煅燒渣土-白云石對水泥砂漿強度和膨脹性能的影響

陳 登，宋旭艷，何智海

（1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.長江科學院 水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，武漢 430010；3.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000）

1 研究背景

白云石作為石灰石的一種伴生礦物，化學式主要為CaMg（CO3）2，其在自然界中廣泛存在，可直接作為骨料或輔助性膠凝材料應用在水泥混凝土中［1-3］。但白云石在水泥混凝土的堿性環(huán)境中容易發(fā)生去白云化反應，生成CaCO3和Mg（OH）2，從而會產(chǎn)生較大的膨脹應力，進而導致水泥混凝土結構的開裂［4-5］，因此，白云石在水泥混凝土中的利用率較低。而白云石在高溫煅燒下可以生成MgO和CaO［6］，其中MgO具有水化需水量少、水化產(chǎn)物穩(wěn)定、膨脹過程可調控的優(yōu)勢，可作為膨脹劑摻入水泥混凝土起到補償收縮的作用［7-8］。但CaO的水化速度比MgO的要快，需水量大，且膨脹難以控制，特別是很難補償混凝土的后期收縮，進而限制了煅燒白云石在水泥混凝土中的應用。

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的加快，每年產(chǎn)生的大量建筑垃圾已對環(huán)境造成了非常嚴重的影響，急需對其進行回收處理。在所有的建筑垃圾中，混凝土、磚塊和渣土占據(jù)了很大的比例［9-12］，其化學成分主要為SiO2和Al2O3，而將建筑垃圾回收再應用到水泥混凝土中，具有明顯的環(huán)境和經(jīng)濟效益。

本文通過將白云石和建筑垃圾中的渣土一起混合煅燒，將白云石分解產(chǎn)生的CaO與渣土中的SiO2反應形成水硬性礦物β-C2S，得到以MgO和β-C2S為主要礦物的輔助性膠凝材料，研究其對水泥砂漿強度和膨脹的影響，以期提高白云石在水泥混凝土中的應用，同時減輕建筑垃圾對環(huán)境的污染。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

水泥為江南小野田水泥廠生產(chǎn)的P·II52.5硅酸鹽水泥，密度為3.13 g/cm3，勃氏比表面積為352 m2/kg。白云石粉來自于河北昱遠礦業(yè)有限公司，密度為2.84 g/cm3，比表面積為310 m2/kg。渣土來自于蘇州市高新區(qū)某渣土填埋廠，并經(jīng)過烘干和粉磨等處理制成渣土粉，其比表面積為335 m2/kg。表1為水泥、白云石和渣土的化學組成，渣土中的化學成分主要為SiO2和Al2O3，質量百分比分別為62.43%和13.56%，其他組分含量較低。采用Smart Lab-3kw型X射線衍射儀對白云石和渣土的礦物成分進行分析，其XRD（X射線衍射，X-Ray Diffraction）圖譜如圖1所示。由圖1可見，白云石粉的礦物成分主要為白云石和方解石，渣土的礦物成分主要為石英、鈉長石和云母。

圖1 白云石粉和渣土粉的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of dolomite powder and muck powder

2.2 試驗方法

2.2.1 煅燒渣土-白云石的制備

為了盡可能多生成β-C2S，按生料中Ca/Si＝2∶1計算渣土粉和白云石粉的配比比例，計算得到渣土粉和白云石粉的比例為1∶4.26。將渣土粉和白云石粉按計算所得的比例進行混合，同時外摻1%CaF2，在混料機上充分混合均勻后，加入適量的水，倒入凈漿攪拌機中快速攪拌均勻，105℃烘干樣品，將烘干后的樣品分別置于950、1 000、1 050℃的高溫爐中煅燒2 h，鼓風急冷，待冷卻后進行粉磨，粉體用孔徑0.08 mm方孔篩篩分，控制篩余量＜10%。

采用XRD對煅燒渣土-白云石的樣品進行礦物成分分析。參照《水泥化學分析方法》（GB/T 176—2017）中“甘油乙醇法”測定樣品中的f-CaO含量。采用X射線內(nèi)標法定量分析樣品中MgO含量，內(nèi)標物為10%ZnO，衍射角為35°～45°，掃描速度為1°/min。

