粒徑對建筑垃圾基漿體膨脹充填材料強(qiáng)度的影響

仇文超，王發(fā)剛,劉樹江，王　劼

(1.山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 淄博 255049； 2.淄博市王莊煤礦， 山東 淄博 255400)

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粒徑對建筑垃圾基漿體膨脹充填材料強(qiáng)度的影響

仇文超1，王發(fā)剛1,劉樹江2，王劼1

(1.山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 淄博 255049； 2.淄博市王莊煤礦， 山東 淄博 255400)

采用改變建筑垃圾的粉磨時間，來獲得不同粒徑的建筑垃圾基漿體膨脹充填材料；并通過測定充填體的強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)變化，來分析不同基料粒徑對材料強(qiáng)度的影響過程.研究結(jié)果表明：建筑垃圾充填材料28d強(qiáng)度隨著粒徑的減小呈現(xiàn)先增大后平緩的趨勢；SEM掃描電鏡觀察可知：隨著粒徑的不斷變小，充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中還有的鈣礬石、硅鋁凝膠物質(zhì)在不斷增多.

建筑垃圾；粒徑；強(qiáng)度；漿體膨脹充填材料

淄博市王莊煤礦投資1 000萬元建設(shè)了“建筑垃圾基漿體膨脹材料充填站”，將淄博市的建筑垃圾和煤礦的煤矸石經(jīng)篩選、破碎成8目以下粒級的漿體膨脹材料制備的基料，通過自助一體化制漿裝置按照一定比例混合攪拌制成“建筑垃圾基漿體膨脹充填材料”，生產(chǎn)成本達(dá)130元/t左右，再通過無縫鋼管自流輸送至采煤工作面采空區(qū)，接頂和填充效果非常好.

建筑垃圾基漿體膨脹充填材料[1-2]，是以研磨后的建筑垃圾為基料，水泥、石膏、石灰等普通建筑用材為輔料的一種新型充填材料.研究的創(chuàng)新之處是將建筑垃圾的處理問題和充填采礦結(jié)合在一起，兩者相互利用相互補(bǔ)充，既解決了日益嚴(yán)重的建筑垃圾問題，又能充填采空區(qū)，保證礦山開采安全，避免破壞生態(tài)環(huán)境[3-5].

磨細(xì)為建筑垃圾基漿體膨脹充填材料的特點，利用建筑垃圾粉料的潛在活性，來降低材料中水泥的用量.建筑垃圾幾乎已無任何膠凝活性成分，制備漿體膨脹充填材料時，經(jīng)過破碎、研磨成后，粉料中含有較高含量的SiO2、Al2O3[6]，采用特殊激發(fā)劑，使其再生為具有一定活性的物質(zhì).但是建筑垃圾的研磨程度不同，得到的建筑垃圾粉末的粒徑也會不同，具有的活性物質(zhì)更是有差異.本文通過改變建筑垃圾的粉磨時間，而得到不同粒徑的建筑垃圾基漿體膨脹充填材料，對比不同齡期的充填體強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)變化，考慮經(jīng)濟(jì)成本、管道輸送等因素[7]，尋找適合實際生產(chǎn)的粒徑范圍.

1　原材料物化性能及實驗方法

1.1原材料物化性能

(1)本次試驗的建筑垃圾來自淄博市張店區(qū)使用期約30年的拆遷廢棄物，其主要成分是廢棄混凝土、廢棄燒結(jié)磚、外墻砂漿等等建材，以及少量的塑料、木材、鋼筋等建材.實驗準(zhǔn)備階段，對建筑垃圾進(jìn)行篩分與粉磨，以備作為實驗原材料使用.425水泥、石灰等輔料來自于淄博市王莊煤礦,水泥、石灰以及特殊添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(占基料質(zhì)量)分別為20%、5%、12%.原材料的物理性質(zhì)測試按照土工試驗規(guī)程SL237-1999進(jìn)行，結(jié)果見表1.

