機械力球磨對廢棄加氣磚粉末活性的影響研究

肖偉，尹鍵麗，陳建軍

[1.科之杰新材料集團有限公司，福建 廈門 361100；2.常青樹建材（福建）開發(fā)有限公司，福建 漳州 363017]

0 前 言

加氣混凝土砌塊是由水泥、石灰等膠凝材料，水和適量的發(fā)氣劑經(jīng)過混合攪拌、成型發(fā)泡、靜置切割等工序后，再經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護制備而成[1]。加氣混凝土砌塊由于具有質(zhì)量輕、保溫性強等優(yōu)點，被普遍用作墻體材料，對我國墻體材料的發(fā)展起著很大的推動作用。但是，由于加氣混凝土砌塊的抗壓強度比較低，在生產(chǎn)過程中極易破損，生產(chǎn)中的破損率一般達到了5%～8%，而且在運輸過程中也會產(chǎn)生大量的廢品。相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)積壓了大量的廢棄加氣混凝土砌塊，不僅占用大量土地、污染環(huán)境；而且由于環(huán)保壓力，給企業(yè)造成了嚴重的經(jīng)濟負擔，阻礙了相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展[2-4]。

在國外，加氣混凝土砌塊最早是在1940～1950年被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，這些砌塊大多設(shè)計使用壽命為50年，因此，在未來10年，建筑業(yè)可能會產(chǎn)生大量的廢棄加氣混凝土[5-6]。在國外消費型社會中，垃圾處理的重要性越來越高[7-8]。2000年出版的歐盟條例對建筑工業(yè)廢料進行了深入細致的分類處理。根據(jù)上述規(guī)定，在規(guī)定的投資限額以上，建筑業(yè)必須使用可回收的建筑垃圾[9]。2008年，歐盟又頒布了一項法規(guī)，要求成員國制定建筑廢棄物回收再利用。因此，在過去的10年中，歐洲學(xué)術(shù)界對廢棄加氣磚再利用有許多研究[10]。在這些研究中，大部分是將廢棄混凝土砌塊破碎處理再作為粗骨料的應(yīng)用。在國內(nèi)，大量學(xué)者對廢棄混凝土砌塊再利用做了廣泛的研究。周衛(wèi)兵等[11]利用高溫處理后的廢棄加氣混凝土粉末少量替代粉煤灰制備陶粒加氣混凝土，結(jié)果顯示，摻入廢棄加氣混凝土粉末的加氣混凝土砌塊抗壓強度得到明顯的提高。楊秀麗等[12]探究了粉煤灰加氣混凝土高溫處理后，部分取代砂漿中的水泥等膠材對砂漿試塊早期強度的影響。馬保國等[13]利用激發(fā)劑提高了廢棄加氣混凝土的活性，并且探究了其中的作用機制。

本文對烘干后的廢棄加氣混凝土砌塊進行不同程度的球磨處理，然后分別測試其活性，并將活性最高的廢棄加氣磚粉末代替部分水泥摻入蒸壓磚中，探究其對蒸壓磚性能的影響。本研究對于充分利用廢棄加氣混凝土砌塊提供一種新的思路和方法，對于提高加氣混凝土砌塊的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益具有重要意義。

1 試驗

1.1 試驗原料

水泥：P·O42.5 水泥，表觀密度2.23 g/cm3，比表面積350 m2/kg；生石灰：表觀密度2.03 g/cm3，比表面積242 m2/kg，消解時間為8 min，消解溫度為80 ℃，廈門雁南飛工貿(mào)有限公司；廢棄加氣磚粉（廢磚粉）：由廢棄加氣磚經(jīng)球磨制得；廢料漿：主要成分為水和石粉等惰性材料，石粉表觀密度2.95 g/cm3，比表面積421 m2/kg。部分原材料化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的化學(xué)成分 %

1.2 試驗方法

利用型號為SMΦ500×500 mm 球磨機對廢棄加氣磚進行處理，球磨機裝料量5 kg，功率1.5 kW，每隔0.5 h 取1 次樣，分別 編 號 為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8；根 據(jù)GB/T 8074—2008《水泥比表面積測定方法 勃氏法》利用勃氏透氣儀對廢棄加氣磚粉末的比表面積和密度進行測試；根據(jù)GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對廢棄加氣磚粉末的活性進行測試。最后利用活性最高的A8 廢棄加氣磚粉末取代水泥制備蒸壓加氣磚，摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%和30%，試驗配合比見表2。先將廢料漿倒入攪拌鍋內(nèi)攪拌1 min，然后稱取一定量的水泥、石灰、和廢棄加氣磚粉末倒入攪拌鍋，攪拌3 min，再加入一定量的鋁粉，攪拌5 min，然后將充分攪拌好的漿料倒入700 mm×130 mm×130 mm 的模具內(nèi)成型，靜置24 h，拆模后將試塊送入溫度為190 ℃，壓力為1.3 MPa 的蒸壓養(yǎng)護釜中養(yǎng)護9 h，然后取出進行性能測試。

表2 試驗配合比

1.3 測試方法

按照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》測試試樣的抗折、抗壓強度和抗凍性能，利用LS-909 激光粒度儀對廢棄加氣磚粉末進行粒度測試，并利用LabXXRD-6000 XRD 測試儀和S-4800 場發(fā)射掃描電鏡（SEM）分別對試樣進行水化產(chǎn)物和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行觀察。

