利用不同顆粒級配的建筑渣土制備硅晶石及其性能研究

譚 俊,田 密,謝貴全,馬明龍

(筑邦綠建科技(重慶)有限公司,榮昌 402460)

隨著我國建筑行業(yè)迅速發(fā)展,從2006-2022年,我國的建筑行業(yè)房屋施工總面積迅速增長的同時(shí),建筑垃圾的生產(chǎn)總量也在不斷增長。建筑垃圾主要包括建筑渣土、廢舊磚石等,據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),我國建筑垃圾年產(chǎn)出量高達(dá)20億噸[1]。但目前我國針對建筑行業(yè)產(chǎn)生的建筑垃圾的處理方式仍不成熟,其中少數(shù)用于生產(chǎn)透水磚等低端建材產(chǎn)品,而絕大部分建筑垃圾未經(jīng)任何處理,直接在郊外露天堆放或填埋,不僅處理費(fèi)用高,而且在清運(yùn)和堆放過程中產(chǎn)生的粉塵污染等問題又造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[2-4]。另外,建筑垃圾用作路基填充材料的工藝技術(shù)也不夠成熟,利用率不高[5-7]。因此,將建筑垃圾高效回收利用到建材產(chǎn)品里面才能有效解決廢料對城市環(huán)境的損害。

目前,利用建筑廢料制備建材的研究并不少見,陳建強(qiáng)等[8]以建筑渣土為原料制備出的燒結(jié)普通磚抗壓強(qiáng)度滿足MU10強(qiáng)度要求,各項(xiàng)性能也均合格。王建義等[9]利用建筑渣土和淤泥生產(chǎn)出各項(xiàng)性能優(yōu)異的高檔燒結(jié)磚。劉樂等[10]充分利用建筑渣土制備出新型輕質(zhì)墻體材料,結(jié)果表明:建筑渣土輕質(zhì)墻材用于隔墻用保溫條板時(shí)各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足GB/T23450—2009《建筑隔墻用保溫條板》的標(biāo)準(zhǔn)要求。馬夢云[11]用添加城市污泥和建筑渣土的煤矸石燒結(jié)保溫磚。張婧鵬[12]利用建筑廢料并添加適量的玄武巖纖維制備出性能優(yōu)異的玄武巖纖維改性建筑廢料再生混凝土。雖然建筑廢料在陶瓷建材行業(yè)和混凝土建材行業(yè)都有所研究,但研究制備出的產(chǎn)品利用率與實(shí)用性較高的仍是陶瓷類的燒結(jié)建材。

為了最大程度對建筑廢料進(jìn)行回收利用,以不同顆粒級配的建筑渣土為主要原料,引入適量的粘土、長石、青石等無機(jī)原料,采用真空擠出成型、高溫?zé)Y(jié)工藝制備出一種中空輕質(zhì)材料硅晶石。采取嚴(yán)格控制建筑渣土顆粒級配的方法,通過比較硅晶石表觀爆裂情況、體積密度、吸水率以及抗壓強(qiáng)度的變化,分析建筑渣土顆粒級配的變化對硅晶石性能的影響,并確定最佳的建筑渣土顆粒級配。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)建筑渣土:試驗(yàn)所用建筑渣土為取自榮昌當(dāng)?shù)啬彻緩S房建設(shè)過程中產(chǎn)生的廢棄渣土。采用美國賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)的ARLPERFORMX型X熒光光譜分析儀對樣品化學(xué)成分進(jìn)行分析,由此得到建筑渣土樣品的主要化學(xué)成分見表1;采用日本島津公司生產(chǎn)的X 射線衍射儀(型號(hào):XRD-7000)測定樣品的晶體結(jié)構(gòu),X射線衍射測試的條件為:Cu靶Kα線,速度8°/min,衍射范圍10°～80°,由此得到建筑渣土樣品的主要礦物成分見圖1。

表1 礦物原料主要化學(xué)成分 w/%

從表1可以看出,建筑渣土的SiO2和Al2O3的成分含量超過70%,是制備燒結(jié)陶瓷建材的好原料。從圖1可以看出,建筑渣土的主要物相為石英(SiO2)和鉀霞石(KAlSiO4),這與黏土系列的礦物成分類似。因此,該建筑渣土完全可以用作制備硅晶石的原材料。

2)粘土:塑性原料,灰白色粉末,原料粒度<100目,其化學(xué)組成見表1。

3)長石:熔劑型原料,淡黃色粉末,原料粒度<100目,其化學(xué)組成見表1。

4)青石:瘠性骨料,原料粒度<8目,其化學(xué)組成見表1。

1.2 配合比

不同編號(hào)的試驗(yàn)原料與配比都相同,如表2所示。調(diào)整配方中不同顆粒尺寸的建筑渣土的摻量,選用8～20目、20～40目、40～100目和<100目4種顆粒級配的建筑渣土,建筑渣土總摻量固定為70%,配方中建筑渣土具體的顆粒級配如表3所示。

表2 試驗(yàn)配合比

表3 建筑渣土顆粒級配

1.3 方法

1)產(chǎn)品制備:將所有原材料按照表2和表3中的配比進(jìn)行稱量,然后依次加入到攪拌機(jī)中,攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min,攪拌時(shí)間為5 min;干粉料攪拌均勻后加水進(jìn)行攪拌,攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到250 r/min,混料時(shí)間為15 min。混合均勻的泥料含水率在13%～18%,陳腐1～3 d提高泥料的均勻性和塑性,然后傳送到真空練泥擠出機(jī)中進(jìn)行練泥擠出,擠出時(shí)保證擠出機(jī)絕對真空度控制在0.09 MPa以上。擠出后的坯體為中空結(jié)構(gòu),截面尺寸寬×厚為50 mm×30 mm,將擠出的坯體切割成長度為120 mm的樣品。擠出的樣品在室溫條件下干燥1～3 d,樣件含水率≤13%后放入70 ℃的低溫干燥箱干燥20～28 h,樣品含水率≤7%后放入120 ℃的中溫干燥箱5～8 h,當(dāng)樣品含水率≤1%時(shí)放入燒結(jié)電爐進(jìn)行高溫?zé)Y(jié),燒結(jié)溫度為1 020 ℃,燒結(jié)時(shí)間為30 min,自然冷卻到室溫后取出樣品。

