陶土添加劑對水泥試塊性能的影響

鄭宏偉 ,李永荃 ,劉 彬 ,高凱凱 ,趙 宏 ,甫爾海提·艾尼瓦爾 ,劉 威,徐小偉,莫文龍

(1.新疆興亞工程建設(shè)有限公司,昌吉 831199;2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)建筑工程科學(xué)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,烏魯木齊 833054;3.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院,北京 100088;4.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司,貴陽 550008;5.新疆交投建設(shè)管理有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830099;6.新疆大學(xué)化工學(xué)院,烏魯木齊 830046)

隨著工業(yè)和城市化的發(fā)展,固體廢棄物的產(chǎn)生量大幅度增加。目前,國內(nèi)對生活垃圾的處理方式主要是填埋,但是這種方式無法較好地消除白色垃圾,還會占用大量的土地資源,甚至污染土壤及地下水。焚燒可以有效地減小垃圾體積(使之降至原來的20%～30%),相比傳統(tǒng)的填埋方式具有一定的優(yōu)越性,但焚燒后的殘余無機(jī)物累積量隨著垃圾處理量的增加而增多,必須按照規(guī)定進(jìn)行管理和處置。因此,尋找一種簡單、綠色、高效、可持續(xù)的垃圾處理殘余物資源化的方法成為解決環(huán)境與能源問題的關(guān)鍵。

生活垃圾焚燒后的產(chǎn)物一般為無機(jī)物,具有力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn),可被應(yīng)用到建筑工程中。章志等[1]將生活垃圾焚燒爐底渣用作干硬性混凝土的集料,發(fā)現(xiàn)爐底渣作為干硬性混凝土細(xì)集料時(shí),在一定摻量下,對干硬混凝土的力學(xué)性能與干燥收縮有積極影響。該研究成果可為解決生活垃圾焚燒爐底渣的處置問題提供參考。胡艷麗等[2]采用城市生活垃圾焚燒底灰制備墻體材料,研究了焚燒底灰的用量對混凝土試塊抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響,測試了焚燒底灰混凝土試塊的導(dǎo)熱系數(shù),分析了其熱工性能。研究表明,隨著焚燒底灰用量的增加,混凝土試塊的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均先增大后減小,最大值分別達(dá)到9.97 MPa 和39.81 MPa,而導(dǎo)熱系數(shù)則逐漸減小,最小僅為0.42 W·m-1·K-1,遠(yuǎn)低于常規(guī)建筑材料,說明垃圾焚燒底灰顆?？紫堵矢?、密度低,為保溫材料的開發(fā)提供了借鑒。郭曉潞等[3]對高鈣粉煤灰-城市垃圾焚燒飛灰復(fù)合地聚合物中飛灰的加入量開展了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明高鈣粉煤灰基地聚合物中飛灰含量達(dá)5%～15%時(shí),其重金屬浸出濃度均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)最高限值,復(fù)合地聚合物中飛灰的最佳加入量宜控制在10%以內(nèi)。謝吉星等[4]將飛灰和高嶺土作為主要基質(zhì),制備了飛灰地聚合物材料,發(fā)現(xiàn)飛灰加入量為70%的地聚合物材料的28 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)19.36 MPa,且重金屬浸出試驗(yàn)結(jié)果表明,養(yǎng)護(hù)28 d 的地聚合物材料中重金屬基本無溶出。劉星等[5]分析認(rèn)為,飛灰(類似于陶土)具有一定的火山灰活性,有望成為輔助性膠凝材料;其對混凝土性能影響的機(jī)制較為復(fù)雜,主要取決于飛灰的理化性質(zhì)和預(yù)處理工藝。孫濤等[6]利用生活垃圾焚燒爐底渣微粉(類似于陶土)部分代替水泥制備水泥膠砂和混凝土,并測試了二者的抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明,底渣摻量為10%時(shí),膠砂試件的抗壓強(qiáng)度提高,因而底渣可部分代替水泥作為膠凝材料制備混凝土。石東升等[7]測試了不同水膠比和代砂率條件下生活垃圾焚燒灰渣代砂混凝土的抗壓強(qiáng)度及微觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù),并分析了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,焚燒灰渣細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨含氣量、氣泡弦長和氣泡間距系數(shù)的增大而減小,隨氣泡比表面積的增大而增大?；以盎炷恋目箟簭?qiáng)度隨氣泡分形維數(shù)的變化規(guī)律與普通混凝土一致,均隨氣泡分形維數(shù)的增大而增大。齊道正等[8]發(fā)現(xiàn)以焚燒垃圾灰渣部分或全部替代混凝土中的砂石作為粗細(xì)骨料,隨著垃圾灰渣摻量的增加,混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸降低,當(dāng)灰渣摻量達(dá)到60%時(shí),強(qiáng)度降低了約50%。說明這類焚燒垃圾灰渣的強(qiáng)度比砂石低,而且垃圾灰渣骨料的吸水率較高,掃描電子顯微鏡(SEM)觀察結(jié)果顯示,其中針片狀結(jié)構(gòu)含量較高,導(dǎo)致混凝土的工作性能降低。伍浩然等[9]使用焚燒垃圾產(chǎn)生的底灰制備陶瓷磚,并運(yùn)用正交分析法研究灰渣添加比例、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間對陶瓷磚破壞強(qiáng)度、線膨脹率、吸水率等性能的影響。結(jié)果表明,高溫?zé)Y(jié)有效提高了陶瓷磚的致密度,使其破壞強(qiáng)度增大;灰渣添加量增加,破壞強(qiáng)度先增大后減小,與國家標(biāo)準(zhǔn)相比,灰渣添加比例20%、燒結(jié)溫度1 100 ℃、保溫時(shí)間13 min 時(shí)得到的陶瓷磚樣品的性能最優(yōu)。楊秋菊等[10]基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法研究不同再生料摻量(60%、70%、80%)下水泥冷再生混合料的力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及回彈模量)與穩(wěn)定性能(水穩(wěn)定性及抗凍性)。結(jié)果表明,隨著新集料摻量增加,水泥冷再生混合料的最佳含水量降低、最大干密度增大;相同水泥劑量下,摻加新集料后,水泥冷再生混合料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性能明顯提升。

