炉渣、建筑垃圾复掺对水泥基材料性能影响的研究

李清海，王菲菲，周胜男，李清原

（中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

炉渣、建筑垃圾复掺对水泥基材料性能影响的研究

李清海，王菲菲，周胜男，李清原

（中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

对炉渣及建筑垃圾作为细集料取代天然河砂，通过压制成型的方法制备水泥基材料进行研究，探索了在建筑垃圾掺量固定的前提下，同时掺加炉渣对水泥基材料强度、吸水率及抗冻融性能的影响规律。研究结果表明：在建筑垃圾取代40%天然河砂的前提下，水泥基材料的强度随天然河砂被炉渣取代量的逐渐增加先增大后减小，吸水率则呈逐渐增大的变化趋势；在抗冻融性方面，在一定掺量范围内，炉渣、建筑垃圾复掺制备的水泥基材料满足《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》中D25抗冻等级指标要求。并对其机理进行分析。

炉渣； 建筑垃圾； 水泥基材料； 强度； 吸水率； 抗冻融性

我国经济建设近年来得到了突飞猛进的发展，但随之产生的工业副产品也越来越多，如冶金技术因具有良好的经济效益和良好的发展前景，随之产生的工业副产物炉渣的排放量也大幅攀升［1］；再如我国建筑施工及建筑拆除过程中会产生大量的建筑垃圾，随着我国经济建设步伐的进一步加快，建筑垃圾的总量也在逐渐增多，截止到2010年建筑垃圾的年产生量达8亿t［2］，这些工业废弃物的大量堆放给我国的生态环境带来巨大的压力。目前，我国对工业废弃物的应用主要是低层次、低技术含量的利用，而这些工业废弃物中的很多资源并没有得到高附加值的利用［3］，因此如何展开工业废弃物的综合利用成为一个急需研究的课题。

将工业废弃物转变为可重新利用的资源及将再生资源转变为产品是环保领域资源循环利用的重要核心［4］。因此，利用炉渣及建筑垃圾代替天然河砂制备水泥基材料是一种有利于节约资源及环境保护的技术，既可以减少天然集料的用量，又能缓解工业废弃物带来的环境压力［5－8］。虽然炉渣、建筑垃圾单独用于水泥基材料中的研究众多，但二者双掺用于制备水泥基材料的研究却少有涉及。该文针对上述研究现状，采用炉渣及建筑垃圾取代天然河砂，研究两种再生料双掺对压制成型水泥基材料性能的影响，探索其可行性，为炉渣、建筑垃圾在压制成型的水泥基材料（如外墙薄壁挂板、屋面瓦等）领域中的应用提供理论依据。

1 实 验

1.1 原材料

1）水泥：普通硅酸盐水泥（P.O 42.5R）（Ordinary Portland Cement），河北省冀东水泥集团有限责任公司；

2）普通河砂：中砂，连续级配，细度模数为2.8，含泥量为1.8%，密度2 650kg／m3；

3）建筑垃圾：某建筑工程拆除后混凝土经机械破碎处理而成的建筑垃圾，细度模数为2.96；

4）炉渣：是块煤或粒煤燃烧后呈疏松状或块状未经水淬的残渣，其主要成分为晶态SiO2和赤铁矿。

1.2 方法

依据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》，以水灰比0.26，灰砂比2：3设计基准砂浆，采用建筑垃圾等质量取代40%河砂，在水泥质量、建筑垃圾和水灰比一定的情况下，炉渣取代剩余天然河砂，研究炉渣掺量对水泥基材料性能的影响，其配合比如表1所示。

根据实验要求，生产的水泥基材料试样均为压制成型，使用专用压制成型模具，试件尺寸为160mm×40mm×15mm六面体。

按实验配合比例将水泥、砂、建筑垃圾、炉渣、水搅拌至均匀，分次灌入模具，间隔时间为1～2min，尽量将混入的空气排出；控制加荷速度在1～1.5kN／s，压力达到相应要求时停止加压并保持3s；经压制形成水泥基材料试块，卸压取出试块；脱模后，在不淋水的情况下标准养护；标养48h后，取出试块浸水养护28d、90d。

表1 配合比

抗冻融性能试验选用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的慢冻法，养护28d的水泥基材料，在－20℃条件下冻4h，在15～20℃的水中融4h，如此循环25次，循环以后测试水泥基材料的强度损失和质量损失。

