深圳地區(qū)風化花崗巖渣土在建筑材料中的應用實驗研究

李華軍 曾利群 鄢雨南 陳信峰

(1 湖南工學院；2 深圳市百源泰實業(yè)有限公司；3 深圳市萬城混凝土有限公司龍華分公司)

0 前言

深圳地區(qū)在各種開發(fā)城市建設和開發(fā)過程中會產生工程渣土，而渣土處置方式以堆填為主，每年數(shù)億噸的渣土被運往渣土場進行堆填，占用了大量土地；同時，許多渣土場未經專業(yè)設計且運營過程不規(guī)范，導致渣土邊坡存在失穩(wěn)風險，易引發(fā)安全事故(如2015 年12 月20 日深圳光明新區(qū)紅坳渣土場發(fā)生滑坡事故[1])。然而，深圳地區(qū)是一個建筑材料比較缺乏地區(qū)，每年城市建設所需近億噸水泥、粗細集料要從100km 外的地區(qū)運入，從而產生大量運輸成本，進而提高了建筑成本。

深圳地區(qū)的表層土是一種風化程度較高的風化花崗巖土，除了粗細不均游離石英顆粒外，還含有高嶺土、鉀長石和云母以及少量的鐵錳等礦物[2]。如果將深圳地區(qū)工程渣土進行加工處理，使之成為諸如機制砂和混凝土增強劑(或稱為水泥增強劑)等建筑材料，變廢為寶。這樣，不僅可以解決部分工程渣土的處置問題，而且可為深圳地區(qū)提供部分建筑工程用砂和混凝土礦物摻合料，在經濟上做到一舉兩得；而且能減少因工程渣土運輸產生揚塵等環(huán)境問題。對深圳地區(qū)經濟、社會發(fā)展以及環(huán)境保護具有積極意義。因此，本文選擇深圳地區(qū)含中砂的工程渣土進行機制砂和洗砂泥煅燒處理，使之變?yōu)榻ㄖ牧系目尚行赃M行實驗研究，即對含中砂的工程渣土先進行水化整形制砂工藝可行性進行實驗探討，然后對水化泥干燥和煅燒處理，并通過水泥膠砂強度實驗檢測其火山灰活性。探究其能否作為水泥基材料的礦物摻合料。

1 原材料和實驗方法

1.1 原材料

⑴工程渣土：深圳地區(qū)風化花崗巖工程渣土因所處地區(qū)和風化程度不同，分為含細顆粒石英砂(或無石英砂)土、含中等顆粒石英砂土和含粗顆粒石英砂土三種，詳見圖1。本研究選擇含中等粒度的石英砂渣土進行初步實驗研究。

圖1 深圳風化花崗巖土原礦圖

⑵水泥：采用廣東英德海螺水泥有限責任公司的P.O42.5R 散裝水泥。生產廠家提供的水泥的基本性能如表1 所示。

表1 廣東英德海螺水泥的基本性能

⑶標準砂：使用廈門艾斯歐標準砂有限公司產品。

1.2 實驗工藝流程

深圳地區(qū)風化花崗巖渣土作為建筑材料的實驗包括機制砂和洗砂泥煅燒處理兩個階段，其實驗工藝流程如圖2 和圖3。

圖2 渣土制備機制砂實驗工藝流程

圖3 煅燒洗砂泥的火山灰活性檢測工藝流程

1.3 實驗方法

⑴機制砂細度模數(shù)檢測：按照《建設用砂》(GBT14684－2011)的相關規(guī)定進行。

⑵洗砂泥煅燒前后成分分析：洗砂泥粉和600℃煅燒的洗砂泥的化學成分采用日本津島公司生產的XRF-1800 波長色散X 射線熒光光譜儀進行測試，短窗Rh 靶X 射線管，SC/FPC 檢測器，30mm 光闌，掃描范圍為Na～U；而其礦物成分采用日本RIGAKU 公司生產的D/NIX-BIA 型X 射線衍射儀進行測試，儀器采用銅靶，石墨單色器，管壓30mA，其掃描角度(2θ)在5～80°，掃描速度10°/min，步長0.02°，穩(wěn)定度優(yōu)于1wt%。

⑶洗砂泥干燥粉和煅燒粉的無定型物含量檢測：準確稱取0.1g(稱準至0.0001g)巖樣，置于50ml 聚四氟乙烯瓶中，加入20ml 1.5mol/L 的氫氧化鈉溶液，加蓋密封，于沸水浴中加熱1h～1.5h，冷卻后轉移至100ml玻璃離心試管中進行離心分離，倒出溶液，再加20～30ml 蒸餾水玻璃離心管中，充分混合均勻后再進行離心分離，倒出溶液，重復進行3～4 次，最后將帶渣玻璃離心管置于干燥箱中在105℃下干燥至恒重，分別稱量干燥恒重空玻璃離心管(W1)和干燥恒重帶渣玻璃離心管的質量(W2)。根據(jù)下式可粗略計算出洗砂泥中無定型物相對含量(P%)。