2.2.2 砂漿強度與膨脹的測定

表1 原材料的化學組成Table 1 Chemical compositions of raw materials

將煅燒渣土-白云石以0%～30%的質量百分比取代水泥，按照標準GB/T 17671—1999方法成型水泥砂漿，標準養(yǎng)護 1d后脫模，然后置于 20℃水中養(yǎng)護，測試砂漿強度。砂漿膨脹測試采用裝有釘頭的25mm×25mm×280mm（長×寬×高）的試件模具，標準養(yǎng)護 1d后拆模，測試其初始長度，然后繼續(xù)浸泡在水中養(yǎng)護，測試其在水中養(yǎng)護不同齡期的膨脹率。

2.2.3 水化產(chǎn)物分析

將煅燒渣土-白云石樣品以 30%的質量百分比取代水泥，以 0.3的水灰比成型，置于 20℃的水中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護到規(guī)定齡期，破碎取內(nèi)部核心部位，采用 60℃真空干燥 24h后，研磨成粉，采用 XRD定性分析其水化產(chǎn)物組成。采用 JSM-5900型掃描電子顯 微 鏡 （ScanningElectronMicroscope，SEM）對樣品的微觀結構進行觀察。

3 結果與討論

3.1 煅燒渣土-白云石的礦物組成

圖2為不同煅燒溫度下渣土-白云石的 XRD圖譜。由圖2可見，煅燒渣土 -白云石的礦物組成主要為石英、方鎂石、f-CaO、β-C2S和七鋁酸十二鈣（C12A7）。這主要是白云石粉在高溫下的最終產(chǎn)物主要為方鎂石和f-CaO，而f-CaO會與渣土中的SiO2和 Al2O3在高溫下發(fā)生固相反應生成一定量的β-C2S和 C12A7。同時，隨著溫度的提高，可以明顯看到石英和f-CaO的衍射峰減弱，而β-C2S和C12A7的衍射峰明顯增強。

圖2 不同煅燒溫度下制備的煅燒渣土-白云石的 XRD圖譜Fig. 2 XRD patterns of mixtures of muck anddolomite calcined at different temperatures

表2為不同煅燒溫度下制備的煅燒渣土-白云石中的 f-CaO和 MgO質量百分比，在 950、1000、1050℃煅燒溫度下的白云石與渣土的混合料中MgO 的質量百分比分別為 25.22%、26.45%、27.71%，f-CaO 的質量百分比分別為14.52%、9.78%、5.46%。由此可見，煅燒溫度對混合料中的MgO含量影響較小，對其增加幅度有限，而升高煅燒溫度能夠明顯降低 f-CaO的含量，這主要是提高煅燒溫度促進了 f-CaO與渣土中的 SiO2和 Al2O3的反應，從而顯著減少了 f-CaO含量?？紤]到煅燒渣土-白云石應盡可能多生成水硬性礦物 β-C2S，故選取 1050℃煅燒的白云石與渣土混合料作為研究對象，對摻該混合料的砂漿強度和膨脹進行研究。

表2 不同煅燒溫度下渣土-白云石的 f-CaO和MgO質量百分比Table 2 Content of f-CaO and MgO in mixtures of muckand dolomite calcined at different temperatures

3.2 煅燒渣土-白云石對砂漿強度和膨脹的影響

圖3 為摻 0～30%的 1050℃煅燒的渣土和白云石混合料的水泥砂漿抗折和抗壓強度。由圖 3可見，3，7，28d水泥砂漿的抗折和抗壓強度均隨著煅燒渣土-白云石含量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，其中摻 5%，10%，20%，30%的煅燒渣土 -白云石的水泥砂漿 28d抗壓強度比純水泥砂漿分別降低了3.85%，5.32%，13.39%，20.92%。養(yǎng)護到 90d時，摻 5%，20%，30%的煅燒渣土-白云石的水泥砂漿抗壓強度比純水泥砂漿分別降低了 2.75%，8.59%，13.92%，而摻 10%煅燒渣土-白云石水泥砂漿的抗折和抗壓強度則比純水泥砂漿的要高，其 90d抗壓強度比純水泥砂漿還要高 3.61%。由此可見，隨著養(yǎng)護齡期的增加，煅燒渣土 -白云石水泥砂漿的強度降幅在減小，煅燒渣土 -白云石能夠有效地促進復合水泥砂漿后期的抗折和抗壓強度發(fā)展。

圖3 煅燒渣土-白云石對水泥砂漿強度的影響Fig. 3 Effects of calcined mixtures of muck anddolomite on the strengths of cement mortars