(2)原材料的化學(xué)分析見表2，其中垃圾粉料中各氧化物的含量代表粉磨不同時間原料的平均值.

1.2實驗方法

(1)采用SNΦ500×500水泥統(tǒng)一試驗?zāi)ㄖM(jìn)行粉磨，粉磨時間分別為：5min, 10min, 15min, 20min, 25min, 30min.通過物料篩分實驗，繪出不同粉磨時間的建筑垃圾顆粒級配曲線，并計算出平均粒徑大小.

(2)試驗樣品按建筑垃圾粉料質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%配制漿體，脫模后并進(jìn)行袋式密閉標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù).

(3)在不同的齡期測量充填體的抗壓強(qiáng)度.

(4)用SEM進(jìn)行檢測，觀察充填體的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu).

2　粒徑對建筑垃圾充填材料性能的影響

2.1篩分分級結(jié)果分析

(1)對建筑垃圾粉料進(jìn)行了粒徑分析，詳見表3.

表1原材料物理性能測試結(jié)果

原材料固體密度/(g·cm-3)容重/(kg·L-1)孔隙率/%含水率/%細(xì)度/%建筑垃圾粉料2.671.2852.060.65變量水泥3.141.0167.830.526.4石灰3.220.6380.430.607.6石膏2.30.9757.832.5217.2

表2　建筑垃圾粉料化學(xué)成分分析表(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

表3建筑垃圾粉料的粒級組成

時間/min分計/%≤0.048mm≤0.058mm≤0.074mm≤0.088mm≤0.105mm≤0.154mm≤0.180mm≤0.250mm≤0.830mm≤1.000mm51322.454.27.850.88.911.52.37.521.51016.637.82.659.255.87512.16.7511.16.8751518.8545.34.215.64.355.052.01.00.553.102016.3549.25.912.254.457.11.251.00.651.85251651.158.314.53.253.551.1510.60.53015.652.56.359.04.72.753.52.91.80.9

(2)計算不同粉磨時間得到的垃圾粉料的平均粒徑和均勻性系數(shù)，詳見表4.我們可以看出：隨著粉磨時間的不斷增長，建筑垃圾粉料的粒徑在逐漸變小，減小幅度也在趨于平緩，而不均勻性系數(shù)有差別，但變化并不明顯.

表4建筑垃圾粉料的顆粒特性參數(shù)

時間/min粉料特性參數(shù)平均粒徑/mm均勻性系數(shù)50.2981.3125100.1391.2823150.0961.3822200.0851.2771250.0711.2068300.0651.3995

2.2粒徑對建筑垃圾充填材料強(qiáng)度的影響

不同粒徑大小的建筑垃圾粉料制備成充填材料的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表5，由此繪制而成的抗壓強(qiáng)度曲線，如圖1、圖2所示.從如圖1可以看出，對于建筑垃圾不同平均粒徑的充填體試件，隨著齡期的不斷增長，試件抗壓強(qiáng)度在不斷地增大.在水化反應(yīng)前期(養(yǎng)護(hù)3d左右)，隨著平均粒徑的減小，試件強(qiáng)度會出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，但數(shù)據(jù)相差不大.水化初期，各物料之間的反應(yīng)還不夠完全，即使建筑垃圾粒徑大小有差異，各試件的水化反應(yīng)程度相差不大；而此時建筑垃圾的不均勻系數(shù)又會有略微差別，從宏觀層面以及物理學(xué)堆積的角度，對強(qiáng)度會產(chǎn)生一定的影響.

