水泥改良建筑垃圾再生材料探究

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摘要：为探究水泥改良建筑垃圾再生材料的微观结构及其力学性能、水稳性能变化，选取掺加1.5%，2.5%水泥的改良建筑垃圾再生材料，采用扫描电镜实验（SEM）对不同水泥量试样进行微观结构观察，并从微观结构对不同水泥掺量改良建筑垃圾再生材料的力学性能、水稳性能的变化进行分析。结果表明：通过掺加水泥，微观结构中固相之间连结关系发生改变，水泥含量的不同，使建筑垃圾再生材料混合料微观结构产生了明显的变化：黏结力增强、孔隙率降低、整体性增强，同时改变了液相、气相的分布特征；宏观上表现为建筑垃圾再生材料混合料强度等力学性能及水稳性能的增强。

关键词：建筑垃圾再生材料；水泥改良；微观结构；力学性能；水稳性

0引言

材料的微观结构能够反映出材料内部结构中固-液-气三相物质的形态、大小、数量以及三者之间相互联结关系、排列方式等。材料在宏观上表现出来的工程特性归根结底也是由材料的微观结构所决定的，即材料的宏观性能是材料微观结构特性的集中表现[1-3]。在微观结构中，建筑垃圾再生材料混合料中孔隙的大小、数量的改变，固相之间的联结排列方式、黏结力大小等的改变，都会体现在宏观上建筑垃圾再生材料混合料的力学特性、水稳性等工程特性的的改变。本试验对未掺加水泥和水泥改良的建筑垃圾再生材料混合料进行微观结构观察和对比研究，从微观上分析两种材料作为路床填料时在干湿循环条件下表现出不同的工程特性的原因，对水泥改良的建筑垃圾再生材料混合料宏观上表现出的力学特性、水稳性等工程特性的增强给予科学合理的解释。

1试验方案

1.1建筑垃圾再生材料技术指标要求

根据陕西省质量技术监督局的《建筑垃圾再生材料路基施工技术规范》关于建筑垃圾再生材料的技术指标[4]，对再生材料进行了天然含水率、杂物质含量、有机质含量、不均匀系数及易溶盐含量技术指标性试验，并对超标的轻物质进行人工挑拣，以符合技术指标要求。再生材料技术要求及检测结果，见表1。

1.2试样的制备

由于建筑垃圾再生材料混合料基本上不具有黏结性，不掺加水泥的试样脱模后很难加工成试验所要求的试块，且脱落较为严重，严重影响扫描电镜（SEM）试验仪器的安全性。因此，只能选取不同水泥含量的改良建筑垃圾再生材料混合料试样进行扫描电镜试验，从微观结构上探究分析水泥对建筑垃圾再生材料混合料的力学特性、水稳性等改变的原因。以外掺法掺加1.5%，2.5%水泥的改良建筑垃圾再生材料作为扫描电镜试验的试样，进行对比研究分析。为了更好拟合现场压实建筑垃圾路基实际情况，采用室内振动压实机分别制备3个1.5%，2.5%水泥含量的15cm（直径）×15cm（高）圆柱体击实试件，制样过程，见图1。试样制备好之后，将试样用塑料编织袋包裹密封，并放入标准恒温恒湿养护箱养护，进行室内标准养生28天（标准恒温恒湿养护箱设置参数为湿度95%，温度为20.0℃）。试样级配及基本力学性能参数，见表2。将制备并养生好的试样称重后放入水槽中，并完全浸水，间隔一段时间对试样进行称重，当前后试样质量增加不超过0.2%时，视为试样饱和，经测定浸水20小时试样均可以达到饱和。试样的干燥在烘干箱中进行，经测定后，浸水饱和试样在60℃烘箱中烘干12小时就可以完全干燥，干湿循环过程，见图2。将试件经过60次干湿循环之后，取试件中部分完好试块进行微观分析。

1.3块状样品制备

截取大小合适的样品，长宽不超过10mm，高度不超过6mm，样品底部尽量切平，采用洗耳球将样品表面细小颗粒轻轻吹去。本试样由于其特殊性，很难截取太小，样品尺寸为长宽10～12mm，高度6～8mm，尺寸超标并未影响试验观察。剪取双面胶贴到样品台的正面。将裁剪好的样品一个接一个紧贴在双面胶上，样品高度尽量保持一致，或按样品高低分组排列。记录好样品与样品台对应关系。喷金处理（可得到更清晰的图像）。

1.4试验方法及仪器

扫描电镜的原理是通过极细的高能电子束在样品表面进行扫描，然后激发出各种样品的物理信息，通过对这些信息的收集，放大并显示成像，获得样品表面清晰的影像。该试验扫描电子显微镜型号为日立S-570型，将样品放入扫描电子显微镜观察室后，也需抽真空处理，然后再进行观测试验，见图3。观测选取50，250，1000，5000倍左右4种放大倍数。

