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構及其力學性能、水穩性能變化，選取摻加1.5%，2.5%水泥的改良建筑垃圾再生材料，采用掃描電鏡實驗（SEM）對不同水泥量試樣進行微觀結構觀察，并從微觀結構對不同水泥摻量改良建筑垃圾再生材料的力學性能、水穩性能的變化進行分析。結果表明：通過摻加水泥，微觀結構中固相之間連結關系發生改變，水泥含量的不同，使建筑垃圾再生材料混合料微觀結構產生了明顯的變化：黏結力增強、孔隙率降低、整體性增強，同時改變了液相、氣相的分布特征；宏觀上表現為建筑垃圾再生材料混合料強度等力學性能及水穩性能的增強。

關鍵詞：建筑垃圾再生材料；水泥改良；微觀結構；力學性能；水穩性

0引言

材料的微觀結構能夠反映出材料內部結構中固-液-氣三相物質的形態、大小、數量以及三者之間相互聯結關系、排列方式等。材料在宏觀上表現出來的工程特性歸根結底也是由材料的微觀結構所決定的，即材料的宏觀性能是材料微觀結構特性的集中表現[1-3]。在微觀結構中，建筑垃圾再生材料混合料中孔隙的大小、數量的改變，固相之間的聯結排列方式、黏結力大小等的改變，都會體現在宏觀上建筑垃圾再生材料混合料的力學特性、水穩性等工程特性的的改變。本試驗對未摻加水泥和水泥改良的建筑垃圾再生材料混合料進行微觀結構觀察和對比研究，從微觀上分析兩種材料作為路床填料時在干濕循環條件下表現出不同的工程特性的原因，對水泥改良的建筑垃圾再生材料混合料宏觀上表現出的力學特性、水穩性等工程特性的增強給予科學合理的解釋。

1試驗方案

1.1建筑垃圾再生材料技術指標要求

根據陜西省質量技術監督局的《建筑垃圾再生材料路基施工技術規范》關于建筑垃圾再生材料的技術指標[4]，對再生材料進行了天然含水率、雜物質含量、有機質含量、不均勻系數及易溶鹽含量技術指標性試驗，并對超標的輕物質進行人工挑揀，以符合技術指標要求。再生材料技術要求及檢測結果，見表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性，不摻加水泥的試樣脫模后很難加工成試驗所要求的試塊，且脫落較為嚴重，嚴重影響掃描電鏡（SEM）試驗儀器的安全性。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行掃描電鏡試驗，從微觀結構上探究分析水泥對建筑垃圾再生材料混合料的力學特性、水穩性等改變的原因。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的試樣，進行對比研究分析。為了更好擬合現場壓實建筑垃圾路基實際情況，采用室內振動壓實機分別制備3個1.5%，2.5%水泥含量的15cm（直徑）×15cm（高）圓柱體擊實試件，制樣過程，見圖1。試樣制備好之后，將試樣用塑料編織袋包裹密封，并放入標準恒溫恒濕養護箱養護，進行室內標準養生28天（標準恒溫恒濕養護箱設置參數為濕度95%，溫度為20.0℃）。試樣級配及基本力學性能參數，見表2。將制備并養生好的試樣稱重后放入水槽中，并完全浸水，間隔一段時間對試樣進行稱重，當前后試樣質量增加不超過0.2%時，視為試樣飽和，經測定浸水20小時試樣均可以達到飽和。試樣的干燥在烘干箱中進行，經測定后，浸水飽和試樣在60℃烘箱中烘干12小時就可以完全干燥，干濕循環過程，見圖2。將試件經過60次干濕循環之后，取試件中部分完好試塊進行微觀分析。

1.3塊狀樣品制備

截取大小合適的樣品，長寬不超過10mm，高度不超過6mm，樣品底部盡量切平，采用洗耳球將樣品表面細小顆粒輕輕吹去。本試樣由于其特殊性，很難截取太小，樣品尺寸為長寬10～12mm，高度6～8mm，尺寸超標并未影響試驗觀察。剪取雙面膠貼到樣品臺的正面。將裁剪好的樣品一個接一個緊貼在雙面膠上，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對應關系。噴金處理（可得到更清晰的圖像）。

1.4試驗方法及儀器

掃描電鏡的原理是通過極細的高能電子束在樣品表面進行掃描，然后激發出各種樣品的物理信息，通過對這些信息的收集，放大并顯示成像，獲得樣品表面清晰的影像。該試驗掃描電子顯微鏡型號為日立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，然后再進行觀測試驗，見圖3。觀測選取50，250，1000，5000倍左右4種放大倍數。

