利用建筑废弃物制备干粉砂浆的研究

陈福松，陆小军，伊 立（. 镇江建科建设科技有限公司，江苏 镇江 000；. 镇江建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 镇江 000)

目前，天然砂资源日渐减少，使得天然砂价格居高不下，依赖天然砂生产的干粉砂浆成本大幅度增加。本文通过对建筑垃圾进行分离，利用机械破碎再生细集料，研究利用再生细集料取代天然砂制备干粉砂浆，综合考察各种原材料的用量对干粉砂浆性能的影响，得出再生细集料干粉砂浆的最佳原材料配比。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

制作干粉砂浆的原材料包括再生细集料、天然砂、水泥、粉煤灰和保水剂等。

1.1.1 再生细集料

再生细集料由建筑垃圾中废弃混凝土、碎砖块和废弃砂浆经破碎过 4.75 mm 筛所得，化学组成如表1 所示；依据GB/T 14684─2011《建筑用砂》检测其颗粒级配，细度模数为 2.3，如表2 所示。

表1 再生细集料化学组成

表2 再生细集料的颗粒级配

1.1.2 天然砂

天然砂采用从市场购得的天然河砂，依据GB/T 14684─2011 检测其颗粒级配，如表3 所示。细度模数为2.6。

表3 天然砂的颗粒级配

1.1.3 水泥

采用江苏某水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，其标号为 P˙O 42.5。其物理性能依据GB 175─2007《通用硅酸盐水泥》进行检测，如表4 所示；其化学组成如表5 所示。

表4 水泥的物理性能

表5 水泥的化学组成

1.1.4 粉煤灰

采用江苏某发电有限公司生产的二级粉煤灰，其主要化学组成如表6 所示。按照 GB/T 1596─2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》对其进行检测，各项指标均符合要求。

表6 粉煤灰的主要化学组成

1.1.5 保水剂

保水剂采用羟丙基甲基纤维素醚，系白色固体粉末，黏度为 100 Pa˙s。

1.2 试验方案

利用再生细集料取代干粉砂浆中的天然砂，考察不同掺量下的粉煤灰、保水剂的用量变化对干粉砂浆抗压强度和施工性能的影响。

2 试验与分析

2.1 不同再生细集料掺量对砂浆性能的影响

目前，干粉砂浆市场使用量较多的为DMP 5.0。本文以DPM 5.0 为基础，分别考察再生细集料取代天然砂的掺量为0、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100% 时，干粉砂浆的各项性能。不同掺量再生细集料取代天然砂的原材料配比，如表7 所示。

表7 不同掺量的再生细集料取代天然砂的原材料配比

根据表7 中的配比，参照 JGJ/T 70─2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，测定不同掺量再生细集料制备干粉砂浆的初始稠度和 28 d 抗压强度，结果如表8 所示。

表8 不同掺量再生细集料制备干粉砂浆的性能

从表8 可见，随着再生细集料的掺量增大，砂浆初始稠度减小，28 d抗压强度增加。一方面，因为再生细集料料中含 20%左右的灰粉，这部分灰粉主要由石粉和水泥硬化后破碎的灰粉组成，所以使得再生细集料的吸水率高于天然砂。成型砂浆试样时所添加的水分，一部分被再生细集料中灰粉所吸收，使得稠度减小，但在水化后期时，由于砂浆内部水分的大量减少，这部分水分又会重新释放出来。这使得砂浆内的胶凝材料水化更彻底，从而增大了强度。另一方面，因为同天然砂相比，再生细集料的棱角比较多，所以使得再生细集料与水泥水化产物之间有更大的机械啮合力。这也是强度增大的一个原因[1]。水泥在加入水后搅拌，水泥与水的混合物填充到集料内的空隙中，不仅提高了再生细集料内部的密实度，而且也使水泥基体与集料间的界面结合更牢固，从而提高了砂浆的抗压强度。

从表8 可见，当再生细集料掺量达到 80% 、90%、100% 时，砂浆的初始稠度和抗压强度无法显示。由于再生细集料中含有较多的灰粉，所以随着掺量增加，稠度减小，砂浆工作性能下降，现场施工困难，同时较多的灰粉也会带来开裂的风险。当再生细集料掺量达到80% 时，加水量已无法拌合干粉砂浆，需加大用水量。这使得水灰比增大，砂浆抗压强度随之下降。

