掺加废弃烧结页岩砖粉末对水泥力学性能及水化的影响

2023-01-02梁晓前王俊云杨雷铭林通敏

四川建筑 2022年6期

梁晓前, 王俊云, 陈玲, 杨雷铭, 林通敏

(1.广西科技大学，广西柳州 545006；2.驻马店碧桂园职业有限公司，河南驻马店 463000；3.广西生态工程职业技术学院，广西柳州 545000)

生态水泥属于一种生态建材生产，其生产主要是以固体废弃物做原料，经过科学配料、煅烧并粉磨，最终制作成水泥。冶金废渣、废弃混凝土、城市污泥等是目前常见的用来生产生态水泥的固体废物[1]。生态水泥是新的技术成果，可以降低垃圾造成的影响、控制环境破坏的程度[2]。

水加入水泥中之后，水泥颗粒将会经过分解、扩散、溶解等变化[3]，生成一系列不同性状的水化产物同时放出热量，这个过程称为水泥的水化反应。在反应中，主要参加水化过程的成分有Ca3O5Si、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O34种，在其充分水化之后，生成物中水化硅酸钙的含量占70%，水化硅酸钙凝胶构成具有很高强度的空间网状结构，对水泥石的强度和其他主要性质起着决定性作用。

课题组前期研究发现在生料配料过程中加入砖粉对于水泥熟料有一定的积极影响，而加入砖粉对其水泥水化过程的影响有待研究，因此利用废弃烧结页岩砖粉末制备生态水泥并研究其对水泥水化及物理性能的影响具有重要意义。

1 试验原料

(1)石灰石。主要成分为碳酸钙(CaCO3)，现代工业中，石灰石是水泥生产的主要原料[4]。本试验选择的是柳州鱼峰水泥厂的工业原料。

(2)黏土质原料。主要成分为SiO2、Al2O3及少量Fe2O3，在黏土质原料中，最广泛应用的是黄土和黏土。本试验采用的是柳州市鱼峰水泥厂生产用的黏土质原料。

(3)校正原料。为满足成分要求调节SiO2、Al2O3、Fe2O3含量经常会用到一些辅助用的校正原料。工业冶炼渣便是其中重要的一类，其是指在冶炼过程中产生的工业废渣。

(4)烧结页岩砖粉末。主要成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3，原料是由废弃的烧结页岩砖或砖厂的不合格的砖破碎、研磨而来。

(5)参比水泥。选用广西柳州鱼峰水泥厂的P.0 42.5普通硅酸盐水泥，符合国家标准规定的GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》的要求。

(6)水。试验用水为水泥厂用自来水。

2 试验方法

2.1 试验方案选择

目前我国硅酸盐水泥熟料采用饱和比(KH或LSF)、硅酸率(硅率，SM)、铝氧率(铝率，IM)三率值控制熟料质量。生料的率值参考水泥厂实际生产率值,KH=0.91，SM=2.4，IM=1.6，但是由于在实际生产中若KH过高，工艺条件难以满足需要，f-CaO 会明显上升，熟料质量反而下降，KH过低，C3S 过少熟料质量也会差，因此，KH值也需通过试验确定一个最优值。

2.2 试验仪器

现将本文所用部分仪器列出，如图1所示。

图1 所用实验仪器

2.3 试验分组

2组试验采用单一变量法，其他参数不变，分别改变砖粉的掺量和KH，现将试验分组列表，见表1。

表1 试验分组

2.4 试件制作

水泥胶砂的制作步骤和试验方法参考GB/T17671-2020《水泥胶砂强度检验方法(ISO)法》。首先取适量试验水泥和参比水泥制作水泥胶砂。胶砂用行星搅拌机搅拌好后倒入40 mm×40 mm×160 mm三联模中。试体连模一起在湿气中养护24 h,然后脱模在水中养护至试验时取用[5]。

3 不同KH对水泥的物理性能的影响

水泥的物理性能的好坏是最终反映水泥能否适应实际应用要求的硬性标准。水泥的强度也是水泥的重要物理力学性能之一，代表着硬化的水泥承受外力破坏的能力，根据受力形式的不同水泥的强度通常被分为抗压、抗折2种。

3.1 研究内容

通过对不同KH配比的水泥制作而成的水泥胶砂进行抗压和抗折试验，选择最优的KH值来进行进一步的试验。

3.2 研究方法

到试验龄期时将试体从水中取出，用抗折机进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。

3.3 试验结果

试验结果见图2、图3。

图2 不同KH下水泥胶砂3d、28d抗压强度

图3 不同KH下水泥胶砂3d、28d抗折强度

3.4 试验结论及分析

由图2、图3中可以看出，在不同KH下随着龄期的增加，水泥胶砂条的抗压、抗折强度也都明显提高，说明生态水泥能够正常的水化生成强度。从图2可以看出，随着KH的逐渐增大，3天的抗压强度是逐渐增大的，分析其原因可能为：钙硅比的提高使熟料中的C3S与C2S的比值增大，而C3S水化速度更快，饱和比越高越能够产生更高的早期强度。随着KH的逐渐增大，28天抗压强度略有降低，分析其原因可能为：低饱和比熟料中C2S的占比较大，其水化速度较慢，所以对于后期强度的提升有很大作用。综合来看，各个饱和比下水泥的强度都是合格的。

4 废弃烧结页岩砖粉末的掺量对水泥物理性能的影响

4.1 研究内容

通过对不同砖粉掺量的生态水泥制作而成的水泥胶砂进行抗压和抗折试验，探讨在生态水泥中加入砖粉的可行性。

4.2 研究方法

试验参考与实验步骤同3.2节。

4.3 试验结果

试验结果见图4、图5。

图4 不同砖粉掺量下水泥胶砂3d、28d抗压强度

图5 不同砖粉掺量下水泥胶砂3d、28d抗折强度

4.4 试验结论及分析

从图4、图5可以看出，利用生态水泥制作的水泥胶砂条抗压强度和抗折强度在3天、28天均满足P.O 42.5的强度要求，说明生态水泥可以满足实际应有的强度要求。随着龄期的增加，水泥胶砂条的强度也明显增加，说明水泥的水化在正常进行。试验证明在砖粉掺量为1%时抗压和抗折强度最高。

5 掺加废弃烧结页岩砖粉末对水泥水化的影响

利用扫描电镜分别对试验水泥和参比水泥3天、28天水化产物扫描,并进行微观观察和分析,分析掺加砖粉对水泥水化的影响(图6～图9)。

图6～图9为生态水泥胶砂和参比水泥胶砂的3天、28天 SEM图片，可以看出，28天与3天相比，水泥胶砂的内部不断水化形成致密的结构，这些凝胶结构的形成为水泥的强度提供了保障，同时可以看出其水化样与参比水泥胶砂的水化样差别不大，甚至其结构更紧致、更均匀。这也从微观上证明掺入一定量砖粉制备生态水泥是可行的,其强度是可以得到保证的。