2)表觀爆裂情況:在進(jìn)行試驗(yàn)前將其他已經(jīng)存在的外觀缺陷作好標(biāo)記以免影響試驗(yàn)結(jié)果,然后將樣件完全浸入常溫水中72 h后取出,檢查每塊樣件上因石灰爆裂而造成的外觀缺陷,記錄其尺寸和數(shù)量。

3)體積密度:樣件的體積密度按式(1)計(jì)算,結(jié)果精確至0.01%。

(1)

式中,ρ、M、a、b、c分別為樣件體積密度(kg/m3)、樣件質(zhì)量(kg)、樣件長度(m)、樣件寬度(m)、樣件厚度(m)。

4)吸水率:將樣件表面清理干凈,除去粉塵后稱其干質(zhì)量,將干燥試樣浸入水溫10～30 ℃的水中24 h后取出試樣,用毛巾拭去表面水分后立即稱量。樣件的吸水率按式(2)計(jì)算,結(jié)果精確至0.01%。

(2)

式中,W、M1、M2分別為樣件吸水率(%)、樣件浸泡水之前的質(zhì)量(g)、樣件浸泡24 h并拭去表面水分后的質(zhì)量(g)。

5)抗壓強(qiáng)度:將燒制出的樣件利用全自動(dòng)抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測試。具體測試過程如下:將樣件放置于壓力機(jī)壓板中心后啟動(dòng)壓力機(jī),需保證試驗(yàn)機(jī)上壓板與樣件上表面均勻接觸,持續(xù)加壓直至樣件破壞后記錄當(dāng)時(shí)破壞載荷,抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)保留至0.01 MPa。

2 結(jié)果與討論

1)不同顆粒級配建筑渣土對硅晶石表觀爆裂的影響

樣件表觀石灰爆裂的情況如表4所示。從表4中可以看出,樣件表觀爆點(diǎn)數(shù)量隨著配方中建筑渣土粗顆粒摻量的降低而減少,當(dāng)建筑渣土整體粒徑小于40目,且小于100目的顆粒占比40%以上時(shí),樣件表觀幾乎不發(fā)生石灰爆裂現(xiàn)象。這主要是因?yàn)榻ㄖ令w粒越細(xì),攪拌后原料中的石灰石細(xì)顆粒越分散,避免了燒結(jié)成品內(nèi)部生石灰顆粒的聚集,防止了水化所產(chǎn)生的集中應(yīng)力,因此產(chǎn)生爆裂的數(shù)量減少。

表4 樣件表觀石灰爆裂情況

2)不同顆粒級配建筑渣土對硅晶石體積密度的影響

樣件體積密度測試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出,隨著建筑渣土細(xì)顆粒的增加,樣件的體積密度逐漸增大,由于細(xì)顆粒建筑渣土在燒結(jié)時(shí)充分熔融,產(chǎn)生較多液相,樣件致密性增加,氣孔率降低,因此樣件的體積密度增大。

3)不同顆粒級配建筑渣土對硅晶石吸水率的影響

各樣件吸水率測試結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,隨著建筑渣土細(xì)顆粒的增加樣件的吸水率逐漸降低,在J6處吸水率基本保持不變。這是因?yàn)榧?xì)顆粒建筑渣土比表面積大、燒結(jié)活性大,燒結(jié)時(shí)充分熔融軟化,細(xì)顆粒越多產(chǎn)生的液相越多,坯體變得越密實(shí),使得氣孔率降低,水分子不易進(jìn)入坯體內(nèi)部;產(chǎn)生的液相達(dá)到飽和時(shí),吸水率不再降低。因此吸水率降低到一定值后不再變化。

4)不同顆粒級配建筑渣土對硅晶石抗壓強(qiáng)度的影響

樣件抗壓強(qiáng)度如圖4所示,隨著建筑渣土細(xì)顆粒摻量逐漸增加,樣件的抗壓強(qiáng)度也逐漸增大,在J6處達(dá)到最大為9.38 MPa,此后隨著建筑渣土細(xì)顆粒摻量逐漸增加抗壓強(qiáng)度降低。這是因?yàn)榧?xì)顆粒原料越多越促進(jìn)燒結(jié)液相的生成,但液相過多時(shí)就會(huì)導(dǎo)致配方中的骨料失去作用,從而抗壓強(qiáng)度降低。

3 結(jié) 論

a.建筑渣土主要物相為石英(SiO2)和鉀霞石(KAlSiO4),采用建筑渣土為主要原料制備中空結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料硅晶石,總摻量可以高達(dá)70%,實(shí)現(xiàn)了對建筑廢料的高效回收利用。

b.提高配方中建筑渣土細(xì)顆粒的摻量,可以降低硅晶石燒結(jié)后產(chǎn)生爆裂的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)建筑渣土整體粒徑小于40目,且小于100目的顆粒占比40%以上時(shí),樣件表觀幾乎不發(fā)生石灰爆裂現(xiàn)象,綜合性能即抗壓強(qiáng)度、吸水率也最佳,體積密度小于850 kg/m3。