圖4為摻 0～30%的 1050℃煅燒渣土-白云石的水泥砂漿試件水中養(yǎng)護 180d的膨脹變形曲線。由圖 4可見，純水泥砂漿試件在水中有輕微的膨脹，其最終膨脹率為 0.0038%。而摻煅燒渣土-白云石的水泥砂漿試件在 180d養(yǎng)護周期內(nèi)均具有明顯的膨脹，特別是在養(yǎng)護后期，其膨脹率增加更快。同時，水泥砂漿試件的膨脹率隨著煅燒渣土-白云石摻量的增加而增加，摻 10%、20%、30%煅燒渣土-白云石的水泥砂漿試件 180d膨脹率值分別為 0.045%、0.050%、0.065%。由此可見，煅燒渣土-白云石能夠明顯地提高水泥砂漿試件的膨脹率。

圖4 煅燒渣土-白云石對水泥砂漿試件膨脹的影響Fig. 4 Effects of calcined mixtures of muck anddolomite on the expansion of cement mortars

3.3 水化產(chǎn)物分析

圖5為摻 30%的 1050℃煅燒渣土-白云石的水泥漿體的 XRD圖譜。由圖 5可見，3、28、90d的水泥漿體 XRD圖譜中均有明顯的 MgO和 Mg（OH）2的衍射峰，且隨著齡期的延長，MgO逐漸水化生成Mg（OH）2，MgO的衍射峰減弱，Mg（OH）2的衍射峰增強。圖 6為摻煅燒渣土-白云石的水泥漿體養(yǎng)護180d的微觀結構。從圖 6中可以看出，MgO的水化產(chǎn)物Mg（OH）2是致密的層狀結構，Mg（OH）2晶粒為細小薄片狀，而 MgO水化生成 Mg（OH）2會導致固相體積增加，大量的 Mg（OH）2生成有效促進了水泥砂漿的膨脹。

圖5 不同齡期的摻煅燒渣土-白云石水泥漿體的XRD圖譜Fig. 5 XRD patterns of cement pastes with calcinedmixtures of muck and dolomite at different ages

圖6 摻煅燒渣土-白云石水泥漿體的微觀結構和 EDS能譜Fig. 6 Microstructure and EDS spectrum of cementpastes with calcined mixtures of muck and dolomite

3.4 討 論

煅燒渣土-白云石混合物中的白云石首先在高溫下分解產(chǎn)生 MgO和 f-CaO，然后 f-CaO和渣土中的 SiO2和 Al2O3發(fā)生固相反應生成β-C2S和C12A7，其反應原理如下：

隨著煅燒溫度的提高，f-CaO和 SiO2的含量降低，而 β-C2S和 C12A7的含量明顯增加。β-C2S具有較好的后期水化活性［13］，而且 C12A7能夠顯著地促進β-C2S的后期水化［14］，β-C2S水化可生成 C-S-H凝膠，從而降低水泥砂漿的孔隙率。因此，煅燒渣土-白云石能夠有效地促進復合水泥砂漿后期強度的發(fā)展。

煅燒渣土-白云石中的 MgO可水化生成Mg（OH）2，固相體積增加，從而促進水泥砂漿的膨脹。但由于煅燒渣土-白云石中的 MgO是在較高的煅燒溫度下形成的，相比低溫輕燒的 MgO，前者活性較低，水化速度緩慢，會產(chǎn)生延遲膨脹［15］。因此，摻煅燒渣土-白云石的水泥砂漿后期的膨脹速率較快，且膨脹量較大。

4 結 論

（1）渣土和白云石的混合物在950～1 050℃可生成β-C2S和C12A7，且隨著溫度的提高，β-C2S和C12A7的含量顯著增加。

（2）水泥砂漿早期強度隨著煅燒渣土-白云石含量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，但后期強度下降幅度明顯減少，其中摻10%煅燒渣土-白云石水泥砂漿的90 d強度甚至高于純水泥砂漿，這主要是煅燒渣土-白云石中的β-C2S后期水化生成C-S-H，促進了砂漿后期強度的發(fā)展。

（3）摻煅燒渣土-白云石的水泥砂漿試件在整個養(yǎng)護周期內(nèi)均有明顯的膨脹，且隨著煅燒渣土-白云石摻量的增加而增加，特別是在養(yǎng)護后期，其膨脹率增加更加顯著。這主要是由于煅燒渣土-白云石中的MgO可水化生成Mg（OH）2，固相體積增加，從而促進水泥砂漿試件的膨脹。