摻CWCPM的砂漿強(qiáng)度灰色關(guān)聯(lián)分析及預(yù)測(cè)模型的建立

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1 前 言

建筑物拆除過程中產(chǎn)生的廢磚，年產(chǎn)量高達(dá)5200萬噸。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的進(jìn)一步發(fā)展，廢磚產(chǎn)量逐年增加，而其再生利用率僅為5%，且主要用于填筑路基。大量廢磚的堆積不僅占用土地、污染環(huán)境，而且是資源的一種浪費(fèi)，因此其再生利用成為一項(xiàng)需要迫切解決的問題[1]。另一方面，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力開展，水泥原材料日趨枯竭，對(duì)各種固體廢棄物進(jìn)行有效利用并作為礦物摻合料的研究受到較多關(guān)注。為提高廢磚再生利用價(jià)值，有學(xué)者嘗試將廢磚用作再生骨料，但由于吸水率大、強(qiáng)度低等原因其再生效果不佳[2]。研究表明[3]，廢磚化學(xué)成分及礦物組成與水泥熟料相似，將其磨細(xì)成粉后具有潛在活性，但活性較小，限制了其作為礦物摻合料的再生利用。將磚粉用作礦物摻合料的研究尚不成熟，未見對(duì)磚粉活性激發(fā)及其摻磚粉砂漿強(qiáng)度定量關(guān)系的研究。若通過一定的技術(shù)途徑對(duì)磚粉進(jìn)行活性激發(fā)，并替代部分水泥用作混凝土摻合料，將是廢磚的一種高效利用方式。為此，本文采用復(fù)合激發(fā)方法對(duì)磚粉進(jìn)行活性激發(fā)，首先將建筑垃圾廢磚進(jìn)行篩檢、破碎并磨細(xì)至比表面積為415m2/kg，然后通過砂漿力學(xué)及收縮性能，確定CWCPM的組成為磚粉∶粉煤灰∶礦粉=25%∶25%∶50%。分析水灰比、CWCPM摻量及齡期對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響規(guī)律及其微觀影響機(jī)理；借助多元回歸分析理論建立砂漿強(qiáng)度與水灰比、CWCPM摻量和齡期之間的定量關(guān)系模型，為廢磚活性激發(fā)及其再生利用提供一定的借鑒作用。

2 原材料及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 原材料

水泥：42.5級(jí)秦嶺普通硅酸鹽水泥，表觀密度及比表面積分別為3.112g/cm3、365m2/kg；細(xì)集料：細(xì)度模數(shù)為2.48的普通河砂。試驗(yàn)用磚粉由使用近30年建筑物拆除垃圾經(jīng)挑揀、破碎、磨細(xì)而得，化學(xué)組成及物理指標(biāo)見表1、表2。

表1 磚粉、CWCPM化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of brick powder and CWCPM /Wt%

表2 磚粉、CWCPM物理性質(zhì)Table 2 Physical property of brick powder and CWCPM

復(fù)合激發(fā)可充分發(fā)揮不同粉體材料之間的“疊加效應(yīng)”，提高粉體材料的綜合性能[4,5]。礦粉具有較好的早期強(qiáng)度，粉煤灰具有較好的減水效應(yīng)和后期強(qiáng)度，因此選用在混凝土工程中應(yīng)用、研究較為成熟的粉煤灰及礦粉與磚粉復(fù)合，并添加少量堿激發(fā)劑以提高磚粉活性，形成建筑垃圾復(fù)合粉體材料(CWCPM)，減少了單純依靠堿激發(fā)而引起的副作用。磚粉、礦粉、粉煤灰的比例通過課題組前期試驗(yàn)確定為2∶2∶1，CWCPM化學(xué)成分及物理指標(biāo)見表1和表2。

由表1可知，磚粉的主要化學(xué)成分及礦物組成與水泥相似。主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3及CaO，約占總量的79.4%。化學(xué)滴定法對(duì)磚粉中活性物質(zhì)測(cè)試表明：其活性SiO2、Al2O3含量分別為11.80%、6.78%；磚粉砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)表明，當(dāng)摻量為40%時(shí)，28d抗壓活性指數(shù)為61.3%，說明磚粉具有一定的活性，具有作為礦物摻合料的潛力，但活性較小。此外，磚粉的粉磨能耗僅為水泥熟料的5%。因此，磚粉是一種潛在的、經(jīng)濟(jì)的、環(huán)保型礦物摻合料。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