2.2 不同粉煤灰掺量对再生细集料干粉砂浆性能影响

再生细集料中灰粉量为 20%，因此可以考虑利用再生细集料中 10% 灰粉取代部分粉煤灰，再来研究对抗压强度和施工性能的影响。试验原材料配比，如表9 所示。

表9 再生细集料中 10% 灰粉取代部分粉煤灰的原材料配比

根据表9 中的配比，参照JGJ/T 70─2009的相关标准测定砂浆的稠度、保水率和 28 d 抗压强度，如表10 所示。

表10 再生细集料中 10% 灰粉取代部分粉煤灰的性能检测

从表10 中可以看出，随着再生细集料掺量的增加，粉煤灰的用量在减少，灰粉的用量在增加，砂浆的初始稠度在减小。这是由于再生细集料对水的吸收比较大，同时灰粉量的增多也增加了吸水量，所以导致保水率不断减小，砂浆的施工性能降低。

从表10 中的抗压强度数值可以看出，随着再生细集料掺量的增加，抗压强度先是增加，当掺量达到 50% 时，抗压强度达到最大值 7.1；随着再生细集料掺量继续增加，抗压强度呈现下降的趋势。这是由于粉煤灰的微集料填充效应，提高水泥基体的密实性，所以在粉煤灰掺量较小的时候，随着粉煤灰掺量的增加，砂浆试样的抗压强度会先增大。另外，在掺入少量粉煤灰时，粉煤灰中的活性 SiO2与水泥的水化产物 Ca(OH)2进行二次水化反应，生成难溶的C-S-H 凝胶，沉积在集料-水泥石界面的孔隙内。这样降低了粗大结晶、改善了界面结构，使结构明显改变、更趋致密，从而增强了干粉砂浆的抗压强度。但随着粉煤灰掺量的增加，由于粉煤灰有一部分很大程度上不能参与灰粉反应，只起到干粉砂浆浆体的填料作用，所以不能提高干粉砂浆的抗压强度[2]。

2.3 不同保水剂掺量对再生细集料干粉砂浆性能影响

从表10 还可以看出，再生细集料的掺量在 50%、60%、70%时，制备的干粉砂浆的力学性能较高，但是其施工性能还有待进一步提高。由于保水剂的保水增稠效果明显，还能调节体系用水量、降低产品的干收缩率、有效提高产品的综合性能，所以可以通过增加保水剂掺量，提高其工作性能。不同保水剂掺量下的原材料配比，如表11 所示。

表11 不同保水剂掺量下的原材料配比 kg

根据表11 中的配比，参照 JGJ/T 70─2009 测定砂浆的初始稠度、保水率和 28 d 抗压强度，如表12 所示。

表12 不同保水剂掺量的砂浆性能检测结果

从表12 可见，干粉砂浆的初始稠度和保水率随着保水剂掺量的增大而逐渐增大。这是由于保水剂为羟丙基甲基纤维素，其分子结构上含有羟基等基团，这些基团与水分子产生分子间的氢键，锁住水分，所以增加了砂浆的稠度，起到了保水作用。相同的保水剂掺量，随着再生细集料掺量的增加保水率减小。这是由于再生细集料中的灰粉吸附了一定量的保水剂，所以减弱了保水剂的保水作用。

干粉砂浆试样的 28 d 抗压强度随着保水剂掺量的增加而呈总体下降趋势。在再生细集料干粉砂浆中加入保水剂后，相当于在干粉砂浆集料孔隙中填充入了柔性聚合物。这些柔性聚合物在复合基体受剪切应力时，起不到连接作用，从而使砂浆的抗压强度下降；同时保水剂的纤维素乳胶颗粒吸附在水泥颗粒表面，影响了水泥的正常水化反应[5]，使干粉砂浆的力学性能降低。虽然纤维素乳胶颗粒在受到较大压应力时，对干粉砂浆的浆体有不利作用，但其掺入提高了干粉砂浆的稠度，并使干粉砂浆的拉伸黏结强度得到较大提高。

综合考虑初始稠度、保水率和 28 d 抗压强度，根据表11 中 PB5-4、PB6-4 的原材料配比制备的 DPM 5.0 干粉砂浆，各项性能均能满足 GB/T 25181─2010《预拌砂浆》的指标要求。

3 结 语

本文研究利用固体废弃物再生细集料取代部分天然砂：通过调节粉煤灰和保水剂掺量改善其施工性能和力学性能，制备出DPM 5.0干粉砂浆，其各项性能均能满足GB/T 25181─2010的指标；DPM 5.0干粉砂浆的最佳原材料配比为 110（水泥）∶40（粉煤灰）∶510（再生细集料）∶340（天然砂）∶0.26（保水剂）；相应的再生细集料利用率可达 50%～60%。本文的研究成果可以节约资源，降低成本，产生良好的经济和环保效益。