摘要：通过正交试验研究了砖粉掺量、石灰石粉掺量、水胶比、砂率对混凝土工作性、力学性能和氯离子渗透性的影响，并确定了最优配合比。结果表明：采用25%的砖粉和10%的石灰石粉等质量替代35%的水泥，可以配制出性能优良的C35砖粉-石灰石粉混凝土，且与基准混凝土相比，其体积稳定性和氯离子渗透性得到明显改善。
关键词：砖粉；石灰石粉；混凝土；力学性能；氯离子渗透性
0前言
随着国民经济的发展和城镇化的深入，我国城镇老旧建筑亟需翻修或改建，由此产生了大量的建筑垃圾，且积累量逐步递增，给人们的生活环境造成了许多不良影响。目前，我国的建筑垃圾存量已经突破亿t。年，我国新增建筑面积亿m2，由此产生建筑垃圾亿t，若只通过堆存方式进行处理，建筑垃圾将占用～hm2土地。我国目前产生的建筑固废主要以混凝土和红砖为主，其中，红砖占比超过所有废弃物的50%。废弃混凝土通常被用作制备再生混凝土或海绵城市级配碎石层，而废弃红砖由于强度不及混凝土，所以资源化利用率较低，尤其是破碎红砖渣通常被当作无用垃圾堆放或填埋处理，既浪费资源又污染环境。
建筑固废中的红砖是经过高温煅烧的材料，研究表明，红砖的易磨性较好，磨细后具有潜在的胶凝活性，可作为水泥混合材，但是，由于废弃红砖粉钙含量低，其存在拌合需水量较大、早期强度低等缺陷。采用砖粉配制混凝土时需要考虑用水量或添加相应的添加剂。天然石灰石来源广泛，其主要化学成分为CaCO3，已被广泛用于混凝土的配制。研究表明，适当添加石灰石粉可以改善混凝土的工作性，此外，由于石灰石粉较水泥更细，能够很好地填充水泥水化产物间的空隙，提高混凝土的密实度，且添加适量石灰石粉还能提高混凝土的早期强度。可见，砖粉和石灰石粉在性能上可形成优势互补。因此，本文采用磨细后的红砖粉和石灰石粉复合配制砖粉-石灰石粉混凝土，研究其工作性、力学性能和氯离子渗透性，并通过SEM分析其微观结构和水化产物特征，以期为建筑废弃红砖的高附加值资源化利用提供参考。
1.1试验原材料
水泥：海螺牌P·O42.5级水泥，标准稠度需水量25%，比表面积m2/kg，28d抗压强度48.6MPa，28d抗折强度7.4MPa，化学组成见表1。
砂：桂林石灰石破碎机制砂，细度模数3.1。
碎石：桂林石灰石破碎，粒径5～25mm，其中，m5~10mm∶m10~20mm∶m20~25mm∶m30mm=12∶52∶33∶3。
砖粉：桂林某工地分选红砖磨细，根据胶砂活性试验确定其比表面积为m2/kg，化学组成见表1。
石灰石粉：桂林石灰石磨细，比表面积m2/kg，化学组成见表1。
减水剂：聚羧酸高效减水剂，固含量20%。
其他：分析纯NaCl；分析纯NaOH；去离子水；自来水。
1.2试验方法
参照GB/T—《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试坍落度。
参照GB/T—《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试力学性能。
参照GB/T—9《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试氯离子渗透性和收缩性能。
试件成型及养护：抗压强度试件为mm×mm×mm的立方体；氯离子渗透性试件为φmm×50mm的圆柱体。试件成型后置于标准养护室养护24h后拆模，然后在标准养护条件下养护至测试龄期。
1.3试验方案
本试验混凝土的设计强度等级为C35。在初步试配试验的基础上，选择胶凝材料用量为kg/m3配制基准C35混凝土，减水剂掺量为胶凝材料质量的1.0%，基准混凝土配合比见表2。试验采用L9（34）正交试验表进行配合比试验，砖粉和石灰石粉采用内掺方式等质量替代水泥，正交试验的因素水平表见表3。
2.1配合比试验
正交试验结果见表4。
2.1.1工作性
从表4可以看出，正交试验所得最大坍落度为mm、最小坍落度为mm，不同砖粉掺量、石灰石粉掺量、水胶比和砂率对坍落度的影响不同。表5为不同影响因素和水平下混凝土坍落度的极差分析表。由表5可知，各因素对混凝土坍落度的影响顺序大小为：水胶比＞砂率＞砖粉掺量＞石灰石粉掺量。水胶比对坍落度的影响最大，砂率和砖粉掺量对坍落度的影响相近，石灰石粉掺量对坍落度的影响较小。随着砖粉掺量增加，坍落度逐渐降低，原因在于砖粉结构不致密，需水量较水泥大[7]。石灰石粉因其结构致密，需水量较水泥小。综上所述，以工作性为评价指标得出的最佳组合为A1B3C3D3，即砖粉掺量20%、石灰石粉掺量20%、水胶比0.44、砂率44%。
2.1.2力学性能
