再生砖粉粒径对水泥水化动力学与微结构发展的影响

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220784

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (11): 63-73.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220784

所属专题： 2023年材料科学与技术

再生砖粉粒径对水泥水化动力学与微结构发展的影响

余其俊¹^,²^,³ 马婷¹ 张同生¹^,² 郭奕群¹ 陈灿峰⁴ 吴正德⁴ 韦江雄¹^,²

^1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州 510640
^2.广东省建筑材料低碳技术工程技术研究中心，广东广州 510640
^3.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009
^4.广州光达环保科技投资有限公司，广东广州 511300

收稿日期:2022-11-28 出版日期:2023-11-25 发布日期:2023-01-19
通信作者: 张同生（1983-），男，博士，研究员，主要从事绿色建筑材料研究。 E-mail:mstszhang@scut.edu.cn
作者简介:余其俊（1963-），男，博士，教授，主要从事水泥低能耗制备与高效应用及环境影响研究。E-mail:concyuq@scut.edu.cn
基金资助:
国家重点研究计划项目(2020YFC1909902);国家自然科学基金资助项目(52122201);宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BDE02002)

Effect of Particle Size on Hydration Kinetics and Microstructure Development of Recycled Brick Powder-Cement Pastes

YU Qijun¹^,²^,³ MA Ting¹ ZHANG Tongsheng¹^,² GUO Yiqun¹ CHEN Canfeng⁴ WU Zhengde⁴ WEI Jiangxiong¹^,²

^1.School of Materials Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^2.Guangdong Research Center of Low Carbon Construction Materials Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^3.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China
^4.Guangzhou Guangda Environmental Protection Technology Investment Co. ，Ltd. ，Guangzhou 511300，Guangdong，China

Received:2022-11-28 Online:2023-11-25 Published:2023-01-19
Contact: 张同生（1983-），男，博士，研究员，主要从事绿色建筑材料研究。 E-mail:mstszhang@scut.edu.cn
About author:余其俊（1963-），男，博士，教授，主要从事水泥低能耗制备与高效应用及环境影响研究。E-mail:concyuq@scut.edu.cn
Supported by:
the National Key R&D Program of China(2020YFC1909902);the National Natural Science Foundation of China(52122201);the Key R&D Program of Ningxia Autonomous Region(2022BDE02002)

摘要/Abstract

摘要：

随着城镇化和旧城改造进程的推进，我国建筑废弃物的产生量与堆存量日益增长，废弃黏土砖占建筑废弃物总量的50%~70%。有研究发现：再生砖粉具有作为辅助性胶凝材料的潜力，但会导致水泥基材料的力学性能显著降低。为探究粒径对再生砖粉活性与水泥水化动力学的影响，文中采用高能球磨制备了不同粒径的再生砖粉，表征了再生砖粉的物理化学性质与水化活性，分析了再生砖粉粒径对再生砖粉-硅酸盐水泥体系水化过程、微观结构和力学性能的影响，并基于Krstulovic-Dabic模型获取体系的水化动力学参数，实现水化进程的量化评价。结果表明：随再生砖粉粒径的减小，硅铝矿物晶格畸变的程度变大、表面结合能降低，导致其水化活性提高；水化早期再生砖粉主要起物理填充作用，可加速再生砖粉-硅酸盐水泥体系的早期水化，提高结晶成核与晶体生长→相边界反应→扩散过程转变时的水化程度；随再生砖粉粒径的减小，火山灰反应的开始时间提前且程度增高，最终使掺入30%小粒径再生砖粉水泥的后期强度超过纯水泥的强度，为再生砖粉在水泥基材料中的高效应用奠定基础。

关键词: 再生砖粉, 粒径, 水化动力学, 抗压强度, 微结构发展

Abstract:

With the advancement of urbanization and the transformation of the old city, the production and stock of construction waste in China are ever increasing, with waste clay bricks accounting for 50%~70%. It has been found that recycled brick powder has the potential as a supplementary cementitious material, but it can lead to a significant reduction in the mechanical properties of cement-based materials. In order to explore the effect of particle size on the activity of recycled brick powder and the hydration kinetics of cement, this study prepared recycled brick powder with different particle sizes by high-energy ball milling. The physical and chemical properties and hydration activity of recycled brick powder were characterized. The effect of particle size of recycled brick powder on the hydration process, microstructure and mechanical properties of recycled brick powder-silicate cement system was analyzed. Based on the Krstulovic-Dabic model, the hydration kinetic parameters of the system were obtained to realize the quantitative evaluation of the hydration process. The results show that with the decrease of the particle size of the recycled brick powder, the lattice distortion of the silicon-aluminum mineral becomes larger and the surface binding energy decreases, resulting in an increase in its hydration activity. The early hydration of recycled brick powder mainly plays a physical filling role, which can accelerate the early hydration of recycled brick powder-cement system and improve the hydration degree of crystallization nucleation and crystal growth→phase boundary reaction→diffusion process. With the decrease of particle size of recycled brick powder, the starting time of pozzolanic reaction is advanced and the degree of pozzolanic reaction is higher. Finally, the later strength of cement mixed with 30% fine-grained recycled brick powder exceeds that of pure cement. This paper lays a foundation for the efficient application of recycled brick powder in cement-based materials.

Key words: recycled brick powder, particle size, hydration kinetics, compressive strength, microstructure development

中图分类号:

TU525

余其俊, 马婷, 张同生, 等. 再生砖粉粒径对水泥水化动力学与微结构发展的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(11): 63-73.

YU Qijun, MA Ting, ZHANG Tongsheng, et al.. Effect of Particle Size on Hydration Kinetics and Microstructure Development of Recycled Brick Powder-Cement Pastes[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(11): 63-73.

图/表 16

图1

图2

表1

图3

图4

图5

图6

图7

图8

表2

粒径对再生砖粉-硅酸盐水泥体系水化动力学参数的影响（25 ℃下）"

D₅₀/μm	n	$K 1'$	$K 2'$	$K 3'$	过程	α₁	α₂
参照组	1.692 22	0.068 00	0.018 37	0.003 16	NG→I→D	0.174	0.236
42.3	1.708 89	0.063 59	0.015 92	0.002 87	NG→I→D	0.144	0.234
27.9	1.713 33	0.063 95	0.016 09	0.002 79	NG→I→D	0.148	0.236
11.2	1.726 53	0.064 07	0.016 29	0.002 64	NG→I→D	0.154	0.237
2.9	1.727 07	0.064 51	0.016 40	0.002 53	NG→I→D	0.167	0.238

表2

图9

图10

图11

图12

图13

图14

参考文献 21

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原材料	化学组成/%
原材料	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	SO₃	TiO₂	烧失量	其他
硅酸盐水泥	21.60	4.35	2.95	63.81	1.76	0.51	0.16	2.06		1.19
再生砖粉	64.98	20.63	7.47	1.33	0.77	2.87	0.31	0.17	0.97	0.15	0.25

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再生砖粉粒径对水泥水化动力学与微结构发展的影响

Effect of Particle Size on Hydration Kinetics and Microstructure Development of Recycled Brick Powder-Cement Pastes

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