建筑垃圾制备胶凝材料研究

2012-11-10朱丽苹陆占清王少龙

水泥技术 2012年3期

关键词：胶凝矿渣水化

朱丽苹，陆占清，王少龙

建筑垃圾制备胶凝材料研究

朱丽苹，陆占清，王少龙

本文讨论了建筑垃圾的利用现状。研究得出：以建筑垃圾为主要原料，同时复配FMH、SN、KZF，制备出了可以替代22.5号砌筑水泥的胶凝材料，为实现建筑垃圾大规模综合利用提供了技术基础。关键词：建筑垃圾；胶凝材料

1 引言

建筑垃圾主要来源于旧建筑物拆迁和建筑工地垃圾，并且随着城市化进程的加快，其数量与日俱增，其中旧建筑物拆迁分为砖和石头、混凝土、木材、塑料、石膏和灰浆、钢铁和非铁金属等几类[1]；其次建筑工地垃圾分为剩余混凝土（工程中没有使用掉的混凝土）、建筑碎料（凿除、抹灰等产生的旧混凝土、砂浆等矿物材料）以及木材、纸、金属和其他废料等类型[1～2]，其主要组成为废砖和废混凝土。建筑垃圾的危害主要表现在以下几个方面：

（1）占用大量土地资源，在露天堆放的过程中，经长期日晒雨淋后，建筑垃圾中酸、碱等有害物质渗入土壤中[3]，从而发生一系列物理、化学、生物反应，或为植物根系吸收或被微生物合成吸收，造成土壤污染[5]。

（2）污染空气，造成空气质量下降。首先建筑垃圾在堆放过程发生粉化，细小颗粒会悬浮在空气中；其次，建筑垃圾中的有机物在一定温度、水分条件下，部分有机物质发生分解，从而产生有害气体[4]。

表1 矿渣粉、煤粉灰的化学组成，%

（3）造成水体污染。建筑垃圾在堆放和填埋过程中，因发酵和雨水的冲淋以及在地表水和地下水的浸泡中[6]，将产生大量的渗滤液或淋滤液，从而造成周围地表水和地下水的严重污染。

目前建筑垃圾利用存在的缺点是：

（1）建筑垃圾掺量较低，最高掺量只有20%，达不到建筑垃圾大规模综合利用的要求；

（2）没有根据废砖或废混凝土成分的差异性，把它们有机结合起来，从而使其利用量达到最大化。在硅酸盐水泥中有效成分为CaO·SiO2，而废砖的主要成分为SiO2和Al2O3，只含有少量的CaO，其CaO的不足同时可以由废混凝土来弥补，从而达到大规模综合利用的目的。

2 实验部分

2.1 建筑垃圾的主要成分

建筑垃圾中废砖的主要成分为SiO2和Al2O3[3～5]，并含有少量的Fe2O3、CaO和MgO等。而其中的废混凝土主要成分为SiO2、CaO和Al2O3，并含有少量Fe2O3和MgO[3～5]。

2.2 试验原料

实验研究中以建筑垃圾为主要原料，其他辅助材料为：

（1）矿渣粉：昆钢矿渣并球磨1h，含水率为0.4%。

（2）粉煤灰：含水率为12%。

矿渣粉、粉煤灰的化学组成见表1。

（3）水泥：由云南昆钢嘉华水泥厂提供，28d龄期标准胶砂抗压强度为63.2MPa，其矿物组成为C3S、C4AF、C2S、C3A。

2.3 试验设备

JPT-5天平，量筒，烧杯，刮平尺，ISO行星式胶砂搅拌机与胶砂试体成型振实台，三联试模40mm×40mm×160mm，TYA-100C型电液式抗折抗压实验机，TYA-300C型电液式抗折抗压实验机。

2.4 试验方法

以活化处理之后的建筑垃圾为基体，加入不同工业废渣作为改性组分，然后加入水用ISO行星式胶砂搅拌机快速搅拌3min，而后在三联试模中进行浇注成型。静停24h后脱模，再经24h常压蒸汽养护，最后进行抗折、抗压强度测试分析。