基于負(fù)氧蓄熱式工藝,使用遠(yuǎn)紅外熱輻射技術(shù)處理城市生活垃圾,可得到無機(jī)廢棄物顆粒,本文稱之為陶土。本研究以此作為水泥添加劑,通過工業(yè)分析、XRF 和XRD 等了解陶土的成分,考察不同粒徑的陶土對水泥試塊力學(xué)性能和抗凝冰性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)主要原料為陶土。陶土呈顆粒狀、淡黃色,尺寸大小不一,且含有黑色碳質(zhì)、金屬屑渣、白色硬質(zhì)塑料、谷物皮、玻璃屑渣、魚骨和小石粒等物質(zhì)。陶土中所含的元素以硅、鐵和鈣為主,可以用于制造高溫耐火磚,也可以用于提取SiO2,作為水泥膠砂的添加劑。試驗(yàn)用水泥為天山P·O42.5;細(xì)骨料為標(biāo)準(zhǔn)砂;水為自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的篩分分析

對陶土顆粒進(jìn)行分級,公稱直徑＞1.25 mm、0.63～1.25 mm、0.32～0.63 mm、0.16～0.32 mm和＜0.16 mm 的方孔砂石篩從上往下依次排列。將樣品置于最上層砂石篩,通過不?；蝿?得到不同粒徑的陶土。其中粒徑＞1.25 mm 的顆粒因較大而未使用,其余四種不同粒徑的陶土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和形貌特征如表1 所示。由表1 可知,陶土經(jīng)過篩分后,細(xì)顆粒占比最大,粗顆粒占比最小。另外,粗顆粒和較粗顆粒含黑色物質(zhì)相對較多,較細(xì)顆粒含淺黃色顆粒相對較多,而細(xì)顆?；旧先渴堑S色粉末狀物質(zhì)。

