建筑垃圾制備膠凝材料研究

朱麗蘋(píng)，陸占清，王少龍

建筑垃圾制備膠凝材料研究

朱麗蘋(píng)，陸占清，王少龍

本文討論了建筑垃圾的利用現(xiàn)狀。研究得出：以建筑垃圾為主要原料，同時(shí)復(fù)配FMH、SN、KZF，制備出了可以替代22.5號(hào)砌筑水泥的膠凝材料，為實(shí)現(xiàn)建筑垃圾大規(guī)模綜合利用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：建筑垃圾；膠凝材料

1 引言

建筑垃圾主要來(lái)源于舊建筑物拆遷和建筑工地垃圾，并且隨著城市化進(jìn)程的加快，其數(shù)量與日俱增，其中舊建筑物拆遷分為磚和石頭、混凝土、木材、塑料、石膏和灰漿、鋼鐵和非鐵金屬等幾類[1]；其次建筑工地垃圾分為剩余混凝土（工程中沒(méi)有使用掉的混凝土）、建筑碎料（鑿除、抹灰等產(chǎn)生的舊混凝土、砂漿等礦物材料）以及木材、紙、金屬和其他廢料等類型[1～2]，其主要組成為廢磚和廢混凝土。建筑垃圾的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）占用大量土地資源，在露天堆放的過(guò)程中，經(jīng)長(zhǎng)期日曬雨淋后，建筑垃圾中酸、堿等有害物質(zhì)滲入土壤中[3]，從而發(fā)生一系列物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，或?yàn)橹参锔滴栈虮晃⑸锖铣晌?，造成土壤污染[5]。

（2）污染空氣，造成空氣質(zhì)量下降。首先建筑垃圾在堆放過(guò)程發(fā)生粉化，細(xì)小顆粒會(huì)懸浮在空氣中；其次，建筑垃圾中的有機(jī)物在一定溫度、水分條件下，部分有機(jī)物質(zhì)發(fā)生分解，從而產(chǎn)生有害氣體[4]。

表1 礦渣粉、煤粉灰的化學(xué)組成，%

（3）造成水體污染。建筑垃圾在堆放和填埋過(guò)程中，因發(fā)酵和雨水的沖淋以及在地表水和地下水的浸泡中[6]，將產(chǎn)生大量的滲濾液或淋濾液，從而造成周圍地表水和地下水的嚴(yán)重污染。

目前建筑垃圾利用存在的缺點(diǎn)是：

（1）建筑垃圾摻量較低，最高摻量只有20%，達(dá)不到建筑垃圾大規(guī)模綜合利用的要求；

（2）沒(méi)有根據(jù)廢磚或廢混凝土成分的差異性，把它們有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而使其利用量達(dá)到最大化。在硅酸鹽水泥中有效成分為CaO·SiO2，而廢磚的主要成分為SiO2和Al2O3，只含有少量的CaO，其CaO的不足同時(shí)可以由廢混凝土來(lái)彌補(bǔ)，從而達(dá)到大規(guī)模綜合利用的目的。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 建筑垃圾的主要成分

建筑垃圾中廢磚的主要成分為SiO2和Al2O3[3～5]，并含有少量的Fe2O3、CaO和MgO等。而其中的廢混凝土主要成分為SiO2、CaO和Al2O3，并含有少量Fe2O3和MgO[3～5]。

2.2 試驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)研究中以建筑垃圾為主要原料，其他輔助材料為：

（1）礦渣粉：昆鋼礦渣并球磨1h，含水率為0.4%。

（2）粉煤灰：含水率為12%。

礦渣粉、粉煤灰的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

（3）水泥：由云南昆鋼嘉華水泥廠提供，28d齡期標(biāo)準(zhǔn)膠砂抗壓強(qiáng)度為63.2MPa，其礦物組成為C3S、C4AF、C2S、C3A。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

JPT-5天平，量筒，燒杯，刮平尺，ISO行星式膠砂攪拌機(jī)與膠砂試體成型振實(shí)臺(tái)，三聯(lián)試模40mm×40mm×160mm，TYA-100C型電液式抗折抗壓實(shí)驗(yàn)機(jī)，TYA-300C型電液式抗折抗壓實(shí)驗(yàn)機(jī)。

2.4 試驗(yàn)方法

以活化處理之后的建筑垃圾為基體，加入不同工業(yè)廢渣作為改性組分，然后加入水用ISO行星式膠砂攪拌機(jī)快速攪拌3min，而后在三聯(lián)試模中進(jìn)行澆注成型。靜停24h后脫模，再經(jīng)24h常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)，最后進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度測(cè)試分析。

2.5 試驗(yàn)技術(shù)路線（圖1）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 正交試驗(yàn)研究復(fù)合膠凝材料組成

復(fù)合膠凝材料由JZLJ（建筑垃圾）、KZF（礦渣粉）、FMH（粉煤灰）、SN（水泥）組成。選用正交實(shí)驗(yàn)表L9（34）進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。因素水平如表2，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