2微观结构分析

2.1整体性微观结构分析采用

50倍左右的放大倍数，观察掺加1.5%，2.5%水泥含量试样的整体性微观结构，见图4。骨料与填料接触面容易形成较大孔隙及发育数量较多的小孔隙，而填料与填料之间孔隙相对较小。水泥与建筑垃圾再生材料产生水化反应时，生成的胶凝物胶结并填充集料间的孔隙。1.5%试样内部结构孔隙发育连通，结构松散，整体性较差；2.5%试样内部结构孔隙也存在，但未进一步发育连通，内部较为密实，整体性更好[5]。随着水泥含量的增加，水泥水化后的产物——水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶及水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体等自身的凝结硬化，形成的水泥石将建筑垃圾再生材料紧紧黏结在一起，水泥水化产物与建筑垃圾再生材料混合料颗粒相互联结形成空间网络结构，使水泥改良的建筑垃圾再生材料强度增大、水稳定性增强[6-7]。因为掺加了水泥，微观结构中固相间联结关系发生改变、黏结力增强、孔隙率降低及整体性增强，同时也改变了液相、气相的分布特征，宏观上表现为建筑垃圾再生材料混合料强度力学性能及水稳性能的增强。

2.2局部性微观结构分析

采用250，1000，5000倍左右的放大倍数，观测建筑垃圾再生材料混合料的局部性微观结构。掺加1.5%，2.5%水泥含量试样的孔隙处进行放大250倍左右观察分析，见图5。掺加水泥后，建筑垃圾再生细集料与水泥重新形成了再生水泥砂浆，较天然细集料孔隙率、吸水率等上升，表观密度、堆积密度、坚固性等下降。因为建筑垃圾再生细集料主要由附着水泥的天然砂、水泥石碎屑、砖瓦等，在破碎过程中产生的石屑和泥土及其他各种杂质组成，颗粒棱角多、含有较多微裂纹，水泥掺量较低，黏结力较小，形成的再生水泥砂浆孔隙率、吸水率较大，密度、强度等较低。红色圈内为具有代表性的微观结构。1.5%试样水泥掺量较少，黏结力较小，建筑垃圾再生材料细集料间、细集料与粗集料间联结不够紧密，结构疏松，裂隙较多。在干湿循环作用下，由于集料之间黏结力较小，砂粒和一些细小颗粒容易脱落，且试件内的裂隙不断产生、发育，在渗流力的作用下试件中的细颗粒不断地被冲出、带走。2.5%水试样具有较强黏结力，块状颗粒与砂粒、块状颗粒之间也联结紧密，结构密实，整体性较强，裂隙较少，不易脱落。在干湿循环条件下，由于集料之间黏结力较强，砂粒和一些细小颗粒不易脱落，且裂隙的产生和发育也比较缓慢[10-12]。掺加2.5%水泥含量试样的孔隙处，进行放大1000倍、5000倍左右观察分析，见图6。放大1000倍的孔隙周围聚集了许多水化产物，是由于建筑垃圾再生材料孔隙较多，拌和过程中吸收大量水分及一些细粉料，水泥在水化过程中，混合料又向外释放水分，导致孔隙处空隙较多，水化产物在此有较大的生长发育空间，这是水化产物在孔隙处发育良好的主要原因[13-14]。因此水泥含量增加，能够增强集料孔隙间的黏结力，减少孔隙率。放大5000倍的孔隙周围，水化产物为疏松多孔的颗粒堆积，颗粒间有接触，但没有牢靠联结。水化产物形态呈现不同的特点，有少量片状Ca（OH）2晶体和针状钙矾石晶体夹杂在颗粒状水化产物中，颗粒状水化产物主要为C-S-H凝胶，在再生水泥砂浆中互相交织、联结，形成空间网状结构，从而产生较强的黏结力和强度[14]。

3结语

采用扫描电镜，选取50，250，1000，5000四种放大倍数，对水泥改良建筑垃圾再生材料混合料进行整体性、局部性及代表性部位的观察和分析。（1）试样水泥含量1.5%时，内部结构孔隙发育连通，结构松散，整体性较差，集料之间联结不够紧密，细颗粒易脱落。干湿循环作用下孔隙不断产生、发育，在渗流力作用下细颗粒不断地被冲出、带走。水泥掺量2.5%时，集料之间联结紧密，空隙减少，内部结构较密实，整体性更好。干湿循环条件下空隙产生和发育较缓慢，集料之间黏结力增强，细颗粒不易脱落。（2）水泥水化产物易在孔隙处聚集且发育良好，随水泥含量增加，集料孔隙间的黏结力增强，孔隙率减少。水化产物的形态呈现不同特点：少量片状Ca（OH）2晶体和针状钙矾石晶体夹杂在颗粒状的水化产物中，颗粒状的水化产物主要为C-S-H凝胶，在再生水泥砂浆中互相交织、联结，形成空间网状结构，从而产生较强的黏结力和强度。（3）通过掺加水泥，微观结构中固相之间联结关系发生改变、黏结力增强、孔隙率降低及整体性增强等，宏观上表现为建筑垃圾再生材料混合料强度等力学性能及水稳性能的增强。

作者:杜红艳 王朝相 余成 孙亚康 单位:中交第一公路勘察设计研究院有限公司 长安大学公路学院中国葛洲坝集团第三工程有限公司