固定CWCPM摻量為30%，研究水灰比(0.45、0.49、0.52，編號(hào)分別為A1、A2、A3)對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響規(guī)律；固定水灰比為0.45，研究CWCPM摻量(0%、20%、40%，編號(hào)分別為A4、A5、A6)對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響規(guī)律，測(cè)試齡期為3d、7d、28d和90d。所有灰砂配合比均為1∶3，砂漿的流動(dòng)度控制在20±2cm，當(dāng)流動(dòng)度不滿足要求時(shí)，通過用水量調(diào)整至規(guī)定范圍。試驗(yàn)參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTG E30-2005進(jìn)行。

采用Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)磚粉及CWCPM的微觀形貌進(jìn)行分析；采用Q1000DSC-TG試驗(yàn)儀對(duì)基準(zhǔn)及摻30%CWCPM的凈漿試件水化產(chǎn)物進(jìn)行分析，試驗(yàn)溫度為25～900℃，升溫速率10℃/min。DSC-TG凈漿試樣水灰比為0.5，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至60d。將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的水泥凈漿試樣敲碎，取試件中心部分進(jìn)行粉碎并研磨至通過80μm篩，浸入無水乙醇中停止水化，并在60℃下烘干至恒重備用。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

不同方案砂漿試件抗壓及抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 不同方案砂漿的抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of mortar

圖2 不同方案砂漿的抗折強(qiáng)度Fig.2 Flexural strength of mortar

由圖1和圖2可知，不同方案砂漿的強(qiáng)度有基本相同的變化規(guī)律，隨齡期的增長(zhǎng)及水灰比的減小，強(qiáng)度逐漸增加。對(duì)比A4、A5、A1、A6試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著CWCPM摻量的增加，試件抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在摻量為30%處取得最大值，抗折強(qiáng)度逐漸減小。摻CWCPM的3d、7d、28d強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)試件(A4)；90d齡期時(shí)，當(dāng)摻量≤30%時(shí)，試件的強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)試件。綜合考慮砂漿強(qiáng)度，并最大限度地利用CWCPM，CWCPM摻量以20%～30%為宜。

CWCPM降低了試件的早期強(qiáng)度，這是由于水化早期CWCPM中的粉煤灰及磚粉活性較低，基本不參與水化，主要起填充作用，導(dǎo)致體系內(nèi)部水化產(chǎn)物含量的降低。當(dāng)摻量≤30%時(shí)，90d強(qiáng)度優(yōu)于基準(zhǔn)試件，摻量為40%時(shí)，試件強(qiáng)度降低較多。分析原因可知，CWCPM復(fù)雜的顆粒形貌和合理的比表面積一方面可改善膠凝材料的二次級(jí)配，提高試件密實(shí)度；另一方面CWCPM中的活性物質(zhì)在水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2及堿激發(fā)劑的作用下發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成性能較優(yōu)的水化產(chǎn)物，提高了試件后期強(qiáng)度。而當(dāng)摻量為40%時(shí)，上述兩方面的作用并不能彌補(bǔ)由于水泥含量的降低而導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。

3.2 SEM觀察及分析

圖3 磚粉的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM of the brick powder

圖4 CWCPM的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM of the CWCPM

磚粉及CWCPM的微觀顆粒形貌如圖3、4所示。礦物摻合料的物理效應(yīng)是影響其活性的重要因素[6]，主要取決于其顆粒大小及形態(tài)。由圖3，4可知，磚粉與CWCPM微觀形貌有較大的差別：磚粉顆粒形貌以不規(guī)則結(jié)晶體為主、棱角分明、微珠含量較少，且粗細(xì)顆粒兩極分化，替代部分水泥后易形成多孔結(jié)構(gòu)，降低試件的強(qiáng)度。CWCPM各粉體材料比表面積大小不一，相互填充形成良好的級(jí)配，顆粒尺寸介于幾個(gè)微米與二十微米之間，大顆粒含量較少并含有一定數(shù)量的細(xì)小微珠。細(xì)小微珠有利于水分的均勻分散，大小顆?？尚纬删o密結(jié)構(gòu)，提高體系內(nèi)部密實(shí)度，減少毛細(xì)孔數(shù)量，有效減緩試件內(nèi)部裂紋及早期干縮變形，從而提高試件各項(xiàng)性能[7]。

3.3 熱分析

圖5、6分別為基準(zhǔn)與摻30%CWCPM凈漿試件的DSC-TG曲線。

圖5 基準(zhǔn)試件的DSC-TG曲線(基準(zhǔn)試件指純水泥凈漿，不含CWCPM的漿體)Fig.5 DSC-TG of benchmark specimen