⑷煅燒泥粉的水泥膠砂強度實驗：分別用600℃、650℃煅燒的洗砂泥以5%、10%、15%和20%替換水泥，按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》(GB/T17671－1999)的規(guī)定進行水泥膠砂試塊制作；采用《水泥膠砂流動度測定方法》CGB/T2419－2005)的規(guī)定進行水泥膠砂流動度測定，抗折、抗壓強度檢測；試塊編號為ZH20-11～14 和ZH20-21～24。

2 實驗結果與討論

2.1 整形工藝對機制砂的影響

風化高嶺土型渣土通過0.075mm 篩水洗可得到約為41.5%烘干砂，其中粒徑大于4.75mm 約占17.33wt%，且含有少量土狀顆粒。因此，水洗得到的原砂必須進行整形，使砂的顆粒級配和細度模數(shù)等指標達到國家標準要求，故分別選擇顎式破碎機整形工藝和盤磨整形工藝進行原砂整形試驗(間隙為5.0mm)。原砂和不同整形工藝得到的整形砂的技術指標檢測結果如表2。

由表2 可知，水洗砂的壓碎值雖然基本符合《建設用砂》[3]國家標準要求，但其顆粒級配與國家標準要求有著天壤之別，因此，為了滿足建材生產要求，必須進行整形處理。從采用顎式破碎整形工藝和盤磨整形工藝(大規(guī)模生產采用輥壓整形) 得到的機制砂性能檢測結果(如表2)得知，雖然兩種整形工藝得到的機制砂的顆粒級配基本符合機制砂國標Ⅱ區(qū)要求，細度模數(shù)也在中砂范圍內，但是，顎式破碎工藝整形砂的壓碎值比盤磨工藝整形砂的大16.7%，表明顎式破碎工藝整形砂機械強度比盤磨工藝整形砂的機械強度差很多。這是因為顎式破碎工藝基于機械力沖擊和擠壓而使大顆粒物料碎裂，而盤磨工藝主要依靠機械力的擠壓和摩擦而使大顆粒物料碎裂；顯然機械沖擊使物料顆粒產生的微裂紋比其他破碎方式要多，而且裂紋深度要深。從而使顆粒機械強度大幅度降低。

表2 原砂和不同整形工藝得到的整形砂的技術指標檢測結果

2.2 煅燒溫度對洗砂泥的組成的影響

偏高嶺土(MK)是以高嶺土(分子式為Al2O3·2SiO2·2H2O，簡寫為AS2H2)為原料，在適當溫度下(700～800℃)經脫水形成的無水硅酸鋁(Al2O3·2SiO2，AS2)。高嶺土的結構特點：層與層之間是由范德華鍵結合在一起的層狀硅酸鹽，在高溫加熱時，其結構會發(fā)生很多次的調整，當溫度達到約550℃時，高嶺土的層狀結構開始被破壞，發(fā)生脫水，從而產生了過渡相結晶程度非常差的偏高嶺土[4]；達到700℃時，高嶺土脫水過程基本結束。

深圳風化花崗巖渣土經過機械制砂后，還剩下干基重量約為60%洗砂泥。其主要礦物由高嶺土、長石、云母以及少量細小石英顆粒與有機物組成。MK 作為一種增強水泥基材料的力學性能和耐久性能高火山灰活性摻合料已在建材和建筑行業(yè)得到了初步應用。將洗砂泥中高嶺土通過熱處理，使之成為增強水泥基材料的力學性能和耐久性的礦物摻合料，不失為使洗砂泥變廢為寶的很好的途徑。

于是，將洗砂泥干燥制粉后，分別在600℃、650℃溫度下煅燒2.5h，然后快速冷卻，并進行成分分析，采用水泥膠砂強度實驗初步探討了煅燒洗砂泥的火山灰活性。105℃烘干洗砂泥粉和600℃煅燒洗砂泥粉半定量化學成分分析檢測結果(即XRF)分別如表3 和表4；其礦物成分定量分析檢測結果(即XRD 圖譜)分別如圖4 和圖5；105℃烘干洗砂泥粉和600℃、650℃煅燒洗砂泥粉無定型物質含量分析結果如表5。

表5 不同狀態(tài)下洗砂泥粉無定型物質分析結果 (單位：wt%)

