余泥渣土活化改性技術(shù)研究

李紹彬 郭書輝 辛?xí)枣?陳陪都

（深圳航天科技創(chuàng)新研究院）

1 引言

余泥渣土，在建筑工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的多余的泥土，主要是因?yàn)殚_發(fā)地下空間，建設(shè)地下停車場(chǎng)、地下商場(chǎng)、地鐵工程等[1]。近年來隨著我國城市建設(shè)的飛速發(fā)展和城市居民住宅面積的提高，我國建筑渣土的產(chǎn)生量也隨之大幅度增加，大量的余泥渣土?xí)o環(huán)境帶來諸多危害，包括：城市路面污染、大氣污染、水體污染、侵占大量土地、影響城市規(guī)劃等，因此，由于余泥渣土存量大、無有效的處置辦法，導(dǎo)致這一城市建筑的“副產(chǎn)品”已經(jīng)嚴(yán)重制約著城市的進(jìn)一步發(fā)展。

為了保護(hù)環(huán)境并滿足市場(chǎng)需求，我單位近年對(duì)深圳市及周邊地區(qū)各種余泥渣土進(jìn)行了全面分析。結(jié)果表明深圳的余泥渣土除雜質(zhì)成分外，以石英砂和高嶺土為主要組成。石英砂可以用作混凝土骨料等建筑材料，資源化利用難度較小，但含有較多雜質(zhì)的高嶺土組分因?yàn)楸缺砻娣e大、含水量高、具有化學(xué)惰性等性質(zhì)，導(dǎo)致其資源化利用難度大。本試驗(yàn)采用化學(xué)和物理相結(jié)合的方法對(duì)余泥渣土進(jìn)行處理，改變其表面性質(zhì)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原材料

⑴余泥渣土：取自深圳龍崗渣土堆積處理場(chǎng)。

⑵石灰石粉。

⑶水泥：華潤52.5 硅酸鹽水泥。

2.2 改性方法

余泥渣土中含量最多的為沙石，可經(jīng)過篩分后直接利用，剩余的粘土中含有高嶺石，改性后可在水泥混凝土中作礦物摻合料使用。高嶺石主要成分為氧化硅和氧化鋁，經(jīng)過煅燒后轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)狀態(tài)，能與氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠。石灰石粉，98%為碳酸鈣，易于粉磨可作為余泥渣土粉磨過程的助磨劑，另一方面具有一定的反應(yīng)活性、良好的工作性可作為余泥渣土改性劑。本試驗(yàn)采用在750℃下煅燒粉磨后的石粉改性劑與余泥渣土混合物后加入硅烷偶聯(lián)劑的方式進(jìn)行改性。

2.3 測(cè)試方法

2.3.1 活性指數(shù)檢測(cè)

參照GB/T 2847-2005《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》規(guī)定的水泥膠砂28d 抗壓強(qiáng)度比，強(qiáng)度檢驗(yàn)用對(duì)比水泥使用的強(qiáng)度等級(jí)為52.5 的硅酸鹽水泥。

參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》，對(duì)改性余泥渣土-水泥膠砂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。

2.3.2 XRD 物相分析

用無水乙醇浸泡試樣，終止水化，干燥后研磨過80μm 方孔篩。得到測(cè)試數(shù)據(jù)后，根據(jù)圖譜上的d 值和對(duì)應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)度，根據(jù)Hanawalt 索引卡片檢索物相，并參照《無機(jī)非金屬材料圖譜手冊(cè)》，得到X 射線定性分析的結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

3.1 化學(xué)成分分析

對(duì)不同激發(fā)方法的余泥渣土進(jìn)行X 熒光光譜分析，其中1-渣土原料、2-煅燒渣土（未除砂）、3-煅燒渣土（除砂）、4-改性渣土（除砂），結(jié)果如表1 所示。

表1 不同激發(fā)方法的余泥渣土化學(xué)組分(單位：%)