2.5 试验技术路线（图1）。

3 实验结果与讨论

3.1 正交试验研究复合胶凝材料组成

复合胶凝材料由JZLJ（建筑垃圾）、KZF（矿渣粉）、FMH（粉煤灰）、SN（水泥）组成。选用正交实验表L9（34）进行正交实验。因素水平如表2，正交实验结果见图2、3。

表2 因素水平表*

废砖、废混凝土FMH、KZ、SN粉磨掺入建筑垃圾中搅拌浇注成型养护测试图1建筑垃圾制备胶凝材料试验工艺流程

从抗压级差分析图可以得出：影响因素的主次顺序为：C>A>B，即FMH对实验结果影响最大，KZF的影响次之，SN对抗压强度的影响最小。同时可以得出最优试验水平是：A1B1C2。即复合胶凝材料中KZF：DSZ：FMH=25%：20%：15%。

从抗折级差分析图可以看出，主次因素为：C>A>B，即FMH对实验结果影响最大，KZF的影响次之，SN对抗压强度的影响最小。同时可以得出最优试验水平是：A1B1C2。即复合胶凝材料中KZF：SN：FMH=25%：20%：15%。

不难看出，从抗压、抗折强度上所得到的最优水平相同：KZF：SN：FMH=25%：20%：15%，而且该组方案在实验中出现了。

3.2 建筑垃圾在胶凝材料中的最佳掺量研究

通过2.1的正交实验可以得出胶凝材料中KZF：SN：FMH=25%：20%：15%。在胶凝材料中保证KZF：SN：FMH=25%：20%：15%不变的前提下，调整建筑垃圾的掺量，由单因素试验得到结果，分析见图4。

图4 建筑垃圾掺量对胶凝材料性能的影响

从图4可以看出，当建筑垃圾掺量在60%时，所得到的试样抗压和抗折强度均为最大，其抗折强度和抗压强度值均达到22.5号砌筑水泥要求，故可以作为建筑砌筑水泥使用。原理是：建筑垃圾的主要成分为SiO2和Al2O3，能同FMH、SN、KZF一起产生协同作用来实现水化反应。产生的C-S-H胶凝可用通式Ca4Si2O7（OH）·H2O表示，它是组群状硅酸盐结构。-Al-O-Al-，-Si-O-Si-，-Al-OSi-的化学长链也能同时形成，该类化学结构属于类陶瓷结构，具有化学稳定、高强的特性。

FMH机理是：FMH是一种具有潜在活性的玻璃体废渣，适当提高FMH用量，可以补充体系中的活性硅铝。一方面能提高C-S-H胶凝矿物的比例，另一方面也有利于化学长链-Al-O-Al-、-Si-O-Si-、-Al-O-Si-的形成。但FMH的活性必须在碱性环境中才可以充分激发出来，所以FMH的掺量受SN掺量的限制。FMH掺量增加的同时，实际上就是KZ掺量递减的过程，这样就直接导致最终C-S-H胶凝矿物减少。利用FMH的关键是如何合理调整体系中的Ca/Si比，从而有利于形成较多的水硬性物质，使胶凝材料表现出较高的物理力学性能。

KZ的作用机理是：KZ是具有高度活性的玻璃体矿物，在该体系中，能够被SN水化反应所生成的石灰激发，其玻璃体结果迅速被破坏，经过水化反应生成大量的CSH、CAH和钙矾石，同时也形成部分-Al-O-Al-、-Si-O-Si-、-Al-O-Si-化学长链。这些物质的结构对试样强度的建立起到了决定性作用。

SN水化产物的结构决定了其性能。硅酸盐水泥的主要水化产物是水化硅酸钙C-S-H，它是CaO-SiO2-H2O系统中存在三元化合物的统称，是水泥混凝土、无机胶凝材料强度的来源。C-S-H凝胶的结构是高度变形的类托贝莫来石和类羟基硅钙石结构，故在胶凝材料体系中会表现出较高的物理力学性能。