表2 因素水平表*

廢磚、廢混凝土FMH、KZ、SN粉磨摻入建筑垃圾中攪拌澆注成型養(yǎng)護(hù)測(cè)試圖1建筑垃圾制備膠凝材料試驗(yàn)工藝流程

從抗壓級(jí)差分析圖可以得出：影響因素的主次順序?yàn)椋篊>A>B，即FMH對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最大，KZF的影響次之，SN對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最小。同時(shí)可以得出最優(yōu)試驗(yàn)水平是：A1B1C2。即復(fù)合膠凝材料中KZF：DSZ：FMH=25%：20%：15%。

從抗折級(jí)差分析圖可以看出，主次因素為：C>A>B，即FMH對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最大，KZF的影響次之，SN對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最小。同時(shí)可以得出最優(yōu)試驗(yàn)水平是：A1B1C2。即復(fù)合膠凝材料中KZF：SN：FMH=25%：20%：15%。

不難看出，從抗壓、抗折強(qiáng)度上所得到的最優(yōu)水平相同：KZF：SN：FMH=25%：20%：15%，而且該組方案在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了。

3.2 建筑垃圾在膠凝材料中的最佳摻量研究

通過(guò)2.1的正交實(shí)驗(yàn)可以得出膠凝材料中KZF：SN：FMH=25%：20%：15%。在膠凝材料中保證KZF：SN：FMH=25%：20%：15%不變的前提下，調(diào)整建筑垃圾的摻量，由單因素試驗(yàn)得到結(jié)果，分析見(jiàn)圖4。

圖4 建筑垃圾摻量對(duì)膠凝材料性能的影響

從圖4可以看出，當(dāng)建筑垃圾摻量在60%時(shí)，所得到的試樣抗壓和抗折強(qiáng)度均為最大，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度值均達(dá)到22.5號(hào)砌筑水泥要求，故可以作為建筑砌筑水泥使用。原理是：建筑垃圾的主要成分為SiO2和Al2O3，能同F(xiàn)MH、SN、KZF一起產(chǎn)生協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)水化反應(yīng)。產(chǎn)生的C-S-H膠凝可用通式Ca4Si2O7（OH）·H2O表示，它是組群狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)。-Al-O-Al-，-Si-O-Si-，-Al-OSi-的化學(xué)長(zhǎng)鏈也能同時(shí)形成，該類化學(xué)結(jié)構(gòu)屬于類陶瓷結(jié)構(gòu)，具有化學(xué)穩(wěn)定、高強(qiáng)的特性。

FMH機(jī)理是：FMH是一種具有潛在活性的玻璃體廢渣，適當(dāng)提高FMH用量，可以補(bǔ)充體系中的活性硅鋁。一方面能提高C-S-H膠凝礦物的比例，另一方面也有利于化學(xué)長(zhǎng)鏈-Al-O-Al-、-Si-O-Si-、-Al-O-Si-的形成。但FMH的活性必須在堿性環(huán)境中才可以充分激發(fā)出來(lái)，所以FMH的摻量受SN摻量的限制。FMH摻量增加的同時(shí)，實(shí)際上就是KZ摻量遞減的過(guò)程，這樣就直接導(dǎo)致最終C-S-H膠凝礦物減少。利用FMH的關(guān)鍵是如何合理調(diào)整體系中的Ca/Si比，從而有利于形成較多的水硬性物質(zhì)，使膠凝材料表現(xiàn)出較高的物理力學(xué)性能。

KZ的作用機(jī)理是：KZ是具有高度活性的玻璃體礦物，在該體系中，能夠被SN水化反應(yīng)所生成的石灰激發(fā)，其玻璃體結(jié)果迅速被破壞，經(jīng)過(guò)水化反應(yīng)生成大量的CSH、CAH和鈣礬石，同時(shí)也形成部分-Al-O-Al-、-Si-O-Si-、-Al-O-Si-化學(xué)長(zhǎng)鏈。這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)對(duì)試樣強(qiáng)度的建立起到了決定性作用。

SN水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)決定了其性能。硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣C-S-H，它是CaO-SiO2-H2O系統(tǒng)中存在三元化合物的統(tǒng)稱，是水泥混凝土、無(wú)機(jī)膠凝材料強(qiáng)度的來(lái)源。C-S-H凝膠的結(jié)構(gòu)是高度變形的類托貝莫來(lái)石和類羥基硅鈣石結(jié)構(gòu)，故在膠凝材料體系中會(huì)表現(xiàn)出較高的物理力學(xué)性能。

4 結(jié)論

本文主要研究了以建筑垃圾為主要原料，并從建筑垃圾的化學(xué)特性出發(fā)，配以礦渣粉、粉煤灰、水泥，然后調(diào)整其比例，使它們有機(jī)結(jié)合起來(lái)，最終制備出替代22.5號(hào)建筑砌筑水泥的膠凝材料。在該膠凝材料中，建筑垃圾的摻量達(dá)到了60%，為實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的大規(guī)模綜合利用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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