摻加廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末對水泥力學(xué)性能及水化的影響

梁曉前, 王俊云, 陳 玲, 楊雷銘, 林通敏

(1.廣西科技大學(xué)，廣西柳州 545006；2.駐馬店碧桂園職業(yè)有限公司，河南駐馬店 463000；3.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545000)

生態(tài)水泥屬于一種生態(tài)建材生產(chǎn)，其生產(chǎn)主要是以固體廢棄物做原料，經(jīng)過科學(xué)配料、煅燒并粉磨，最終制作成水泥。冶金廢渣、廢棄混凝土、城市污泥等是目前常見的用來生產(chǎn)生態(tài)水泥的固體廢物[1]。生態(tài)水泥是新的技術(shù)成果，可以降低垃圾造成的影響、控制環(huán)境破壞的程度[2]。

水加入水泥中之后，水泥顆粒將會(huì)經(jīng)過分解、擴(kuò)散、溶解等變化[3]，生成一系列不同性狀的水化產(chǎn)物同時(shí)放出熱量，這個(gè)過程稱為水泥的水化反應(yīng)。在反應(yīng)中，主要參加水化過程的成分有Ca3O5Si、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O34種，在其充分水化之后，生成物中水化硅酸鈣的含量占70%，水化硅酸鈣凝膠構(gòu)成具有很高強(qiáng)度的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對水泥石的強(qiáng)度和其他主要性質(zhì)起著決定性作用。

課題組前期研究發(fā)現(xiàn)在生料配料過程中加入磚粉對于水泥熟料有一定的積極影響，而加入磚粉對其水泥水化過程的影響有待研究，因此利用廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末制備生態(tài)水泥并研究其對水泥水化及物理性能的影響具有重要意義。

1 試驗(yàn)原料

(1)石灰石。主要成分為碳酸鈣(CaCO3)，現(xiàn)代工業(yè)中，石灰石是水泥生產(chǎn)的主要原料[4]。本試驗(yàn)選擇的是柳州魚峰水泥廠的工業(yè)原料。

(2)黏土質(zhì)原料。主要成分為SiO2、Al2O3及少量Fe2O3，在黏土質(zhì)原料中，最廣泛應(yīng)用的是黃土和黏土。本試驗(yàn)采用的是柳州市魚峰水泥廠生產(chǎn)用的黏土質(zhì)原料。

(3)校正原料。為滿足成分要求調(diào)節(jié)SiO2、Al2O3、Fe2O3含量經(jīng)常會(huì)用到一些輔助用的校正原料。工業(yè)冶煉渣便是其中重要的一類，其是指在冶煉過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣。

(4)燒結(jié)頁巖磚粉末。主要成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3，原料是由廢棄的燒結(jié)頁巖磚或磚廠的不合格的磚破碎、研磨而來。

(5)參比水泥。選用廣西柳州魚峰水泥廠的P.0 42.5普通硅酸鹽水泥，符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

(6)水。試驗(yàn)用水為水泥廠用自來水。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方案選擇

目前我國硅酸鹽水泥熟料采用飽和比(KH或LSF)、硅酸率(硅率，SM)、鋁氧率(鋁率，IM)三率值控制熟料質(zhì)量。生料的率值參考水泥廠實(shí)際生產(chǎn)率值,KH=0.91，SM=2.4，IM=1.6，但是由于在實(shí)際生產(chǎn)中若KH過高，工藝條件難以滿足需要，f-CaO 會(huì)明顯上升，熟料質(zhì)量反而下降，KH過低，C3S 過少熟料質(zhì)量也會(huì)差，因此，KH值也需通過試驗(yàn)確定一個(gè)最優(yōu)值。

2.2 試驗(yàn)儀器

現(xiàn)將本文所用部分儀器列出，如圖1所示。

圖1 所用實(shí)驗(yàn)儀器

2.3 試驗(yàn)分組

2組試驗(yàn)采用單一變量法，其他參數(shù)不變，分別改變磚粉的摻量和KH，現(xiàn)將試驗(yàn)分組列表，見表1。

表1 試驗(yàn)分組

2.4 試件制作

水泥膠砂的制作步驟和試驗(yàn)方法參考GB/T17671-2020《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO)法》。首先取適量試驗(yàn)水泥和參比水泥制作水泥膠砂。膠砂用行星攪拌機(jī)攪拌好后倒入40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)模中。試體連模一起在濕氣中養(yǎng)護(hù)24 h,然后脫模在水中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)時(shí)取用[5]。