表1 不同粒徑的陶土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和形貌特征

1.2.2 試塊制備

原材料均在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境(室溫為20 ℃)中放置1 d 后進(jìn)行試驗(yàn)。水泥砂漿配合比為m(水) ∶m(水泥) ∶m(標(biāo)準(zhǔn)砂)=1 ∶3 ∶9,陶土添加量為水泥質(zhì)量的5%。

將配比好的干物料倒入攪拌鍋中慢速攪拌30 s,加入稱量好的水,慢速攪拌1 min,再快速攪拌1 min。攪拌完成后,將物料分兩次倒入已經(jīng)在振實(shí)臺放好的模具中(模具尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,使用前在內(nèi)壁涂上潤滑油),然后用刮尺將模具上層刮平,在室溫下凝固24 h。待試塊凝固好后脫模,將其放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.3 分析方法

1.3.1 工業(yè)分析

根據(jù)《煤的工業(yè)分析方法》 (GB/T 212—2008),分析殘?jiān)鼧悠分械乃帧⒒曳趾蛽]發(fā)分,計(jì)算固定碳含量。

1.3.2 XRF 分析

使用X 射線熒光光譜儀(荷蘭PANalytical Axios)分析樣品的灰分化學(xué)成分,基于X 射線與物質(zhì)相互作用的原理,通過測量物質(zhì)中熒光輻射的能量和強(qiáng)度來確定樣品中的元素組成和含量。

1.3.3 XRD 分析

為了研究陶土的礦物質(zhì)組成成分,利用X 射線衍射在10°～90°范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。

1.3.4 強(qiáng)度分析

參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》(GB/T 17671—2021)測試抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,每組3 個(gè)試塊,取結(jié)果的平均值。

1.3.5 抗凝冰性能分析

將加入5%陶土細(xì)顆粒和未加入陶土的干燥試塊放入水中浸泡10 min,再放入-20 ℃的冰箱中,等待2 h 后取出,觀察試驗(yàn)現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)分析結(jié)果

不同粒徑的陶土的工業(yè)分析結(jié)果如表2 所示。由表2 可知,所有樣品的水分含量都很低;灰分含量都大于83%,且隨著粒徑變大,樣品的灰分也逐漸增多。從揮發(fā)分的含量可知,隨著陶土粒徑減小,揮發(fā)分(主要由有機(jī)物燃燒產(chǎn)生)也逐漸增加,說明陶土中的有機(jī)質(zhì)主要存在于細(xì)顆粒中。也正因?yàn)槿绱?樣品中有機(jī)質(zhì)和固定碳的含量越低,越有利于水泥膠砂的水合反應(yīng),試塊的強(qiáng)度也會相對較高。

表2 不同粒徑的陶土的工業(yè)分析結(jié)果

2.2 元素組成特征

XRF 分析得到的陶土元素組成如圖1 所示,陶土中部分元素含量如表3 所示。由于生活垃圾中的物質(zhì)相對復(fù)雜,所以陶土中金屬元素的種類比較多,其中Fe、Ca 的含量最高,這可能是原料中含有大量鐵屑和含鈣化合物造成的。陶土中的Ca 有利于其與水泥中的硅酸鹽發(fā)生水合反應(yīng),加速水泥砂漿和混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。

圖1 XRF 分析得到的陶土元素組成

表3 陶土中部分元素含量 (%)

2.3 晶相結(jié)構(gòu)特征

XRD 分析得到的陶土晶體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 XRD 分析得到的陶土晶體結(jié)構(gòu)