圖6 摻30%CWCPM試件的DSC-TG曲線Fig.6 DSC-TG of specimen with 30% CWCPM

由圖6可知，摻CWCPM試件的DSC-TG曲線形式與基準(zhǔn)試件相同，均在100℃、430℃和680℃附近出現(xiàn)吸熱峰并伴隨質(zhì)量損失。20～300℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失對(duì)應(yīng)水泥水化產(chǎn)物脫水，基準(zhǔn)、摻30%CWCPM試件質(zhì)量損失分別為15.05%、15.07%，相差不大；300～500℃范圍內(nèi)質(zhì)量損失對(duì)應(yīng)Ca(OH)2脫水，分別為4.803%、4.117%，摻CWCPM試樣質(zhì)量損失較基準(zhǔn)試件降低14.3%。以上測(cè)試結(jié)果說明CWCPM的摻入并未生成新的水化產(chǎn)物，但降低了結(jié)晶粗大、取向性較強(qiáng)的Ca(OH)2含量，生成低堿度C-S-H凝膠。Ca(OH)2含量的降低可打破水泥漿體的化學(xué)平衡，促進(jìn)水泥進(jìn)一步水化，低堿度C-S-H凝膠可與其他離子聚合，強(qiáng)度較高、性質(zhì)較為穩(wěn)定[7]，宏觀上表現(xiàn)為摻CWCPM試件后期砂漿強(qiáng)度的提高。

4 灰色關(guān)聯(lián)分析及模型的建立

灰色關(guān)聯(lián)分析理論在于尋求系統(tǒng)中各影響因素之間的主要關(guān)系，并分析和確定子序列對(duì)母序列貢獻(xiàn)程度，進(jìn)而提取系統(tǒng)主要影響因素的一種方法[8-9]。以3d、28d和90d砂漿的抗壓(Y1，Y2，Y3)、抗折強(qiáng)度(Y4，Y5，Y6)為母序列，以水灰比(X1)、CWCPM摻量(X2)為子序列，進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，關(guān)聯(lián)度與關(guān)聯(lián)極性的計(jì)算步驟參考文獻(xiàn)[9]，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 砂漿強(qiáng)度與水灰比、CWCPM摻量的灰色關(guān)聯(lián)度Table 3 Grey correlation between mortar strength and W/C、dosage of CWCPM

由表3可知，子序列的關(guān)聯(lián)度具有有序性，說明水灰比和CWCPM摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不同。從各列求和來看，對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，CWCPM摻量為準(zhǔn)優(yōu)因素，水灰比為抗折強(qiáng)度的準(zhǔn)優(yōu)因素。除90d抗折強(qiáng)度外，關(guān)聯(lián)極性均為負(fù)值，說明隨著水灰比和CWCPM摻量的增加，砂漿強(qiáng)度逐漸減小，與上述宏觀試驗(yàn)分析結(jié)果相吻合。綜合上述分析可知，水灰比與CWCPM摻量是影響砂漿強(qiáng)度的重要因素，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，均應(yīng)有所考慮。

CWCPM的摻入改變了砂漿強(qiáng)度的形成機(jī)制及微觀結(jié)構(gòu)特征，以往砂漿強(qiáng)度模型不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)摻CWCPM的砂漿強(qiáng)度，因此需要建立新的模型來預(yù)測(cè)水泥-CWCPM復(fù)合漿體的力學(xué)性能。由前述試驗(yàn)結(jié)果可知，試件抗壓強(qiáng)度與水灰比呈線性關(guān)系，與CWCPM摻量、齡期呈二次多項(xiàng)式的變化規(guī)律?；诖艘陨皾{抗壓強(qiáng)度y為因變量，以水灰比(W/C)、CWCPM摻量(w)和齡期(d)為自變量，采用多元回歸分析方法，借助origin數(shù)據(jù)分析軟件建立多元回歸預(yù)測(cè)模型如式(1)[10]。其中相關(guān)系數(shù)為0.95302，方差回歸分析結(jié)果見表4。

y=38.031-49.588W/C+0.097w-0.005w2+0.942d-0.007d2

(1)

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

由表4可知，F(xiàn)(5,18)=94.31>F(α=0.05)=5.83，顯著性概率2.88×10-12<0.05，認(rèn)為砂漿抗壓強(qiáng)度與水灰比、CWCP摻量和齡期之間存在顯著的定量關(guān)系。

5 結(jié) 論

1.CWCPM的摻入降低了砂漿試件的早期強(qiáng)度，當(dāng)摻量≤30%時(shí)，28d砂漿強(qiáng)度與基準(zhǔn)試件相差不大，90d強(qiáng)度大于基準(zhǔn)試件；

2.除90d抗折強(qiáng)度外，水灰比與CWCPM摻量的關(guān)聯(lián)極性均為負(fù)值，這說明隨著水灰比和CWCPM摻量的增加，砂漿強(qiáng)度逐漸減?。?/p>

3.基于多元線性回歸理論建立的砂漿強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型能很好地反映砂漿抗壓強(qiáng)度與水灰比、CWCPM摻量及齡期之間的顯著的定量關(guān)系。

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