2微觀結構分析

2.1整體性微觀結構分析采用

50倍左右的放大倍數，觀察摻加1.5%，2.5%水泥含量試樣的整體性微觀結構，見圖4。骨料與填料接觸面容易形成較大孔隙及發育數量較多的小孔隙，而填料與填料之間孔隙相對較小。水泥與建筑垃圾再生材料產生水化反應時，生成的膠凝物膠結并填充集料間的孔隙。1.5%試樣內部結構孔隙發育連通，結構松散，整體性較差；2.5%試樣內部結構孔隙也存在，但未進一步發育連通，內部較為密實，整體性更好[5]。隨著水泥含量的增加，水泥水化后的產物——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硬化，形成的水泥石將建筑垃圾再生材料緊緊黏結在一起，水泥水化產物與建筑垃圾再生材料混合料顆粒相互聯結形成空間網絡結構，使水泥改良的建筑垃圾再生材料強度增大、水穩定性增強[6-7]。因為摻加了水泥，微觀結構中固相間聯結關系發生改變、黏結力增強、孔隙率降低及整體性增強，同時也改變了液相、氣相的分布特征，宏觀上表現為建筑垃圾再生材料混合料強度力學性能及水穩性能的增強。

2.2局部性微觀結構分析

采用250，1000，5000倍左右的放大倍數，觀測建筑垃圾再生材料混合料的局部性微觀結構。摻加1.5%，2.5%水泥含量試樣的孔隙處進行放大250倍左右觀察分析，見圖5。摻加水泥后，建筑垃圾再生細集料與水泥重新形成了再生水泥砂漿，較天然細集料孔隙率、吸水率等上升，表觀密度、堆積密度、堅固性等下降。因為建筑垃圾再生細集料主要由附著水泥的天然砂、水泥石碎屑、磚瓦等，在破碎過程中產生的石屑和泥土及其他各種雜質組成，顆粒棱角多、含有較多微裂紋，水泥摻量較低，黏結力較小，形成的再生水泥砂漿孔隙率、吸水率較大，密度、強度等較低。紅色圈內為具有代表性的微觀結構。1.5%試樣水泥摻量較少，黏結力較小，建筑垃圾再生材料細集料間、細集料與粗集料間聯結不夠緊密，結構疏松，裂隙較多。在干濕循環作用下，由于集料之間黏結力較小，砂粒和一些細小顆粒容易脫落，且試件內的裂隙不斷產生、發育，在滲流力的作用下試件中的細顆粒不斷地被沖出、帶走。2.5%水試樣具有較強黏結力，塊狀顆粒與砂粒、塊狀顆粒之間也聯結緊密，結構密實，整體性較強，裂隙較少，不易脫落。在干濕循環條件下，由于集料之間黏結力較強，砂粒和一些細小顆粒不易脫落，且裂隙的產生和發育也比較緩慢[10-12]。摻加2.5%水泥含量試樣的孔隙處，進行放大1000倍、5000倍左右觀察分析，見圖6。放大1000倍的孔隙周圍聚集了許多水化產物，是由于建筑垃圾再生材料孔隙較多，拌和過程中吸收大量水分及一些細粉料，水泥在水化過程中，混合料又向外釋放水分，導致孔隙處空隙較多，水化產物在此有較大的生長發育空間，這是水化產物在孔隙處發育良好的主要原因[13-14]。因此水泥含量增加，能夠增強集料孔隙間的黏結力，減少孔隙率。放大5000倍的孔隙周圍，水化產物為疏松多孔的顆粒堆積，顆粒間有接觸，但沒有牢靠聯結。水化產物形態呈現不同的特點，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物中，顆粒狀水化產物主要為C-S-H凝膠，在再生水泥砂漿中互相交織、聯結，形成空間網狀結構，從而產生較強的黏結力和強度[14]。

3結語

采用掃描電鏡，選取50，250，1000，5000四種放大倍數，對水泥改良建筑垃圾再生材料混合料進行整體性、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，內部結構孔隙發育連通，結構松散，整體性較差，集料之間聯結不夠緊密，細顆粒易脫落。干濕循環作用下孔隙不斷產生、發育，在滲流力作用下細顆粒不斷地被沖出、帶走。水泥摻量2.5%時，集料之間聯結緊密，空隙減少，內部結構較密實，整體性更好。干濕循環條件下空隙產生和發育較緩慢，集料之間黏結力增強，細顆粒不易脫落。（2）水泥水化產物易在孔隙處聚集且發育良好，隨水泥含量增加，集料孔隙間的黏結力增強，孔隙率減少。水化產物的形態呈現不同特點：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物中，顆粒狀的水化產物主要為C-S-H凝膠，在再生水泥砂漿中互相交織、聯結，形成空間網狀結構，從而產生較強的黏結力和強度。（3）通過摻加水泥，微觀結構中固相之間聯結關系發生改變、黏結力增強、孔隙率降低及整體性增強等，宏觀上表現為建筑垃圾再生材料混合料強度等力學性能及水穩性能的增強。

作者:杜紅艷 王朝相 余成 孫亞康 單位:中交第一公路勘察設計研究院有限公司 長安大學公路學院中國葛洲壩集團第三工程有限公司