從表1 中可知，煅燒后余泥渣土燒失量由7.1%下降到0.62%，原料燒失量表征原料加熱分解的氣態(tài)產(chǎn)物（如結(jié)晶水，碳酸鹽，硫酸鹽等）和有機(jī)質(zhì)含量的多少，決定原料性能穩(wěn)定性。煅燒后的渣土燒失量降低，說明經(jīng)過煅燒將渣土內(nèi)的結(jié)晶水揮發(fā)，有機(jī)物灼燒、鋁硅酸鹽和碳酸鹽分解，渣土內(nèi)部穩(wěn)定性有很大程度的提高。

3 號(hào)渣土為過篩水洗除砂后煅燒的渣土，從3 號(hào)渣土成分分析中可以看到，煅燒后水洗渣土的氧化硅氧化鋁總量仍然達(dá)到92.62%，而燒失量只有0.46%，與2 號(hào)煅燒渣土相比，硅、鋁總量增加，燒失量降低。水洗除砂后煅燒渣土中氧化硅的含量仍然很高的原因可能是渣土中含有很多細(xì)度很大粒徑很小的綿砂，能過過水洗篩。4 號(hào)改性渣土的燒失量。

根據(jù)GB/T2847-2005《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》用于水泥中的混合材燒失量應(yīng)≤10%，從表中可知改性后渣土的燒失量不超過3%，完全符合國標(biāo)的規(guī)定；國標(biāo)中規(guī)定三氧化硫含量≤3.5%，渣土煅燒前后或改性前后SO3的含量最高只有0.125%，三氧化硫的含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到國標(biāo)要求，說明改性余泥渣土作為礦物摻和料不會(huì)對(duì)水泥體系安定性產(chǎn)生影響。

3.2 膠砂活性

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18736《高強(qiáng)高性能礦物外加劑》成型膠砂試塊，改性渣土的摻量為30%，添加減水劑調(diào)教膠砂流動(dòng)度達(dá)到與基準(zhǔn)水泥相同。其配合比如表2 所示。

表2 不同激發(fā)渣土膠砂配合比

從配合比中可以看到，煅燒余泥渣土和改性余泥渣土減水劑的用量達(dá)到1‰，較原生渣土高很多，說明渣土除砂后的粘土比表面積很大，故減水劑用量增加。

從表3 中可以看到，摻加2-煅燒渣土（未除砂）的膠砂試塊7d 強(qiáng)度只有27.6MPa，活性指數(shù)只有69%，而養(yǎng)護(hù)至28d 后的強(qiáng)度為40.1MPa，活性指數(shù)只有63.5%，相比7d 強(qiáng)度雖然增加但活性指數(shù)降低，原因是7d 至28d 期間內(nèi)2 號(hào)渣土水泥膠砂試塊強(qiáng)度增長速率比空白水泥強(qiáng)度增長速率低，故活性指數(shù)降低。3-水洗煅燒渣土的7d 強(qiáng)度31.6MPa，活性指數(shù)達(dá)到79%，28d 強(qiáng)度為41.6MPa，活性指數(shù)為80%，相比2 號(hào)煅燒渣土強(qiáng)度和活性有很大的提高，說明渣土中砂含量影響渣土的活性；比較7d 和28d 活性指數(shù)基本相同，說明3-煅燒渣土強(qiáng)度增長速率與空白樣水泥強(qiáng)度增長速率相同。4 號(hào)渣土為3 號(hào)水洗渣土改性后的渣土，7d 膠砂強(qiáng)度為36.1MPa，活性指數(shù)達(dá)到90.2%，28d 抗壓強(qiáng)度為46.7MPa，活性指數(shù)為90%。比較3、4 號(hào)煅燒渣土膠砂強(qiáng)度和活性指數(shù)，改性后渣土強(qiáng)度和活性指數(shù)明顯增加，說明改性可以提高余泥渣土活性。

表3 改性渣土的力學(xué)性能及其活性指數(shù)