表6为混凝土3d和28d抗压强度极差分析表。从表6可以看出，各因素对3d抗压强度的影响顺序大小为：水胶比＞砖粉掺量＞石灰石粉掺量＞砂率。随着砖粉掺量、石灰粉掺量和水胶比的增加，3d抗压强度均逐渐下降；随着砂率增大，3d抗压强度先降低后略有增加。此外，当水胶比大于0.40、砖粉掺量超过20%时，3d抗压强度下降明显；石灰石粉掺量和砂率对混凝土早期抗压强度的影响相对较小。
各因素对28d抗压强度的影响顺序大小为：水胶比＞砖粉掺量＞石灰石粉掺量＞砂率。随着砖粉掺量、石灰石粉掺量和水胶比的增加，28d抗压强度均逐渐下降；随着砂率增大，28d抗压强度变化较小。以混凝土28d抗压强度为主要评价指标，兼顾3d抗压强度，得出最适宜配合比组合为A2B1C1D1，即砖粉掺量25%、石灰石粉掺量10%、水胶比0.40、砂率40%。
2.1.3氯离子渗透性
表7为不同影响因素和水平下混凝土56d电通量极差分析结果。由表7可知，各影响因素对56d电通量的影响顺序大小为：砖粉掺量＞水胶比＞石灰石粉掺量＞砂率。其中，砖粉掺量影响最大，水胶比和石灰石粉掺量影响相当，砂率影响较小。随着砖粉掺量增加，56d电通量逐渐减小，且减小趋势逐渐增大。以混凝土电通量为评价指标可得出最佳配合比组合为A3B1C1D2，即砖粉掺量30%、石灰石粉掺量10%、水胶比0.40、砂率42%。
2.2配合比优化试验
根据上述试验结果，砖粉掺量对氯离子渗透性影响最大，虽然当砖粉掺量为30%时电通量最低，但考虑到砖粉掺量超过25%后抗压强度降低明显，故最终选取砖粉掺量为25%。石灰石粉掺量对力学性能和氯离子渗透性均有一定影响，但对工作性影响很小，且石灰石粉掺量为10%时抗压强度最高、氯离子渗透性最低，故最终选取石灰石粉掺量为10%。水胶比对混凝土工作性、力学性能、氯离子渗透性均有一定影响，考虑到水胶比为0.40时抗压强度和氯离子渗透性均最优，故最终选取水胶比为0.40。砂率对混凝土工作性、力学性能、氯离子渗透性均有一定影响，当砂率为42%时，氯离子电通量值最低，且此时28d抗压强度值与砂率40%时一样，考虑到砂率增大对混凝土工作性有利，故最终选取砂率为42%。
综上所述，分析后得到的优化配合比组合为A2B1C1D2，即砖粉掺量25%、石灰石粉掺量10%、水胶比0.40、砂率42%。最优配合比组合试验结果见表8。
2.3收缩试验
最优配合比试验组与基准混凝土的干燥收缩对比试验结果见图1。由图1可知，基准混凝土在45d以前干燥收缩较大，且随着龄期增长，干缩率增速降低，d后干缩率基本不变，d时干缩率达到最大值×10-6。最优配合比试验组在28d以前干燥收缩增长较快，随着龄期增长，干缩率增速逐渐降低，90d后干缩率基本稳定，d干缩率为×10-6，明显低于基准混凝土。这是因为25%砖粉+10%石灰石粉等量替代水泥后，导致水化放热速率减慢，后期砖粉在碱性环境中逐渐发挥火山灰活性，且砖粉需水量大的特点使其具有早期吸水后期释水的内养护作用，加之石灰石粉的填充作用，从而改善了混凝土的干燥收缩性能。
2.4微观分析
图2为最优配合比试验组与基准混凝土不同龄期的SEM图。对比图2（a）、图2（b）可以看出，基准混凝土早期水泥用量较大，水化较快，内部有大量C-S-H凝胶和针状水化产物生成，但整个体系的微裂缝和孔隙较多，密实度不够；最优配合比试验组早期水泥用量较基准混凝土低，且砖粉的火山灰活性未充分发挥，故内部C-S-H凝胶和针状水化产物较基准混凝土少，但由于砖粉和石灰石粉细度较水泥小，早期主要以填充作用为主，其内部微裂缝和孔隙较基准混凝土少，整体密实度较高。对比图2（c）、图2（d）可以看出，随着混凝土龄期的延长，基准混凝土内部的C-S-H凝胶和针状水化产物逐渐增多，微裂缝和孔隙减少，密实度较早期增大；随着龄期的延长，最优配合比混凝土内部的C-S-H凝胶和针状水化产物也逐渐增多，但针状水化产物不如基准混凝土的针状水化产物粗大，故掺入砖粉和石灰石粉混凝土的力学性能较基准混凝土低，但由于细粉的填充作用，密实度仍较好。此外，砖粉的潜在火山灰活性随着龄期的延长而逐步发挥，在物理填充和二次水化双重作用下，砖粉-石灰石粉混凝土内部结构将更加密实，故砖粉-石灰石粉混凝土的56d氯离子电通量较基准混凝土小。
综合考虑工作性、力学性能、耐久性和经济性，通过试验验证得出性能优良的C35砖粉-石灰石粉混凝土的最优配合比组合为：砖粉掺量25%、石灰粉掺量10%、水胶比0.40、砂率42%。
来源：《混凝土与水泥制品》年7月网络首发
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