由表3、表4 可知，105℃烘干洗砂泥粉在650℃溫度下煅燒后，諸如SiO2、Al2O3、K2O 等氧化物含量有所增加，而燒失量降低了4 個百分點，這說明洗砂泥中有機物發(fā)生了揮發(fā)，及其部分礦物的結晶水的脫除，即洗砂泥中高嶺土發(fā)生了脫水轉變成為偏高嶺土。由圖4、圖5得知，在650℃溫度下煅燒高嶺土礦物相對含量為24.54%的洗砂泥，急冷后的煅燒粉體中高嶺土礦物相對含量僅為1.67%，由此也證實了洗砂泥中大部分高嶺土發(fā)生了脫水轉變成為偏高嶺土。在105℃烘干洗砂泥粉和600℃、650℃煅燒洗砂泥粉無定型物質含量分析結果顯示，雖然烘干洗砂泥中可溶性SiO2、Al2O3及其他無定型物質的相對含量只有4.56%，然而，經600℃、650℃煅燒洗砂泥粉無定型物質的相對含量增加了4 倍，然而，和洗砂泥中高嶺土礦物相對含量的變化不相對應。李陽[4]研究發(fā)現(xiàn)，高嶺石當加熱到550℃左右開始發(fā)生脫羥反應，其結構內的羥基開始以水的形式溢出，同時吸收大量的熱量，到700℃時，高嶺石結構內的羥基大部分逸出轉變?yōu)榉蔷B(tài)的偏高嶺石；到970℃時，偏高嶺石進一步相變開始形成硅鋁尖晶石。因此，洗砂泥中大部分高嶺土雖然在650℃煅燒時發(fā)生了脫水，但是，由于環(huán)境能量不足以使其結構鏈斷裂，使之全部轉變?yōu)樽杂苫鵖iO2和Al2O3，所以，洗砂泥中高嶺土在650℃時只有部分轉變?yōu)榭扇苄許iO2、Al2O3。

表3 干燥洗砂泥的化學成分(105℃烘干粉) (單位：wt%)

表4 煅燒洗砂泥的化學成分(650℃煅燒粉)(單位：wt%)

圖4 105℃干燥深圳風化花崗巖洗砂泥XRD 圖譜

圖5 650℃煅燒深圳風化花崗巖洗砂泥XRD 圖譜

另外，由圖4、圖5 可以看出，云母礦物由烘干洗砂泥中的33.88%相對含量降低至600℃煅燒粉體中的30.88%相對含量，說明洗砂泥中部分云母礦物經650℃煅燒后，也發(fā)生了脫水轉變?yōu)闊o定型物質。根據(jù)相關資料[5]得知，黑云母化學式約為K(Mg，F(xiàn)e)3AlSi3O10(F，OH)2，加熱至900℃時脫水。1100℃時分解為磁鐵礦或鎂鐵礦與石榴石；而白云母的化學成分為KAl2(AlSi3O10)(OH)2。350～450℃開始發(fā)生脫水，在700℃左右脫水完畢。由表3、表4 得知，洗砂泥中MgO 含量僅為0.30wt%，故洗砂泥中的云母主要為白云母，故由部分白云母已經發(fā)生脫水分解無定型物質。因此，洗砂泥經煅燒后產生的無定型物質是高嶺土和云母在高溫下發(fā)生脫水分解的結果。

2.3 煅燒制度對熱處理洗砂泥的火山灰活性的影響

分別600℃、650℃煅燒的洗砂泥以5%、10%、15%和20%替換水泥，按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》(GB/T17671－1999)的規(guī)定進行洗砂泥的火山灰活性試驗。其水泥膠砂流動度，3d、7d 和28d 的抗折、抗壓強度試驗結果與純水泥膠砂相應性質試驗結果的比值如表6 所示。

由表6 可知，隨著煅燒洗砂泥粉的替換量的增加，水泥膠砂流動度隨之降低，并且煅燒溫度提高，水泥膠砂流動度降低更多，說明要達到純水泥膠砂相同的流動度，需要在標準用水量225g 基礎上添加一定量的水。由于洗砂泥中高嶺土經煅燒后脫羥轉變?yōu)榫哂卸嗫捉Y構的偏高嶺土，其活性比較高，對水分子具有較強的吸附作用，從而參與形成水泥膠砂漿體的水減少而使其流動度降低[6-7]。