3.3 不同改性劑用量的改性渣土力學(xué)性能

表4 為不同摻量石粉改性的煅燒渣土以30%摻量成型的膠砂試塊7d 強(qiáng)度，其中A-石粉摻量為10%，B-石粉摻量5%。C-在A 的基礎(chǔ)上摻加0.1%木質(zhì)素磺酸鈉改善其粘度。

表4 不同改性渣土7d 強(qiáng)度(單位：MPa)

從表4 中可以看到，添加不同摻量的石粉改性效果不同，煅燒溫度相同，用5%石粉改性煅燒渣土后，其7d強(qiáng)度達(dá)到34.7MPa，活性指數(shù)為89%；以10%石粉改性后的渣土7d 強(qiáng)度達(dá)到37.7MPa，活性指數(shù)達(dá)到97%，說明摻加石粉能有效提高渣土活性，摻量為10%時(shí)的改善效果最好。因?yàn)楦男杂嗄嘣恋闹饕镔|(zhì)為粘土，粘土的細(xì)度大、表面積大導(dǎo)致成型的膠砂、混凝土試塊粘度很大，在改性渣土A 的基礎(chǔ)上摻加0.1%的木質(zhì)素磺酸鈉改善其粘度，結(jié)果顯示，加入木質(zhì)素后的強(qiáng)度降低，只有30MPa，活性指數(shù)只有77%，因?yàn)槟举|(zhì)素磺酸鈉中含有引氣劑成分，雖然可以改善膠砂粘度，但是引氣劑摻入導(dǎo)致孔隙率增加強(qiáng)度降低。

3.4 微觀結(jié)構(gòu)

從改性余泥渣土凈漿XRD 圖譜（圖1）中可以看到，改性渣土凈漿最高峰和次高峰為SiO2，去掉石英峰后，改性渣土水泥水化產(chǎn)物中有鈣釩石、氫氧化鈣生成。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，氫氧化鈣的含量增加，鈣釩石的含量增加。圖2 為水泥凈漿、改性余泥渣土水泥凈漿28d水泥產(chǎn)物比較。從圖中可以看到水泥凈漿XRD 圖譜中主要的是Ca(OH)2，而渣土水泥凈漿中有Ca(OH)2、鈣釩石。比較氫氧化鈣的峰看到摻加渣土后其氫氧化鈣的峰強(qiáng)降低，說明相比水泥，摻加渣土后水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣降低，原因一是改性渣土中活性氧化硅和氧化鋁，與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)，二是水泥的量減少，因此水化產(chǎn)物生成量減少。相比水泥水化產(chǎn)物，改性渣土水泥水化產(chǎn)物中增加了鈣釩石的量，這是因?yàn)樵林泻袩o定形的氧化鋁，無定形氧化鋁與氫氧化鈣反應(yīng)生成水化鋁酸鈣，水化鋁酸鈣與硫酸根離子反應(yīng)生成鈣釩石。

圖1 不同齡期渣土凈漿XRD 分析

圖2 水泥凈漿與渣土凈漿XRD 比較

4 結(jié)語

⑴余泥渣土與石粉改性劑在750℃下煅燒后再經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性，主要成分氧化硅和氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)狀態(tài)，具備火山灰活性，且其燒失量、放射性等均達(dá)到國標(biāo)要求，特別是強(qiáng)度指數(shù)在28d 時(shí)已達(dá)到90%，后期與基準(zhǔn)水泥持平甚至更高。

⑵余泥渣土改性試驗(yàn)研究改性劑用量為10%時(shí)，7d活性指數(shù)已達(dá)97%，故此時(shí)改性效果最佳，改性后的余泥渣土可用作礦物摻合料，后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)其完全滿足水泥混凝土耐久性要求。

⑶通過XRD 分析發(fā)現(xiàn)硅酸鹽水泥中加入改性渣土后水化產(chǎn)物中有鈣礬石生成，鈣礬石的存在可以增加結(jié)構(gòu)的致密性?！?/p>