由圖2 可以看出,陶土在非晶峰26°左右的衍射角對應(yīng)的強(qiáng)度相對較低,可能是因?yàn)槠渲械墓潭ㄌ己枯^低。XRD 分析結(jié)果進(jìn)一步表明了陶土中Ca、Si 的存在,其中主要含有NaCl、CaCO3、SiO2和KCl,較多的NaCl 和KCl 可以提高試塊的抗凝冰性能,SiO2則可以與Ca(OH)2發(fā)生水合反應(yīng),形成C-S-H 凝膠,提高試塊的強(qiáng)度。綜上,陶土很適合作為添加劑來提高建筑材料的強(qiáng)度。

2.4 力學(xué)性能

添加5%陶土的試塊的3 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如圖3 所示。

圖3 添加5%陶土的試塊的3 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

從圖3 可以看出,空白樣試塊的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為6.8 MPa 和19.9 MPa,添加粒徑＜0.16 mm 的陶土顆粒的試塊,抗折強(qiáng)度提高到7.5 MPa,抗壓強(qiáng)度提高到20.5 MPa[11]。這說明粒徑＜0.16 mm 的陶土顆粒能明顯促進(jìn)水泥膠砂在硬化過程中的水合反應(yīng),從而提高其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度;而添加粒徑為0.16～0.32 mm 和0.32～0.63 mm 的陶土顆粒的試塊,抗折強(qiáng)度分別下降到5.7 MPa 和6 MPa,抗壓強(qiáng)度也有所下降,這可能是因?yàn)榱皆?.16～0.63 mm 的陶土顆粒無法形成較為完整的骨架結(jié)構(gòu),不能充分與水泥發(fā)生反應(yīng),凝膠效果較差。而添加粒徑為0.63～1.25 mm 的陶土顆粒的試塊,抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度相對于添加粒徑為0.16～0.32 mm 和0.32～0.63 mm 的陶土顆粒的試塊有所提高,可能是因?yàn)榇箢w粒在其中充當(dāng)了骨架結(jié)構(gòu)。從力學(xué)性能可以看出,加入陶土中的細(xì)顆粒能明顯提高試塊的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2.5 抗凝冰性能

新疆的冬季非常寒冷,晝夜溫差較大,道路表面的積雪在中午溫度較高時(shí)會部分融化,但到了晚上又會結(jié)成冰黏結(jié)在路面,導(dǎo)致路面的抗滑性能急劇下降,嚴(yán)重影響車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性,因此,需要對路面進(jìn)行抗凝冰處理。-20 ℃條件下,添加5%陶土的試塊的抗凝冰性能如圖4 所示。從圖4 可以明顯看出,未加入陶土細(xì)顆粒的水泥試塊四周明顯結(jié)冰而且冰層相對較厚,而加入5%陶土的水泥試塊四周沒有黏結(jié)冰塊,冰層厚度也較薄。陶土中存在的多種無機(jī)鹽組分,具有與抗凝冰涂層相似的儲能特性,這一點(diǎn)可從試塊的抗凝冰效果上看出。

圖4 添加5%陶土的試塊的抗凝冰性能

3 結(jié)論

本文討論了不同粒徑的陶土對提高水泥試塊力學(xué)性能以及抗凝冰性能的效果。結(jié)果表明,陶土粒徑越大,灰分含量越高,揮發(fā)分越少。陶土中主要含有Si、Ca、Fe 等元素,SiO2和鹽類的含量較高。對試塊的力學(xué)性能進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn),添加陶土細(xì)顆粒能明顯促進(jìn)水泥膠砂的水合反應(yīng),從而提高其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。-20 ℃條件下試塊的抗凝冰性能測試顯示,添加細(xì)顆粒陶土可明顯降低結(jié)冰層厚度和冰的黏結(jié)性,說明陶土中的鹽類物質(zhì)降低了水的冰點(diǎn),增強(qiáng)了試塊的抗凝冰性能。因此,陶土可作為水泥制品的添加劑,實(shí)現(xiàn)固體廢物的資源化利用。