3 不同KH對水泥的物理性能的影響

水泥的物理性能的好壞是最終反映水泥能否適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用要求的硬性標(biāo)準(zhǔn)。水泥的強(qiáng)度也是水泥的重要物理力學(xué)性能之一，代表著硬化的水泥承受外力破壞的能力，根據(jù)受力形式的不同水泥的強(qiáng)度通常被分為抗壓、抗折2種。

3.1 研究內(nèi)容

通過對不同KH配比的水泥制作而成的水泥膠砂進(jìn)行抗壓和抗折試驗(yàn)，選擇最優(yōu)的KH值來進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。

3.2 研究方法

到試驗(yàn)齡期時(shí)將試體從水中取出，用抗折機(jī)進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，折斷后每截再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 不同KH下水泥膠砂3d、28d抗壓強(qiáng)度

圖3 不同KH下水泥膠砂3d、28d抗折強(qiáng)度

3.4 試驗(yàn)結(jié)論及分析

由圖2、圖3中可以看出，在不同KH下隨著齡期的增加，水泥膠砂條的抗壓、抗折強(qiáng)度也都明顯提高，說明生態(tài)水泥能夠正常的水化生成強(qiáng)度。從圖2可以看出，隨著KH的逐漸增大，3天的抗壓強(qiáng)度是逐漸增大的，分析其原因可能為：鈣硅比的提高使熟料中的C3S與C2S的比值增大，而C3S水化速度更快，飽和比越高越能夠產(chǎn)生更高的早期強(qiáng)度。隨著KH的逐漸增大，28天抗壓強(qiáng)度略有降低，分析其原因可能為：低飽和比熟料中C2S的占比較大，其水化速度較慢，所以對于后期強(qiáng)度的提升有很大作用。綜合來看，各個(gè)飽和比下水泥的強(qiáng)度都是合格的。

4 廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末的摻量對水泥物理性能的影響

4.1 研究內(nèi)容

通過對不同磚粉摻量的生態(tài)水泥制作而成的水泥膠砂進(jìn)行抗壓和抗折試驗(yàn)，探討在生態(tài)水泥中加入磚粉的可行性。

4.2 研究方法

試驗(yàn)參考與實(shí)驗(yàn)步驟同3.2節(jié)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 不同磚粉摻量下水泥膠砂3d、28d抗壓強(qiáng)度

圖5 不同磚粉摻量下水泥膠砂3d、28d抗折強(qiáng)度

4.4 試驗(yàn)結(jié)論及分析

從圖4、圖5可以看出，利用生態(tài)水泥制作的水泥膠砂條抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度在3天、28天均滿足P.O 42.5的強(qiáng)度要求，說明生態(tài)水泥可以滿足實(shí)際應(yīng)有的強(qiáng)度要求。隨著齡期的增加，水泥膠砂條的強(qiáng)度也明顯增加，說明水泥的水化在正常進(jìn)行。試驗(yàn)證明在磚粉摻量為1%時(shí)抗壓和抗折強(qiáng)度最高。

5 摻加廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末對水泥水化的影響

利用掃描電鏡分別對試驗(yàn)水泥和參比水泥3天、28天水化產(chǎn)物掃描,并進(jìn)行微觀觀察和分析,分析摻加磚粉對水泥水化的影響(圖6～圖9)。

圖6～圖9為生態(tài)水泥膠砂和參比水泥膠砂的3天、28天 SEM圖片，可以看出，28天與3天相比，水泥膠砂的內(nèi)部不斷水化形成致密的結(jié)構(gòu)，這些凝膠結(jié)構(gòu)的形成為水泥的強(qiáng)度提供了保障，同時(shí)可以看出其水化樣與參比水泥膠砂的水化樣差別不大，甚至其結(jié)構(gòu)更緊致、更均勻。這也從微觀上證明摻入一定量磚粉制備生態(tài)水泥是可行的,其強(qiáng)度是可以得到保證的。

圖6 生態(tài)水泥水泥膠砂3d SEM圖

圖7 參比水泥膠砂3d SEM圖

圖8 生態(tài)水泥水泥膠砂28d SEM圖

圖9 參比水泥膠砂28d SEM圖

6 結(jié)論與分析

(1)隨著齡期的增加，摻入磚粉的生態(tài)水泥的抗壓、抗折強(qiáng)度也都慢慢提高，說明加入少量磚粉的生態(tài)水泥能夠正常水化生成強(qiáng)度。

(2)磚粉的加入，不僅可以提高水泥的強(qiáng)度，滿足正常使用的強(qiáng)度要求，同時(shí)將廢棄磚進(jìn)行資源再利用，減少建筑垃圾帶來的污染，有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。