2 結(jié)果分析和討論

2.1 不同球磨時間對廢棄加氣磚粉物理性能的影響

球磨時間對廢棄加氣磚粉性能的影響見表3，粒徑分布見表4。

表3 球磨時間對廢棄加氣磚粉性能的影響

表4 不同廢棄加氣磚粉末的粒徑分布

由表3 可知，隨著球磨時間的延長，廢棄加氣磚粉的比表面積增大，活性最高的為A8 粉末，28 d 活性指數(shù)達到了70.63%，即廢棄加氣磚粉末球磨4 h 的活性幾乎達到了Ⅱ級粉煤灰活性。這可能是因為球磨時，機械力的作用破壞了廢棄加氣磚粉末的表層結(jié)構(gòu)，將較粗的廢棄加氣磚粉末顆粒磨成細小的碎顆粒（見表4），改善了廢棄加氣磚粉末顆粒內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，減少了混合料在混合過程中的摩擦，同時也改善了集料級配，提高了物理活性（如顆粒效應(yīng)、微集料效應(yīng)）[14-15]；而且，機械細磨破壞了粗大廢棄加氣磚粉末顆粒尤其是多孔的顆粒粘結(jié)體，斷鍵增多，比表面積增大，使反應(yīng)接觸面增加，SiO2、Al2O3在水化反應(yīng)時更易溶出，活化分子增加，使廢棄加氣磚粉末早期化學(xué)活性得到提高。

2.2 A8 粉末摻量對蒸壓加氣磚抗壓強度和干密度的影響（見表5）

表5 A8 粉末摻量對蒸壓加氣磚抗壓強度和干密度的影響

由表5 可知，所有摻A8 粉末的蒸壓磚抗壓強度都比不摻的基準樣P0 低，但摻A8 粉末的蒸壓磚抗壓強度中，隨著A8 粉末摻量的增大，蒸壓磚的抗壓強度逐漸提高，其中強度最高的是P6 達到了1.60 MPa，抗壓強度最低的是P1 只有0.77 MPa。這可能是因為由于機械力球磨促使廢棄加氣磚粉末中水化硅酸鈣的結(jié)構(gòu)，使其形成具有膠凝活性的晶體，活性提高[16]，而且加入適量A8 粉末改善了蒸壓磚的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。綜上可知，粉磨的廢棄加氣磚粉末能夠部分代替水泥摻入蒸壓磚中，而且不會大幅度降低蒸壓磚抗壓強度。摻入A8 粉末可以降低蒸壓磚的干密度，使蒸壓磚更加輕。

2.3 A8 粉末摻量對蒸壓加氣磚抗凍性能的影響

不同A8 粉末摻量的蒸壓加氣磚經(jīng)過5、10、15、20 次凍融循環(huán)后抗壓強度損失率如圖1所示。

由圖1 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，蒸壓加氣磚的抗壓強度損失率逐漸增大，在凍融條件下，當水分滲進蒸壓磚毛細孔時，水開始結(jié)冰，體積增大，產(chǎn)生膨脹力破壞了蒸壓磚內(nèi)部的毛細孔洞，而且隨著時間的推移，凝膠孔內(nèi)的水分與毛細孔內(nèi)的水分之間形成濃度差，致使兩孔中的水產(chǎn)生滲透壓，從而進一步使蒸壓加氣磚被破壞，強度損失率增大[17]。

圖1 A8 粉末摻量對蒸壓加氣磚凍融循環(huán)強度損失率的影響

2.4 摻A8 粉末的蒸壓加氣磚的XRD 分析（見圖2）

圖2 不同A8 粉末摻量的蒸壓加氣磚XRD 圖譜

由圖2 可以看出：

（1）蒸壓磚的主要礦物為水化硅酸鈣，特別是托貝莫來石、方解石和A8 粉末中殘余的石英顆粒，而且蒸壓磚強度的形成主要是由于蒸壓磚內(nèi)部有大量的水化硅酸鈣生成，少量的A8 粉末會對硅酸鈣水合物的合成動力學(xué)和機理產(chǎn)生重大影響，促使Al3+離子和Na+離子加速托貝莫來石的形成和結(jié)晶不良的硅酸鈣水合物的形成，進一步將這一中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為結(jié)晶良好的托貝莫來石晶體，分布在蒸壓磚內(nèi)部[18-19]。

（2）托貝莫來石的衍射反射強度隨著A8 粉末摻量的增加而增加。這可能與料漿中二氧化硅的反應(yīng)性不同有關(guān)。用高活性二氧化硅對硅酸鈣水合物的形成有積極的影響。

2.5 摻A8 粉末蒸壓加氣磚的SEM 分析（見圖3）

圖3 不同A8 粉末摻量蒸壓加氣磚的SEM 照片

由圖3 可知，P0 試樣中有大量水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠和托貝莫來石，二者相互交織在一起，使坯體獲得較高的強度。P6 試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)呈多孔狀，但由于試樣中還有豐富的CaCO3晶體形成以填充孔隙，這可以使試樣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變得更加致密，宏觀上體現(xiàn)為抗壓強度較高。

3 結(jié)論

（1）利用機械力球磨廢棄加氣磚粉末能有效激發(fā)廢磚粉的活性，廢棄加氣磚粉末最佳球磨時間為4 h，28 d 活性指數(shù)為70%。

（2）利用廢棄加氣磚粉代替部分水泥制備蒸壓磚是可行的。在生產(chǎn)中，需要考慮蒸壓磚的抗壓強度，廢棄加氣磚A8粉末取代30%水泥為宜。

（3）A8 粉末摻量的增加可有效促進托貝莫來石和方解石等水化產(chǎn)物生成，這些水化產(chǎn)物相互交插連接，同時與未參與發(fā)生反應(yīng)的SiO2等惰性材料膠結(jié)在一起，形成致密的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。