉泡沫混凝土力學性能的影響，得到以下結論：

（1）摻入再生磚粉能提高泡沫混凝土的力學性能。當試件的水灰比相同時，隨著再生磚粉漿體取代率的提高，抗壓強度有提高的趨勢。當水灰比為0.40，漿體取代率為12%時，試件的抗壓強度最大，達到3.21 MPa。

（2）摻入再生磚粉能改變泡沫混凝土的水化產物和微觀結構。當試件的水灰比相同時，隨著漿體取代率的提高，再生磚粉的火山灰活性得到更好的發揮，導致反應生成的水化產物增多，從而消耗部分Ca（OH）2，進而提高了結構的受力性能；從微觀結構角度分析，隨著漿體取代率的提高，試件的水化產物更多、微觀結構更加密實，原因是產生了微集料效應，使水泥的水化反應進行得更加徹底，試件的微小孔隙得到再生磚粉的填充，使試件的抗壓強度相應提高。