2 实验结果

2.1 掺合料的性能测试结果

与常规的水泥基材料相比，本试验关键变化因素是引入了建筑垃圾及炉渣，为了对试验结果进行机理分析，首先需对二者的特性进行测试。

1）建筑垃圾及炉渣化学成分分析如表2所示。

表2 炉渣的化学成分分析

2）建筑垃圾X衍射图谱分析

由图1建筑垃圾的X衍射图可以看出，建筑垃圾存在大量的晶型SiO2和CaCO3，这是原混凝土中骨料的主要成份；同时含有一定量的Ca（OH）2，这主要是硅酸盐水泥的水化产物。

3）炉渣X衍射图谱分析

由图2炉渣的X衍射图可以看出，炉渣的主要成分为晶态SiO2和赤铁矿。经研究结果表明炉渣的活性指数为63%，但由于玻璃态较少，炉渣活性不高。

2.2 炉渣、建筑垃圾复掺对水泥基材料抗折强度和吸水率的影响结果

在建筑垃圾掺量固定（40%）的前提下，考察炉渣掺量对水泥基材料试样抗折强度和吸水率的影响结果如图3所示。

图3（a）为水泥基材料试样抗折强度随炉渣掺量的变化曲线，由图可以看出28d和90d时水泥基材料试样的抗折强度均随着炉渣掺量的增加先增加后降低，当炉渣掺量为20%时，抗折强度达到最大值，后呈降低趋势，当炉渣掺量超过30%时，水泥基材料试样的强度都小于炉渣掺量为0的水泥基材料试样；在掺量范围内，90d强度显著高于28d强度。由图3（b）可以看出，28d和90d的空白水泥基材料试样（炉渣掺量为0的水泥基材料试样）的吸水率均最小，随着炉渣掺量的增加呈逐渐增大的趋势；在掺量范围内，90d吸水率低于28d吸水率。

2.3 炉渣、建筑垃圾双掺对水泥基材料抗冻融性能的影响结果

结合炉渣、建筑垃圾复掺对水泥基材料抗折强度和吸水率的影响结果，选择建筑垃圾掺量40%时，炉渣掺量为0～30%的水泥基材料试样进行抗冻性实验，表3为水泥基材料试样养护90d经25次冻融循环后抗折强度变化。

表3 抗冻融后试样抗折强度变化

由表3可以看出，养护90d的水泥基材料试样经25次冻融循环后，水泥基材料试样的抗折强度损失较小（强度损失均≤5%），即炉渣的掺入对抗冻融性影响不大，且均满足《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中D25等级指标（强度损失率＜25%）的要求。

通过上述对水泥基材料试样的抗折强度、吸水率、抗冻等性能的研究，可以看出：在建筑垃圾掺量40%、炉渣掺量不高于30%时，复掺建筑垃圾和炉渣的新型水泥基材料力学强度大、吸水率良好，抗冻性满足《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中D25等级指标（强度损失率＜25%）的要求。说明掺有建筑垃圾和炉渣的新型水泥基材料（建筑垃圾取代河砂量为40%，炉渣取代河砂0～30%）具有可行性。

3 机理分析

建筑垃圾掺入对水泥基材料的强度有促进作用，一是因为建筑垃圾本身具有一定的活性，建筑垃圾为建筑拆除后的混凝土经机械破碎处理而成，而混凝土的凝结硬化是一个非常缓慢的过程，即建筑垃圾颗粒内部存在未完全水化的活性成分；二是因为建筑垃圾具有颗粒多样性及很强的亲水性，能很快被水湿润，同时粗糙不平整的表面会吸入新的水泥颗粒，水泥砂浆包裹在建筑垃圾表面，致使建筑垃圾与新的水泥砂浆之间接触区的水化更加完全，加强了界面结合。

炉渣为铝硅质材料，含有较高的酸性氧化物（SiO2、Al2O3），其中含可溶性SiO2量在40%以上，它们能与水泥熟料水化时生成的Ca（OH）2发生反应，生成化学性质稳定的含水硅酸盐和铝酸盐，具有一定的强度。

在双掺建筑垃圾、炉渣取代河砂的情况下，建筑垃圾的引入有利于水泥基材料强度的发展，同时水泥水化产生的Ca（OH）2促进了炉渣中活性SiO2和Al2O3的二次水化反应，利于强度的发展，使得炉渣低掺量时水泥基材料的强度呈增加趋势，炉渣掺量达到20%时，强度达到最大；炉渣掺量继续增加，强度降低，主要原因是随着炉渣掺入量的增加，炉渣的疏松结构对水泥基材料的强度产生的负作用占据了主导因素。随着水泥基材料的养护龄期由28d延长至90d，水泥熟料进一步水化，同时水化生成的Ca（OH）2又促进建筑垃圾中活性SiO2、炉渣中的活性SiO2和Al2O3的水化反应，生成碱度较低的水化硅酸钙和水化铝酸钙，使水泥基材料的后期强度大幅度提高，试样的90d抗折强度显著高于28d抗折强度。