另外，由表6 可知，采用煅燒洗砂泥替換部分水泥后，3d 和7d 的抗壓強度都低于純水泥膠砂試塊的強度，而且隨著煅燒洗砂泥粉的替換量的增加，3d 和7d的抗壓強度也隨之降低；而其抗折強度降低幅度明顯比抗壓強度的小。但是，28d 的抗折、抗壓強度都比純水泥膠砂試塊的高，而且在10wt%與20wt%存在一個最佳替換量，使其膠砂試塊的抗折、抗壓強度達到最大值；3d到7d 和7d 到28d 抗壓強度增長幅度都明顯高于純水泥膠砂的抗壓強度增長幅度。這說明煅燒洗砂泥因其中高嶺土轉變?yōu)槠邘X土而具有較好的火山灰活性。TIRONI,A 等[8]研究表明偏高嶺土(MK)在水泥水化前期主要稀釋了水化體系中活性水泥組分含量，妨礙了水泥前期水化，其MK 替換量越大對前期水化影響越明顯；而水化中后期，MK 能與水泥水化產物氫氧化鈣(CH)發(fā)生火山灰反應，生成更多的C-S-H 凝膠和水化鋁硅酸鹽C-S-Al-H 相。同時，MK 還可以作為氫氧化鈣的成核中心而加速水泥的水化進程。以上兩種效應綜合作用使其水化中后期彌補了前期因稀釋作用而帶來的負面影響，從而強化水泥中后期水化而使之后期水化產物的力學性能顯著增強。曹永丹等[9]采用X 射線衍射、熱重和掃描電鏡等研究方法研究鍛燒煤研石摻量對水泥膠砂力學性能和水化產物微觀結構的影響時也持有以上相同觀點。

表6 深圳風化高嶺土洗砂泥熱處理干粉水泥膠砂強度試驗結果

但是，筆者認為在用水量不變情況下，摻有偏高嶺土水泥膠砂試塊早期強度較低原因是雙稀釋效應造成的。一是偏高嶺土替換使水泥漿體參加水化反應活性水泥組分的減少，二是由于具有多孔結構的高活性偏高嶺土在早期吸附大量水分子，使之參與水泥漿體水化反應的水相應急劇減少。CYR,M 等[10]研究表明，在相同流動度下，摻有偏高嶺土的水泥膠砂的3d 和7d 的抗折、抗壓強度均高于純水泥膠砂的強度，其機理是粒度較細偏高嶺土可在養(yǎng)護早期為水泥熟料提供水化的活性位點，加速水泥的早期水化進程(稱之為物理效應)。許溥超[4]在偏高嶺土對水泥水化過程影響的機理研究時也出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

3 結論

通過對深圳風化花崗巖渣土進行機制砂制備和其煅燒洗砂泥火山灰活性的實驗探討，初步得出如下結論：

⑴含中顆粒砂的工程渣土經水洗、機械整形等工序可獲得約40%，顆粒級配和細度符合《建設用砂》國家標準要求的中級機制砂，盤磨加工的比顎式破碎加工的質量好；

⑵洗砂泥經過600℃高溫煅燒后，其中大部分高嶺土和少量的云母發(fā)生脫水轉變?yōu)槠邘X土和無定型的SiO2和Al2O3等；

⑶600℃和650℃高溫煅燒深圳工程渣土洗砂泥都具有較好的火山灰活性，且其火山灰活性隨著煅燒溫度提高而增大，最佳替換量在10wt%與20wt%之間；在固定水灰比條件下，水泥膠砂試塊的早期強度較低，而中后期的強度發(fā)展較快，28d 的抗壓強度一般高于純水泥膠砂試塊的8%以上。

⑷深圳風化花崗巖渣土經過加工處理，基本上可全部用于建筑材料的生產，不產生“三廢”。不僅可解決深圳工程渣土的處置問題，而且可產生非?？捎^經濟效益，對環(huán)境保護具有積極意義。

本實驗研究初步探討了深圳風化花崗巖工程渣土用于建筑材料生產的可行性，但由于工程渣土洗砂泥由石英、鉀長石、高嶺土、云母組成，雖然鉀長石的分解溫度在1100℃以上，但云母在700℃完全脫水轉變?yōu)闊o定型物質。雖然600℃、650℃煅燒的洗砂泥的火山灰活性較好，但其中高嶺土沒有發(fā)生完全脫水轉變?yōu)槠邘X土，云母只有少量發(fā)生脫水轉變?yōu)闊o定型物質。因此，還需對650～800℃溫度下煅燒洗砂泥的火山灰活性效應進行研究，探究其最佳煅燒溫度。另外，洗砂泥中含有約6.5%的K2O+Na2O，存在于洗砂泥的鉀長石和白云母晶體中，如果在700～800℃溫度下煅燒，白云母完全發(fā)生脫水轉變?yōu)榭扇苄訩2O(含量約為3wt%)，按照國家標準，堿含量按Na2O+0.658K2O 計算，那么，煅燒洗砂泥中堿含量約為4.5wt%，可溶性堿含量約為2.5wt%。如果煅燒洗砂泥替換量為15wt%，可為水泥混凝土增添約為0.4wt%可溶性堿含量，雖然與水泥混凝土堿含量國家標準要求低一段距離(國標要求≤1wt%)，但對水泥混凝土的強度和耐久性影響程度不得而知，需要進一步進行試驗探究。