表5不同粒徑的建筑垃圾基漿體膨脹復(fù)合材料充填體試件強(qiáng)度表

平均粒徑/mm12h強(qiáng)度/MPa1d強(qiáng)度/MPa3d強(qiáng)度/MPa0.2980.510.680.970.1390.380.671.230.0960.520.721.360.0850.580.821.570.0710.60.851.630.0650.691.031.69平均粒徑/mm7d強(qiáng)度/MPa14d強(qiáng)度/MPa28d強(qiáng)度/MPa0.2981.62.142.750.1391.822.53.050.0962.162.683.630.0852.272.884.050.0712.423.274.210.0652.463.624.31

圖1　充填體試樣28d齡期的SEM分析結(jié)果(5000倍)

圖2　試樣28d強(qiáng)度隨粒徑變化曲線

在圖2中，可以看出在28d齡期時，隨著建筑垃圾平均粒徑的不斷減小，充填體試件的強(qiáng)度不斷增大，并且在粒徑達(dá)到0.1mm左右時，增長幅度開始趨于平緩.我們也可認(rèn)為：建筑垃圾平均粒徑大小是建筑垃圾基膨脹復(fù)合材料充填體試件28d強(qiáng)度的決定因素之一，即建筑垃圾粉料粒徑越小，破碎后建筑垃圾的微粉活性越高，同時可能導(dǎo)致短期吸水顯著，水膠比及流動性產(chǎn)生變化，使得28d強(qiáng)度增大.

不同粒徑的漿體相對黏度見表6，可以看出隨著粒徑的增加，漿體黏度不斷變大，當(dāng)粒徑在0.1mm左右時，漿體黏度與花生油接近，而在粒徑到達(dá)0.065mm時，漿體黏度超過花生油黏度的2倍,無法進(jìn)行管道運(yùn)輸.在實際生產(chǎn)中，充填體28d齡期，抗壓強(qiáng)度達(dá)到3MPa，即可滿足現(xiàn)場需求.過細(xì)粉料的充填材料強(qiáng)度大，但成本也高，且漿體流動性過差，造成管道運(yùn)輸困難.因此，我們可以大膽推測，本課題制備的建筑垃圾漿體膨脹充填材料最佳粒徑在0.1mm左右.

表6不同粒徑的漿體相對黏度數(shù)據(jù)表

平均粒徑/mm漿體黏度/自來水黏度漿體黏度/花生油黏度0.02983.5440.7560.01395.6601.2980.0966.6321.5080.0857.9851.7250.0719.0121.8340.0656.9222.225

2.3粒徑對充填體微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖3為不同粒徑建筑垃圾漿體膨脹充填材料的SEM分析圖.從圖中可以看出：在28d齡期時，粒徑為0.298mm和0.139mm的充填體內(nèi)部大部分主要是固體顆粒和空洞，表明水化反應(yīng)還不夠充分；當(dāng)粒徑達(dá)到0.096mm和0.085mm時，充填體內(nèi)部明顯看到鈣礬石和膠凝物質(zhì)的出現(xiàn)，不過含量較少；粒徑達(dá)到0.071mm和0.065mm時，鈣礬石含量增加，并且被膠凝類物質(zhì)包裹，形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

建筑垃圾基漿體膨脹充填材料的強(qiáng)度主要來源于鈣礬石和硅鋁凝膠的含量，充填材料的微觀分析結(jié)果和宏觀強(qiáng)度測試形成了對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步說明：隨著粉料粒徑的減小，建筑垃圾的活性越高，水化反應(yīng)越充分，抗壓強(qiáng)度也在升高.

圖3　充填體試樣28d齡期的SEM分析結(jié)果(5000倍)

3　建筑垃圾充填材料的強(qiáng)度機(jī)理

由于粉磨時間的改變，建筑垃圾粉料不僅僅是得到了大小不同的顆粒，還伴隨著物料晶體結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化.水化反應(yīng)初級階段，水泥、石灰等輔料發(fā)生水化反應(yīng)[8]，產(chǎn)生大量的堿性離子，如Ca(OH)2、NaOH等[9]，逐漸侵蝕建筑垃圾顆粒表面.物料的水化反應(yīng)過程中，會放出水化熱，形成長針狀、柱狀鈣礬石結(jié)晶結(jié)構(gòu)[10-11]，交錯在一起形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀骨架，為建筑垃圾充填材料提供了早期強(qiáng)度.而隨著建筑垃圾粉料粒徑的減小，顆粒的比表面積不斷增大，其內(nèi)能和比表能顯著上升；晶格尺寸減少，保證了物料與水接觸面積的變大，兩者都使得顆粒表面的侵蝕速率加快，并加大了水化反應(yīng)的深化程度.