炉渣呈疏松块状，空隙率大，水泥基材料中掺入炉渣后，内部空隙增多而导致吸水率增大；随着养护龄期的延长，水化产物的逐渐增多，水泥基材料内部孔隙被新生成的水化产物部分填充，空隙率降低，吸水率相应降低，使得试样的90d吸水率低于28d吸水率。

另外，由于炉渣本身结构疏松，掺入炉渣后水泥基材料结构中会形成较多气孔，炉渣在一定掺量时会使冻融过程中试样内部的膨胀压和渗透压降低，冻融后抗折强度损失较小，使其经D25冻融循环后仍具有较好的质量和强度稳定性，满足抗冻融性指标的要求。

4 结 论

a.炉渣、建筑垃圾复掺制备水泥基材料，在建筑垃圾掺量固定（40%）的前提下，水泥基材料的力学强度随炉渣掺量的增加呈先增大后减小的变化趋势。这是由于建筑垃圾的引入有利于水泥基材料强度的发展，同时水泥水化产生的Ca（OH）2促进了炉渣中活性SiO2和Al2O3的二次水化反应，利于强度的发展；而随着炉渣掺入量的继续增加，炉渣的疏松结构对水泥基材料强度产生的负作用占据了主导因素。

b.炉渣、建筑垃圾复掺制备水泥基材料，在建筑垃圾掺量固定（40%）的前提下，水泥基材料的吸水率随炉渣掺量的增加而逐渐增大。这是由于炉渣呈疏松块状，空隙率大，水泥基材料中掺入炉渣后，水泥基材料试块内部空隙增多而导致吸水率增大。

c.炉渣、建筑垃圾复掺制备水泥基材料90d抗折强度显著高于28d抗折强度，90d吸水率低于28d吸水率。这是由于随着养护龄期的增长，水泥熟料进一步水化，生成碱度较低的水化硅酸钙和水化铝酸钙，这些水化产物不仅促进试样后期强度的提高，同时填充于部分水泥基材料内部空隙中，使试样内部孔隙率降低，试样后期吸水率相应降低。

d.适宜的炉渣掺量下，以炉渣、建筑垃圾复掺制备的水泥基材料经25次冻融循环，其抗冻性满足《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》要求。

［1］黄亚鹤，刘承军.电炉渣的综合利用分析［J］.工业加热，2008，37（5）：4－7.

［2］许 元.循环经济下建筑垃圾再生利用技术及适应性研究［J］.上海节能，2012（12）：31－35.

［3］楼紫阳，宋立言，赵由才，等.中国化工废渣污染现状及资源化途径［J］.化工进展，2006，25（9）：988－994.

［4］发改环资［2011］2919号文件，“十二五”资源综合利用指导意见.

［5］贾淑明，刘 卓，赵海宏，等.以建筑垃圾为骨料的再生混凝土技术［J］.低温建筑技术，2012（12）：1－3.

［6］王罗春.建筑垃圾处理与资源化［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［7］康梅柳，周丽萍.废弃混凝土的再生利用［J］.建材技术与应用，2011（6）：9－10.

［8］把多华.浅谈铁合金炉渣的综合利用［J］.铁合金，2009（2）：38－46.

Investigation on Behavior of Slag and Construction Waste to Cement－based Materials

LI Qing－hai，WANG Fei－fei，ZHOU Sheng－nan，LI Qing－yuan
（State Key Laboratory of Green Building Materials，China Building Materials Academy，Beijing 100024，China）

According to the search of the slag and construction waste as a recycled fine aggregate instead of natural river sand，cement－base material was prepared by using the method of pressure molding.Then under the premise of fixed dosage of construction waste，at the same time adding slag，the strength，water absorption and freeze－thaw cycle resistance of the cement－base material were researched.The results show that the strength of the cement base material，with the increase of the slag dosage first increases then decreases on the premise of construction waste to replace 40%of the natural river sand，and the water absorption shows a trend of increase gradually changes；the freeze－thaw cycle resistance of slag and construction waste cement－based materials meet D25frost resisting class indication in《Standard for test methods of long－term performance and durability of ordinary concrete》.And its mechanism is analyzed.

slag； construction waste； cement－base material； strength； water absorption； freeze－thaw cycle resistance

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.003

2014－03－04.

国家科技支撑计划项目（2012BAJ20B04）.

李清海（1967－），博士，教授级高工.E－mail：liqinghai＠cbmamail.com.cn