未經(jīng)處理的建筑垃圾顆粒其內(nèi)部玻璃體中可溶的SiO2、Al2O3含量非常少，自身玻璃體解聚能力也較弱.而經(jīng)過粉磨處理后，隨著建筑垃圾粉料粒徑的減小，玻璃體表面的Si-O鍵和Al-O鍵破壞程度越高[12]，使[SiO4]，[AlO4]四面體形成的三維連續(xù)的高聚合度網(wǎng)絡(luò)解聚成四面體短鏈,進(jìn)一步解聚成[SiO4]，[AlO4]等單體，建筑垃圾顆粒表面產(chǎn)生大量的可溶性SiO2、Al2O3，水化反應(yīng)生成大量的水化鋁酸鈣、水化硅酸鈣.這些凝膠類物質(zhì)不斷增加并且交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致使結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度再次增加.最后，隨著時間的增加，在致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的表面會形成水化產(chǎn)物的包裹層，將網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和三種形態(tài)的水(吸附水、結(jié)晶水、化合水)包裹在里面，從而使強(qiáng)度達(dá)到最大值.

漿體膨脹充填材料硬化體是由一個固-液-氣三相構(gòu)成的多相多空體系.硬化體按水化程度分類：一部分是水化物相，它是水化反應(yīng)后生成的新相；一部分是殘留物相，它是物料中未參與水化反應(yīng)的原物相；還有一部分是由空氣和水組成的孔隙網(wǎng).

4　結(jié)束語

(1)從原材料的物化性質(zhì)分析可以看出：垃圾粉料中含有較多的SiO2、Al2O3，具有潛在活性，且不含有害元素；物理性能也符合漿體膨

脹充填材料的制備要求.

(2)在28d齡期時，建筑垃圾充填材料的強(qiáng)度隨著粒徑的減小呈現(xiàn)先增大后平緩的趨勢，最佳粒徑范圍在0.1mm左右.

(3)SEM掃描電鏡觀察顯示：隨著粒徑的不斷變小，充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中鈣礬石、硅鋁凝膠物質(zhì)的含量在不斷增多.

(4)建筑垃圾漿體膨脹充填材料的強(qiáng)度機(jī)理：原材料中各組分發(fā)生水化反應(yīng)，使得漿體溶液的堿性值升高，顆粒中Si-O、Al-O鍵發(fā)生斷裂，建筑垃圾顆粒表面受到侵蝕作用發(fā)生溶解，而粒徑的減小有助于水化反應(yīng)的加快和加深，促進(jìn)膠凝物質(zhì)的生成，提高充填體的整體強(qiáng)度.

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(編輯：姚佳良)

Effect of particle size on the strength of construction waste slurry backfill material

QIU Wen-chao1, WANG Fa-gang1, LIU Shu-jiang2, WANG Jie1

(1.School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2.Zibo Wangzhuang Mine, Zibo 255400, China)

By changing the grinding time of construction waste, we obtained different particle size of construction waste slurry backfill material, and through the determination of filling body strength and microstructural changes, we analyzed the different base material the influence process of particle size on the strength of the material. The results showed that the construction waste backfill material strength of 28d showed a trend of first increase and then gradual with decreasing particle size. Via scanning electron microscopy (SEM) observation we found that with the decreasing of the particle size, internal structure of the filling body and the ettringite, silica alumina gel material are on the rise.

construction waste；particle size； strength；slurry backfill material

2015-11-11

山東省自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化重大專項(2012ZHZX1A0903)

仇文超，男,853824702@qq.com; 通信作者：王發(fā)剛，男,wangfagang@sohu.com.

1672-6197(2016)06-0040-04

TD823

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